ボルネオの水泥炉の制御システムアップグレード:産業制御ケーブル設置事例研究

2024年3月、マレーシア、サラワク州ミリに年間120万メートルトンのセメントを生産する統合セメントプラントを操業する中堅セメントメーカー、Borneo Cement Industries Sdn Bhdは、25年稼働しているロータリーキルンラインの主要な制御システム近代化プロジェクトを開始しました。同プラントは、東マレーシアとブルネイの建設プロジェクトにバルクおよび袋入りセメントを供給しており、その生産量の約70％はパン・ボルネオ・ハイウェイ回廊のインフラプロジェクトで消費されています。

シニア電気技師のAzman bin Hashim氏が率いるエンジニアリングチームは、2023年末の定期的な予防保全検査中に、キルン制御回路における持続的な信号劣化の問題を特定しました。2024年3月15日のプロジェクトキックオフ会議でレビューされた保守記録によると、オペレーターは過去6ヶ月間に少なくとも14件の断続的なPLC通信障害を報告しており、主にバーナー管理、クリンカークーラー速度制御、予熱器ファンダンパー位置決めに関連していました。各障害イベントは、技術者が手動トラブルシューティングを行うために平均45分間の生産減速を引き起こしました。

調達プロセスは2024年1月に開始され、プラントのエンジニアリング部門は、事前に資格認定された3社の産業用ケーブルサプライヤーに詳細な技術仕様書を発行しました。サンプルテスト、現場訪問、技術コンプライアンスレビューを含む4週間の評価期間を経て、プラントの年間メンテナンスシャットダウンに合わせて、2024年6月から7月を目標設置期間として契約が締結されました。

ミリプラントは1999年に年間80万メートルトンの初期容量で稼働を開始し、2008年に120万トンに拡張されました。稼働開始時に設置されたオリジナルの制御ケーブルは、主にキルン建屋の overhead cable tray を通して配線された、非シールドPVC絶縁多芯ケーブルでした。20年以上にわたる連続稼働で、プラントはエンジニアリング検査報告書に記録された以下のケーブル関連の問題を記録しました。

• ケーブルの経年劣化: 2023年12月に実施された目視検査では、キルンエリアの制御ケーブルの約40％でPVC外被が硬化・亀裂していることが明らかになり、12本のケーブルセグメントの絶縁抵抗測定値が、低電圧制御回路のIEC 60364で規定されている1 MΩの閾値を下回りました。
• 信号干渉: 保守記録によると、415Vモーター電源ケーブルから300mm以内に配置された温度伝送器ループ（4-20 mA）で、アナログ信号のドリフトが繰り返し発生していました。プラントのDCSヒストリアンは、機器データシートで指定されている許容値±0.5%の公差と比較して、2023年第4四半期に6回、スパンの±3%を超える信号偏差を記録しました。
• 過酷な環境: キルンエリアは、ケーブルトレイレベルで35℃から65℃の周囲温度で稼働しており、キルンシェルからの時折の熱風漏れにより、バーナープラットフォーム付近の局所的な温度が80℃以上に上昇することがあります。ケーブルトレイへのセメント粉塵の堆積は、11月から2月のモンスーンシーズン中の高湿度（75-85% RH）と相まって、被覆の劣化を加速させる腐食性微小環境を作り出しました。
• 機械的振動: 予熱器タワーのケーブルトレイで測定された振動測定値は、第5ステージサイクロンレベルで2.8 m/s²のピーク加速度値を示し、追加の機械的保護なしの固定設置に対してケーブルメーカーが推奨する2.0 m/s²の閾値を超えました。
• 油汚染: キルン推力ローラー潤滑システムからの油ミストが、ドライブベイエリアのケーブル表面に付着し、油圧ユニットから5メートル以内の範囲に設置されたケーブルのPVC被覆の膨潤と軟化を引き起こしました。

自動化アップグレードの範囲には、既存のPLC-5システムを最新のControlLogixプラットフォームに交換すること、48台の新しいフィールド機器（温度伝送器、圧力伝送器、ガス分析器、位置センサー）の設置、およびフィールドジャンクションボックスと中央制御室間のすべての制御ケーブルの完全交換が含まれ、総ケーブル配線距離は約4.2キロメートルに及びました。

