Integracja inteligentnych czujników i złożonych urządzeń sterujących z systemami automatyzacji wymaga używania coraz bardziej zaawansowanych złączy i kabli. Należy pamiętać, że mogą one być wykorzystywane w różnych, określonych środowiskach, np. montowane w maszynie typu pick & place, robocie przemysłowym czy rozlewni. Prawidłowy dobór kabli i złączy ma więc ogromne znaczenie. Jak podjąć właściwą decyzję?

Ten artykuł zawiera przegląd najważniejszych czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze złączy do zastosowań w automatyce przemysłowej. Podpowiada również, jak dobrać złącza i kable, aby ułatwić montaż i zapewnić wysoką niezawodność przy maksymalnym czasie sprawności i wydajności.

Znaczenie kabli i złączy

Według najnowszego raportu dotyczącego światowego rynku kabli i złączy niezawodna łączność i wysoka wydajność zyskują na znaczeniu w wyniku rozwoju technologii, takich jak chmura i Internet rzeczy (IoT).

W zastosowaniach automatyki przemysłowej uszkodzenia złączy lub kabli mogą powodować przejściowe usterki, takie jak utrata kontroli lub zasilania, a ostatecznie prowadzić do katastrofalnej w skutkach awarii i całkowitego wyłączenia systemu. Aby uniknąć takich sytuacji, a także związanych z nimi wydatków na nieplanowaną konserwację oraz strat w produkcji, inżynierowie powinni ze szczególną ostrożnością określać specyfikacje złączy i kabli. Biorąc pod uwagę zarówno zastosowanie, jak i środowisko, w którym będzie działać maszyna, projektant może zebrać wszystkie istotne specyfikacje, rozważyć dostępne opcje i, w efekcie, wybrać najodpowiedniejsze złącze i kabel.

Napięcie i obciążalność prądowa

Określanie specyfikacji złącza nie polega jedynie na doborze właściwego napięcia i obciążalności prądowej, ale z pewnością warto od tego zacząć. Napięcie, prąd i rezystancja to trzy właściwości, które należy rozważyć. W arkuszu danych często podawane są następujące specyfikacje:

• Napięcie robocze — normalne maksymalne napięcie robocze złącza.
• Napięcie wytrzymywane przez dielektryk— maksymalne napięcie, z jakim izolator może sobie poradzić. Przekroczenie tego napięcia może spowodować awarie w danym zastosowaniu.
• Rezystancja zestykowa — maksymalna rezystancja na obszarze styku po przyłączeniu złącza.
• Rezystancja izolatora — wskazuje, jak bardzo zestyk, obudowa i ogólna konstrukcja złącza jest odporna na wyładowania łukowe, które mają miejsce, gdy nadmiar prądu narasta w wyniku działania rezystancji.

Jeśli na przykład złącze obsługuje prąd znamionowy 100 A, będzie ono działało niezawodnie i nieprzerwanie bez przegrzewania. Przez krótki okres może być w stanie obsługiwać wyższe prądy, ale w takim przypadku będzie generować ciepło. Jeśli złącze pracuje przez dłuższy czas przy prądzie wyższym niż określony, zestyki topią się i odlutowują. Warto pamiętać, że złącza pracujące z nadmiarem prądu, które mają wysoką rezystancję zestykową, stracą więcej mocy w postaci ciepła od złączy o niskiej rezystancji zestykowej.

Warto również podczas montażu umieścić gniazdo po stronie zasilającej, tak aby nie można było go dotknąć, zapobiegając w ten sposób ryzyku porażenia prądem lub zwarcia. Styki znajdują się po stronie niezasilającej, np. po stronie silnika.

Stopień ochrony IP

Kolejnym kluczowym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy wyborze kabli i złączy, jest stopień ochrony IP (Ingress Protection). Jest to norma IEC wykorzystująca dwucyfrowy kod IP, który wskazuje, jak skutecznie system połączeń jest zabezpieczony przed wnikaniem ciał stałych i cieczy. Pierwsza cyfra kodu oznacza poziom ochrony przed wnikaniem obcych ciał stałych, tj. brudu i pyłu, a druga cyfra oznacza ochronę przed wnikaniem wody.

