はじめに
水位や流量、温度、圧力、濁度などのアナログデータを取り扱う計装回路においては、アイソレータやディストリビュータを使用して必要な場所への信号のやり取りを行います。ここで使用されるアイソレータやディストリビュータはどうやって選べば良いのか、選定する際の注意点に関して解説します。
アイソレータとは？
アイソレータは、信号の電気的絶縁を目的とした装置です。主に送信器や制御機器間の信号伝送時に使用され、信号は維持しつつ、ノイズや接地電位差による干渉を防ぎます。一般的に光結合（フォトカプラ）が使われ、入力側と出力側の電気的な接続を断つことで、安全性と信頼性を向上させます。これにより、計装機器の誤動作や損傷を防ぎ、安定したプロセス制御が可能になります。私たちの電気設計の業界では、制御盤同士のやり取りに使用することが多いです。一種の責任分界点としても機能します。
ディストリビュータとは？
ディストリビュータは、差圧伝送器などの2線式のアナログ信号（主に DC4～20mA ）を用いる機器に対して、電源の供給と信号の受信を同時に行う機器です。流量計などに付帯する信号変換器などの送信器は通常、外部からの電源供給が必要ですが、ディストリビュータを使用することで電源と信号線を 2本 のケーブルで共用できるため、計装工事費を大きく節約することが可能です。また、アイソレータ同様に信号を絶縁する機能を持つ製品も多く、計装回路全体の安全性や安定性を高められます。
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両者の共通点と違いを整理しよう
一旦、ここまでのお話を整理します。アイソレータとディストリビュータは、いずれも計装信号を安全かつ安定に伝送するための機器ですが、目的と機能に違いがあります。アイソレータは主に信号の電気的絶縁を行う装置で、ノイズ対策や接地電位差の影響を防ぎます。電源供給機能を持ちません。一方、ディストリビュータは、2線式の送信器に電源を供給しつつ、その信号を受信して制御機器へ出力する機能を持ちます。電源供給機能を持ちます。
信号の種類による使い分け｜DC4-20mA の基礎知識
上述のアイソレータやディストリビュータを使用するのは、アナログ信号を取り扱う計装回路の中です。この計装回路の中では、統一信号として DC4-20mA が用いられます。これは国際電気標準化会議(IEC)によって取り決められたものです。
上記信号が標準となったのには主に 3つ の理由があります。1つ目は直流電流信号はノイズに強い事です。2つ目は、電源供給が可能であることです。ディストリビュータを採用し、工数を削減することが可能となります。3つ目は、長距離伝送でも信号が減衰しにくいことです。
例えば、 0.00～7.00m のポンプ井水位を DC4-20mA で表すと下記の表となります。
| 0.00m | 4mA |
| 1.00m | 6.28mA (= 16/7 + 4) |
| 3.50m | 12mA |
| 5.00 | 15.43mA (= 16/7 x 5 + 4) |
| 7.00m | 20mA |
0.00m が DC4mA になることに注意が必要です。これは「断線や停電などの信号が来ていない状態」と「数値がゼロ」の点を区別するためです。例えば、薬品注入量を 0～20mA で表した場合を考えてみます。この場合、断線してしまっても 0mA となります。これをコントローラ(制御の脳みそ)では「薬品注入量がゼロ」と捉えてしまい、注入量増加指令を出し、薬品の過注入状態となってしまう危険性があります。このような事態を避けるために、プラントの電気設備設計においては、 DC4-20mA を統一信号として使用しています。
信号の種類による使い分け｜DC1-5V の基礎知識
DC1-5V も統一信号として用いられます。考え方は DC4-20mA と同様です。例えば、 0.00～7.00m のポンプ井水位を DC1-5V で表すと下記の表となります。
| 0.00m | 1V |
| 1.00m | 1.57V (= 4/7 + 1) |
| 3.50m | 3V |
| 5.00 | 3.86V (= 4/7 x 5 + 1) |
| 7.00m | 5V |
DC1-5V を使用するメリットは並列接続が可能なことです。DC4-20mA を使用する場合には、全ての機器は直列接続となります。複数の機器を接続する場合、どこか１ケ所でも故障が起きると、信号の入出力が全てなくなってしまいます。一方、 DC1-5V は並列接続が可能です。そのため、複数の機器を接続し、どこか 1か所 が故障や断線しても、その他の機器の入出力には影響がありません。信頼性も高まり、保守も容易です。
複数の機器を接続する場合には「許容負荷抵抗」に注意が必要です。並列接続によって抵抗（インピーダンス）が小さくなりすぎると、計測誤差が大きくなり、正しくアナログ信号が測定できなくなってしまいます。
このようなそれぞれの信号のメリットやデメリットに鑑みて、現場機器から制御盤や計装盤への信号のやり取りは 1：1 の DC4-20mA で取り合い、盤内はアイソレータやディストリビュータで、 DC1-5V に変換して使用することが一般的です。
直列回路、並列回路に関しては ここから（後日追記） ご確認ください。
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まとめ
アナログ信号を扱う計装回路では、アイソレータやディストリビュータが信号の絶縁や安定伝送に重要な役割を果たします。アイソレータはノイズや電位差対策のために電気的絶縁を行い、ディストリビュータは2線式送信器に電源供給と信号伝送を同時に行います。プラントの世界ではアナログ信号をDC4-20mAとDC1-5Vという 2種類 の統一信号で扱うことが多いです。前者はノイズ耐性と長距離対応に優れ、後者は並列接続が可能で保守性が高いです。用途に応じた使い分けが重要となることを覚えておきましょう。