キルン制御システムは、信号劣化を許容できない複数のミッションクリティカルな機能のために低電圧制御ケーブルに依存しています。

• PLC通信: キルンフィールドジャンクションボックス内のControlLogixリモートI/Oラックと中央制御室内のメインプロセッサ間のデジタルI/O信号は、最長ケーブル長280メートルで最大1.5Vの電圧降下で、クリーンな24V DC信号伝送を必要とします。
• モーター制御: キルンメインドライブ、IDファン、クーラーグレータードライブ、予熱器ファンを制御する12台の可変周波数ドライブの起動/停止コマンド、ランフィードバック、速度参照信号（0-10V DCおよび4-20 mA）は、誤ったトリップや速度の変動を防ぐために安定した信号整合性を要求します。
• 計装ループ: DCS I/Oカードに接続される48個の4-20 mAアナログループ（温度伝送器、圧力伝送器、ガス分析器）は、機器性能受入基準で指定されているように、スパンの±0.25%以内の信号精度を維持するために、シールドツイストペア制御ケーブルを必要としました。
• 安全システム: 緊急停止回路、バーナー安全インターロック、キルンシェル走査器過熱アラーム回路は、火災発生時を含むすべての動作条件下で信号整合性を維持する必要があるSIL 2安全機能を表します。
• SCADA統合: アップグレードされたシステムは、キルンPLCとプラントSCADAサーバー間のRS-485ツイストペアを介したModbus RTU通信を必要とし、制御されたインピーダンス特性を持つ適切にシールドされた制御ケーブルが必要でした。

エンジニアリングチームは、最終選定前に3つのケーブル構成を評価しました。選定プロセスは、2024年2月22日付の技術評価報告書TER-2024-003に文書化されています。現場テストには、キルンクーラーエリアに50メートルのケーブルサンプルを2週間の試用期間で一時的に設置し、Fluke 1587 FC絶縁テスターとYokogawa DL350ポータブルオシロスコープを使用して絶縁抵抗と信号品質を継続的に監視することが含まれていました。

現場テストデータと費用便益分析をレビューした後、チームは以下のケーブル仕様を選定しました:

二重シールド構成は、予熱器タワーおよびクーラーエリアのフィールド機器を接続する120個のアナログ信号回路に特に選定されました。エンジニアリングチームは現場測定により、同じケーブルトレイ内の415V VFDケーブルが200mm以内の近接距離で50Hzで最大15V/mの電磁干渉フィールドを生成し、単一シールドケーブルでは十分に抑制できないことを確認しました。二重シールドケーブルは、同じ条件下で誘起ノイズ電圧を50mV未満に低減し、信頼性の高い4-20 mA信号整合性の100mV閾値を十分に下回りました。

ケーブル設置は、プラントの21日間の年間メンテナンスシャットダウン開始に合わせて、2024年6月2日に開始されました。設置チームは、プラントの社内電気保守クルーから12名の電気技師で構成され、ケーブルサプライヤーのテクニカルサービス部門から4名の技術者と、自動化システムインテグレーターから2名のコミッショニングエンジニアがサポートしました。