Istnieje sześć stopni ochrony przed ciałami stałymi: od braku ochrony (0) do całkowitego zabezpieczenia przed przenikaniem pyłu (6). Zakres ochrony przed cieczami obejmuje 8 stopni: od braku ochrony (0) do ochrony przed długotrwałym zanurzeniem pod ciśnieniem (8). Z reguły w warunkach przemysłowych wymagany jest stopień ochrony IP67, który oznacza pełną ochronę zarówno przed przenikaniem pyłu jak i wody. W środowiskach, takich jak przemysł spożywczy i napojów, gdzie czyszczenie odbywa się regularnie, należy rozważyć zastosowanie złączy o stopniu ochrony IP67 lub wyższym.

Drgania i wstrząsy mechaniczne

Wstrząsy mechaniczne i drgania również mogą mieć wpływ na wybór złączy i kabli. Utrata połączenia może prowadzić do występowania błędów połączenia, nieprawidłowych danych, niewłaściwego sekwencjonowania i nieplanowanych przestojów na linii produkcyjnej. Jeśli złącze jest podłączone do ruchomego kabla, na przykład w maszynie typu pick & place, należy upewnić się, że występuje wystarczająca redukcja naprężeń, tzn. że kabel jest zamocowany na ruchomym końcu.

Należy również określić funkcjonalność złącza. W automatyce przemysłowej często stosowane są złącza okrągłe. Są one dostępne z obudowami w różnych rozmiarach, z różnymi kodowaniami i konfiguracjami, i spełniają stale rosnące wymagania w zakresie przesyłania sygnału, danych i zasilania. W zależności od zastosowania są one dostępne jako złącza proste lub prostokątne.

Wybór właściwych kabli i złączy

Gdy złącza i kable narażone są na wilgoć, pył, olej, rozpuszczalniki i inne zanieczyszczenia chemiczne, możliwe jest zastosowanie profilowanych kompletów połączeniowych. Są one jednak dostępne w określonych długościach i konfiguracjach. Jeśli nie jest znana dokładna długość kabla, wówczas warto wybrać bardziej elastyczne, okrągłe złącza przyłączane na końcu kabla. Złącza te można przykręcić lub przylutować, co stanowi trwalsze rozwiązanie.

Po określeniu wymagań dotyczących przesyłania sygnału, danych i zasilania należy wybrać właściwe kodowanie. Na przykład złącze M12firmy Metz Connect umożliwia wybór różnych opcji kodowania, które pomagają zminimalizować błędy połączenia. Wielu producentów stosuje kodowanie kolorystyczne na styku wewnętrznym złącza, aby rozróżnić dostępne typy złączy. Kodowane złącza A, B i D należą do oryginalnych typów złączy M12, natomiast kodowane złącza X stają się coraz bardziej popularne z powodu zapotrzebowania na szybkie przemysłowe sieci Ethernet.

Na przykład wtyki i złącza 8-biegunowe M12 do montażu polowego, z kodowaniem X, pozwalają na podłączenie 4-żyłowych połączeń skręcanych i dlatego też wymagają zastosowania kabla CAT6A. Są one odpowiednie dla standardów sieci Ethernet 10 GBit (IEEE 802.3an), zdalnego zasilania (PoE, PoE plus i UPoE) oraz HDBaseT. Te wytrzymałe złącza mają obudowę z odlewu cynkowego oraz stopień ochrony IP67, więc po podłączeniu są zabezpieczone przed wnikaniem brudu i wody.

W przypadku konieczności zastosowania złączy o wyższym stopniu ochrony IP (nawet do IP68/69K), dobrze sprawdzą się wodoodporne okrągłe złącza Aquarius z serii EcoMate firmy Amphenol. Ten system połączeń jest dostępny w obudowach o rozmiarach od M10 do M14 dla kabli zasilających i sygnałowych (sygnały mieszane) i jest wyposażony w system szybkozłączy bagnetowych, co skraca czas montażu. W przypadku tradycyjnych złączy gwintowych uszczelnienie jest zależne od człowieka, natomiast w przypadku złączy bagnetowych nie jest możliwe zbyt ciasne lub zbyt luźne dopasowanie. Montaż i demontaż tych złączy nie wymaga obrotu ręką/nadgarstkiem, co również eliminuje ryzyko urazów spowodowanych powtarzalnym obciążeniem. Złącza te są typowo stosowane w rozlewniach lub miejscach, w których systemy połączeń muszą obsługiwać urządzenia typu plug and play.