設置は、方法書MS-ELEC-2024-017に文書化された段階的なアプローチに従いました。

• フェーズ1（1～3日目）: 旧式制御ケーブルの撤去。チームは、ケーブルトレイ、コンジット、ジャンクションボックスから約3.8キロメートルの古いケーブルを抽出しました。取り外された各ケーブルにはタグが付けられ、廃止登録簿に記録されました。チームは、94個のジャンクションボックスガスケットのうち27個が劣化していることを発見し、新しいケーブル設置開始前に新しいシリコンガスケットと交換しました。
• フェーズ2（4～10日目）: 新規ケーブル敷設。2024年5月28日の設置前ウォークダウンで特定された戦略的な引き出しポイントに24個のケーブルドラムが配置されました。ケーブル敷設には、直線トレイセクションに3メートル間隔で配置された電動ケーブルローラーと、ケーブル外径の8倍以上の半径を持つ曲がり部での手動誘導が使用されました。最長の単一引き出しは、予熱器第5ステージジャンクションボックスからキルンフロアマーシャリングキャビネットまで175メートルでした。100メートルを超える引き出しには、ケーブル敷設潤滑剤（水性、非汚染性）が塗布されました。
• フェーズ3（8～14日目）: グランドと終端処理。すべてのジャンクションボックスエントリには、ネオプレンシール付きの真鍮ケーブルグランドが使用されました。各ケーブルコアは、プラントのKKS（Kraftwerk-Kennzeichen-System）識別規格に従って、熱収縮印刷マーカーを使用して識別されました。シールドドレインワイヤーは、各ジャンクションボックス内の専用計装アースバスバーに終端処理され、フィールド機器からDCSキャビネットまで連続したシールドカバレッジを維持しました。
• フェーズ4（12～18日目）: 制御室内のケーブル配線は、床下のケーブルトレイを使用し、制御ケーブル、電源ケーブル、通信ケーブルを分離されたコンパートメントに配置しました。電磁両立性に関するIEC 61000-5-2で指定されているように、制御ケーブルと電源ケーブルの配線経路の間には最低300mmの分離を維持しました。
• フェーズ5（15～20日目）: テストとコミッショニング。各ケーブル回路は、絶縁抵抗テスト（500V DC、最低100 MΩ合格）、導通確認、ループ抵抗測定を受けました。シールド導通は、最大許容抵抗1.0Ωでエンドツーエンドで検証されました。アナログ回路は、DCSエンジニアリングワークステーション経由で監視され、0%、50%、100%スパンのシミュレートされた4-20 mA入力で24時間の信号安定性テストを受けました。

設置期間中にいくつかの予期せぬ課題が発生し、現場監督のLee Chong Wei氏が維持したプロジェクト日報に文書化されています。

• 限られたシャットダウン期間: 元の21日間のシャットダウンは、ブルネイへの緊急輸出注文を満たすために生産部門がクリンカー生産を延長したため、18日間に短縮されました。設置チームは、失われた3日間を取り戻すために、2つの10時間シフトに再編成されました。
• ケーブルトレイの混雑: 既存の電源ケーブルと旧世代の計装ケーブルが、キルンフィード建屋の利用可能なケーブルトレイ断面積の約70%を占めており、新しい制御ケーブルバンドル用のスペースが不足していました。チームは、シャットダウンの最初の2日間で、フィード建屋の北壁に沿って85メートルの追加のパンチングメタルケーブルトレイ（幅400mm）を設置しました。
• 終端処理中の高湿度: モンスーンシーズンの湿度レベルは、終端処理作業の最初の週に85% RHを超え、グランド処理前のXLPE絶縁への湿気侵入が懸念されました。チームは、終端処理中にジャンクションボックス内に2台の産業用除湿機を配備し、露出した場所のジャンクションボックスにはシリカゲルブリーザープラグを使用しました。
• 予期せぬ配線変更: 古いケーブルの撤去中、プラントの竣工図では空とマークされていた放棄された11kVケーブルダクトが部分的に崩壊し、げっ歯類が巣を作っていることが判明しました。チームは、クーラー建屋の東壁に沿った代替経路で120メートルの制御ケーブルを再配線し、追加のケーブルトレイサポートブラケットの製作が必要となりました。
• VFDコミッショニングとの調整: 自動化インテグレーターのVFDコミッショニングスケジュールは、両チームが同じMCCキュービクルへのアクセスを必要としたため、14～16日目のケーブル終端処理スケジュールと競合しました。午前7時30分に毎日の調整会議が設けられ、MCCアクセススケジュールは午前と午後のセッションに分割されました。

プロジェクトチームは、発生した課題に対処するためにいくつかの現場エンジニアリングソリューションを実施しました。

• 追加ケーブルトレイ設置: フィード建屋に設置された新しい400mmケーブルトレイは、既存のトレイ材に合わせるために溶融亜鉛めっき鋼製とされ、サポートブラケットは1.5メートル間隔で建屋鋼柱に溶接されました。荷重計算により、既存構造がトレイあたり追加の12 kg/mのケーブル重量を支えられることが確認されました。
• 二重シールドケーブルの接地強化: 120個の二重シールドアナログ回路では、アルミニウム/ポリエステル箔シールドは、ループ電流を防ぐためにDCSキャビネット側のみ（一点接地）で接地され、銅編組シールドは高周波EMI保護のために両端で接地されました。このハイブリッドアプローチは、接地スケジュールGS-2024-005に文書化されており、Fluke 1630-2 FCアースグラウンドクランプメーターを使用して検証されました。
• 別々の配線検証: EPCコントラクターの電気監督者との設置後ウォークダウンにより、すべての新しい制御ケーブルがケーブルトレイ経路全体で電源ケーブルから最低300mmの分離を維持していることが確認されました。分離が250mm未満であった5箇所は、終端処理に進む前に修正されました。
• 湿気保護プロトコル: 露出した予熱器タワーの場所にあるジャンクションボックスには、IP66定格のブリーザー排水口が取り付けられ、終端処理後、グランドプレートは中性硬化シリコンシーラントでシールされました。毎日の絶縁抵抗テストログでは、高湿度期間中に劣化は見られず、除湿対策の効果が確認されました。
• ケーブル識別システム: 3層のケーブル識別システムが実装されました。各ジャンクションボックスエントリでのケーブルドラム番号、各グランドプレートでのKKS機能コード、および各端子ブロックでの個々のコアマーカーです。電気監督者は、このシステムにより、コアマーカーのみを使用していた以前のプロジェクトと比較して、終端処理エラーが推定60%削減されたと指摘しました。

アップグレードされた制御システムは2024年6月22日にコミッショニングされ、キルンは2024年6月23日に再点火に成功し、再起動後36時間以内にクリンカー生産能力を完全に達成しました。その後の3ヶ月間（2024年7月～9月）のコミッショニング後パフォーマンス監視では、以下の観察結果が記録されました。

• PLC通信の安定性: 保守ログでは、アップグレード前の6ヶ月間に14件の障害イベントが発生したのに対し、コミッショニング後の3ヶ月間ではPLC通信障害イベントはゼロでした。プラントの信頼性エンジニアであるNurul Hayati氏は、2024年第3四半期の保守レビュー会議で、「この制御システムは、私がこのプラントで7年間働いてきた中で最も静かなものだ」と述べました。
• アナログ信号精度: 2024年9月に実施された四半期ごとの校正検証により、48個すべてのフィールド機器ループがスパンの±0.15%以内の信号精度を維持していることが確認され、±0.5%の受入基準を十分に満たしていました。保守チームは、この改善は二重シールドケーブル構成によるノイズ誘起の排除によるものだと考えています。
• トラブルシューティング時間の短縮: 構造化されたケーブル識別システムにより、保守電気技師は2024年8月の予防保守検査中に、電気保守監督者の作業指示完了記録によると、回路のトレースを約40%速く行うことができました。
• 運用上の観察: キルンオペレーターは、以前は月に約2回発生し手動介入を必要としていた、説明のつかないバーナー変調や予熱器ファン速度のハンチングの事例を報告しませんでした。2024年7月～9月のシフト監督者ログブックには、制御信号異常に関連するエントリはありませんでした。
• 生産稼働率: キルンは2024年第3四半期に98.2%の稼働時間を達成し、2023年同期の平均94.7%と比較して向上しました。この改善には複数の要因が寄与しましたが、制御信号関連のダウンタイムの排除が、四半期生産報告書で寄与要因として特定されました。