W przypadku połączenia kabli zasilania, kabli sygnałowych i kabli transmisji danych zarządzanych w ramach systemu zarządzania kablami, na przykład w ramieniu robotycznym lub maszynie typu pick and place, można zastosować złącze modułowe. W zastosowaniach związanych z automatyzacją produkcji przestrzeń jest na wagę złota. Dlatego wymagane jest wykorzystanie wyłącznie jednego złącza. Wymiana dwóch złączy na jedno zwiększa niezawodność systemu i zmniejsza o połowę koszty montażu, konserwacji i napraw.

System Han-Modular firmy Harting to system modułowy do projektowania połączeń do zasilania maszyn i urządzeń. Jest to możliwe dzięki połączeniu poszczególnych modułów do różnych środków transmisji (kable sygnałowe, zasilające, przewody pneumatyczne i kable do transmisji danych) w obudowach złączy przemysłowych standardowych rozmiarów. Standardowa żywotność tych wytrzymałych złączy to 500 cykli łączenia, co w połączeniu z możliwością przedłużenia lub modernizacji w dowolnym momencie sprawia, że złącza są uniwersalne i przystosowane do przyszłych zastosowań. Dzięki stopniowi ochrony IP68 — w zależności od doboru podzespołów — możliwe jest zabezpieczenie modułowego systemu połączeń przed kurzem i dostosowanie go do pracy ciągłej przy zanurzeniu w wodzie.

W przypadku kabli statycznych w zastosowaniach, w których nie występuje dynamiczny ruch wewnątrz maszyny, istnieje szeroki i zróżnicowany wybór rozmiarów i typów kabli. Zazwyczaj przy wyborze złącza wybór kabla jest zawężony. Wybór kabla do zastosowań ruchomych nie jest jednak wcale prosty. Kwestią podstawową jest zrozumienie, jakiego rodzaju ruchów wymaga dane zastosowanie. Mogą to być m.in. ruchy łańcuchów gąsienicowych typu c lub ruchy łańcuchów holowniczych, ruchy typu tik tok, skręcanie itp. Należy również określić częstotliwość użytkowania sprzętu (np. raz w tygodniu czy 24/7) oraz wymagane cykle eksploatacji kabla.

Po drugie należy rozważyć właściwości kabla, biorąc pod uwagę środowisko, w jakim będzie on wykorzystywany. Czy wymagane jest ekranowanie? Jakich zabezpieczeń wymaga to zastosowanie (np. odporność na olej lub, w przypadku zastosowania na zewnątrz, odporność na promieniowanie UV)? Jeśli kable są zgrupowane ze sobą, należy rozważyć ich odporność na ścieranie. Takie wymagania spełnią kable, które mają skuteczną powłokę PVC, która stanowi zabezpieczenie przed olejem, paliwem, rozpuszczalnikami i środkami chemicznymi. W przypadku zastosowań, w których istnieje prawdopodobieństwo występowania silnego ścierania, zaleca się zastosowanie odpornej na ścieranie powłoki PU.

Należy również ocenić ograniczenia związane ze środowiskiem i zastosowaniem: czy w sposobie prowadzenia przewodu uwzględniono zaciski, złącza lub dodatkowe zagięcia, które będą miały wpływ na jego ruch? Kable Xtra-Guard firmy AlphaWire są odporne na zginanie (od lekkiego do ciągłego gięcia wieloosiowego), a ich żywotność wynosi do 14 milionów cykli zginania.

Aby wybrać odpowiednie połączenie złączy i kabli, należy wziąć pod uwagę wiele różnych czynników. Wraz ze wzrostem różnorodności interfejsów do przesyłania sygnału, danych i zasilania w zastosowaniach automatyki przemysłowej dokonanie właściwego wyboru staje się coraz większym wyzwaniem. Dlatego współpraca z kompetentnym dostawcą, takim jak firma Distrelec, może okazać się niezwykle przydatna.

Źródło: ELFA Distrelec