プロジェクトチームは、2024年8月15日に開催されたプロジェクト後レビュー会議で、いくつかの学んだ教訓を文書化しました。

• 設置前ケーブルトレイ調査は重要: 設置中のケーブルトレイ混雑の発見は、15年前の竣工図に依存するのではなく、エンジニアリングフェーズ中に実施された詳細なトレイ積載量調査によって回避できた可能性があります。将来のプロジェクトでは、詳細エンジニアリング成果物の一部として、物理的なケーブルトレイ占有率測定を含めるべきです。
• 高EMI環境における二重シールドの付加価値: 二重シールドケーブルの追加コスト（単一シールドと比較して約22%のプレミアム）は、アナログ信号整合性の測定された改善によって正当化されました。プラントの計装エンジニアは、VFDケーブルのあるエリアのすべてのアナログ信号回路で、将来的に二重シールドを標準要件として指定することを推奨しました。
• 高温ゾーンでのPVCに対するXLPE: PVC絶縁制御ケーブルは、周囲温度が45℃を超えるエリアでは十分でしたが、キルンエリアのすべてのケーブルにXLPE絶縁を選択したことで、調達が簡素化され、高温ゾーンでの温度制限付きケーブルの誤設置リスクが排除された均一な仕様が提供されました。
• ケーブル識別への投資は保守で回収: 3層識別システムは、設置中に約15%の追加労働力を必要としましたが、保守エンジニアは、この投資は、トラブルシューティング時間の短縮により、最初の2年間の運用で回収されると推定しました。
• シフト勤務によるスケジュール回復: 生産部門のシャットダウン期間短縮通知から24時間以内に2交代制を実施するという決定により、設置品質を損なうことなく失われた時間の80%を回復することができ、ケーブルテストの100%初回合格率によって確認されました。

このプロジェクトの結果に基づき、エンジニアリングチームは同様の産業用制御ケーブル設置に対して以下の推奨事項を提供します。

• シールド vs 非シールド選定: 電源ケーブルから少なくとも300mm離れたケーブルトレイで動作する24V DCのデジタルI/O回路の場合、非シールド多芯制御ケーブルで十分です。ただし、アナログ信号回路（4-20 mA、0-10V、熱電対、RTD）またはデジタル通信回路（RS-485、Modbus、Profibus）の場合は、シールドケーブルを必須として指定する必要があります。制御ケーブルと電源ケーブルが共通トレイを共有する環境（金属製仕切り板があっても）では、ノイズに敏感な回路には二重シールドを検討すべきです。
• 絶縁材選定: セメントキルン建屋、製鋼所鋳造エリア、発電所ボイラーハウスなど、周囲温度が常に45℃を超えるエリアの制御ケーブルには、XLPE絶縁を推奨します。XLPEの90℃連続定格は、PVC（70℃）よりも20℃のマージンがあり、高温環境でのケーブル寿命を大幅に延ばします。
• ケーブルトレイの分離: 実現可能な限り、制御ケーブルと電源ケーブルは別々のケーブルトレイを使用すべきです。共通トレイが避けられない場合は、少なくとも2mm厚の金属製仕切り板を設置し、制御ケーブルは電源ケーブルから最低200mmの水平距離を維持する必要があります。これらの推奨事項は、IEC 61000-5-2の最小要件を超えており、分離の有無による残留誘起電圧を示す現場測定に基づいています。
• シールド接地戦略: アナログ信号回路の場合、受信端（通常はDCSまたはPLCキャビネット）で全体シールドの一点接地を実施します。各シールドペアのドレインワイヤーは、同じ場所で接地する必要があります。高周波ノイズ環境（例：VFDモーターケーブルの近く）では、銅編組を両端で接地することで追加の減衰が得られる場合がありますが、ループ電流が発生しないことを測定で確認する必要があります。
• 将来の拡張計画: プロジェクトチームは、すべての将来のケーブル設置設計に25%の予備容量（空のケーブルトレイ幅と予備のジャンクションボックス端子）を組み込むことを推奨しました。このプロジェクトでは、フィード建屋に設置された追加トレイは30%の予備容量でサイズ設定され、ジャンクションボックスはプラントの5年拡張計画に基づき25%の予備端子で指定されました。
• 定期検査体制:以下の間隔で制御ケーブル検査プログラムを確立すべきです。アクセス可能なケーブルトレイの目視検査（機械的損傷、油汚染、支持構造の完全性をチェック）を6ヶ月ごと。重要回路の絶縁抵抗テストを12ヶ月ごと。ケーブルトレイ経路のサーモグラフィ調査を24ヶ月ごと（潜在的な障害を示すホットスポットを特定するため）。

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