Szybsza, bezpieczniejsza i niezawodna konfiguracja przemysłowych czujników i aktuatorów dzięki skrzynkom aktuatorowo-czujnikowym

Projektanci nowoczesnych urządzeń automatyki przemysłowej (IA) z pewnością docenią szybkość, z jaką mogą rozbudowywać oprzewodowanie wewnątrz obiektów o powierzchniach setek metrów kwadratowych. Prowadzenie oddzielnych kabli między komputerem sterującym a dowolnymi czujnikami zbliżeniowymi i ramionami mechanicznymi w obszarze technologicznym może zajmować podłogę zakładu i wydłużyć czas potrzebny na skonfigurowanie sprzętu. Ponadto wymiana lub zmiana konfiguracji istniejącego czujnika lub aktuatora może wymagać poprowadzenia między obszarem technologicznym a komputerem sterującym innego kabla, co spowalnia konserwację. Jeśli położymy nacisk na podłączenie większej liczby systemów do Internetu rzeczy (IoT), aby śledzić je na zdalnym pulpicie nawigacyjnym za pośrednictwem chmury, będzie tylko gorzej.

Aby rozwiązać te problemy z łącznością, projektanci systemów przemysłowych mogą używać skrzynek aktuatorowo-czujnikowych (zwanych również skrzynkami połączeniowymi lub rozdzielczymi). Za pomocą tych urządzeń można podłączyć wiele czujników i aktuatorów, prowadząc jedną linię główną z komputera sterującego do skrzynki zakończonej wieloma złączami w obszarze technologicznym, co upraszcza okablowanie zakładowe.

W niniejszym artykule pokrótce opisano problematykę łączności automatyki przemysłowej. Następnie przedstawiono trzy przykłady dostępnych na rynku skrzynek aktuatorowo-czujnikowych firm Molex, Alpha Wire i Phoenix Contact oraz pokazano, jak mogą one uprościć okablowanie w środowisku przemysłowym, jednocześnie ułatwiając konserwację i konfigurację.

Podłączanie komputerów sterujących do czujników i aktuatorów

Wiele komputerów sterujących w środowiskach automatyki przemysłowej jest dogodnie zlokalizowanych w pobliżu urządzeń, którymi sterują. Kable od komputera do czujników i aktuatorów mogą być stosunkowo krótkie. Często mogą mieć długość około jednego lub dwóch metrów. Jednak w niektórych obiektach przemysłowych komputery sterujące mogą znajdować się w odległości wielu metrów, co wymaga poprowadzenia między tymi dwiema lokalizacjami wielu kabli. Często tak właśnie jest w przypadku robotów montażowych, przenośników taśmowych, a także w dużych pojazdach przemysłowych, takich jak ciężarówki i samoloty. W niektórych sytuacjach obszar technologiczny może być niebezpieczny, ponieważ mogą w nim działać szkodliwe środki chemiczne lub występować skrajne temperatury. W przypadku tego typu maszyn komputer sterujący jest często umieszczany w bezpiecznej, chronionej odległości, aby zmaksymalizować niezawodność.

Konwencjonalne oprzewodowanie w takich sytuacjach wymagałoby układania wielu kabli od komputera sterującego do każdego czujnika i aktuatora. Nie zawsze jest to prosta operacja. Na każdym końcu kabla czujnika lub aktuatora należy użyć odpowiednich złączy zakończenia kabla. W wielu niebezpiecznych środowiskach zapewnienie bezpiecznego i prawidłowego poprowadzenia kabla może zająć więcej czasu niż oczekiwano. Wreszcie, czas potrzebny na skonfigurowanie i podłączenie okablowania dla każdego czujnika i aktuatora spowalnia operację wdrażania i zwiększa koszty. Jeśli obiekt musi zostać zamknięty w celu wymiany lub skonfigurowania więcej niż jednego czujnika lub aktuatora, wydłuży to czas przestoju, dodatkowo zwiększając koszty, czasami znacznie, w zależności od obiektu.

Skrzynki aktuatorowo-czujnikowe

Bezpiecznym i opłacalnym rozwiązaniem jest stosowanie przez zakład automatyki przemysłowej skrzynek aktuatorowo-czujnikowych. Te skrzynki grupują wszystkie kable czujników i aktuatorów z komputera sterującego w jeden kabel główny, często nazywany kablem magistralnym, który biegnie do obszaru technologicznego. Kabel kończy się w pobliżu obszaru technologicznego w pojedynczej, wytrzymałej skrzynce złączy, która zawiera gniazda złączy, zwykle osiem lub więcej złączy M12. Skrzynki aktuatorowo-czujnikowe są również czasami nazywane skrzynkami połączeniowymi, rozdzielczymi, a także skrzynkami wejścia-wyjścia lub we/wy. Skrzynka przyłączowa z zamontowanymi gniazdami M12 to szczelna, wstępnie okablowana jednostka o stopniu ochrony IP67 lub wyższym.

Kabel magistralny dla wszystkich czujników i aktuatorów wymaga tylko jednorazowego układania. Jest to zaletą podczas układania kabla w ciasnych miejscach, ponieważ technicy nie muszą spędzać dodatkowego czasu na przeciskanie się przez ciasne przestrzenie i wokół nich.

W przypadku skrzynki aktuatorowo-czujnikowej zamiast podłączać sprzęt przez poprowadzenie długiego kabla między komputerem sterującym a obszarem technologicznym dla każdego czujnika i aktuatora, technik podłącza jeden koniec skróconego kabla do pobliskiej skrzynki aktuatorowo-czujnikowej, a drugi koniec do urządzenia. Może to trwać zaledwie kilka sekund, minimalizując czas spędzany przez montera w obszarze technologicznym. Upraszcza to konserwację i poprawia bezpieczeństwo, jednocześnie oszczędzając czas i zmniejszając liczbę błędów.

Dobór i użytkowanie skrzynek aktuatorowo-czujnikowych

Dostępne są różne konstrukcje skrzynek aktuatorowo-czujnikowych. Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy ich wyborze to m.in. widoczność, wytrzymałość, rodzaj materiału, waga, kształt, liczba gniazd, natężenie obsługiwanego prądu, opcje montażu oraz stopień ochrony IP przed kurzem, wilgocią i wnikaniem gazów.

Na przykład na potrzeby szczególnie trudnych warunków, takich jak pojazdy przemysłowe i magazyny, gdzie sprzęt może być narażony na silne uderzenia, firma Molex oferuje grupę skrzynek rozdzielczych z wieloportowym systemem połączeniowym (MPIS) Brad Safety. Te wytrzymałe skrzynki są wykonane z politereftalanu butylenu (PBT), który jest lekki i wytrzymały, a także wytrzymuje silne uderzenia ciężkiego sprzętu, a nawet uderzenia poruszającego się pojazdu.

Należąca do tej grupy 8-portowa skrzynka rozdzielcza MPIS 1202480510 firmy Molex obsługuje prąd do 4A na port, z maksymalnym natężeniem 12A dla wszystkich ośmiu portów łącznie (ilustracja 1). Aby ułatwić połączenie, każdy port posiada wnękę na wciskową etykietę wykonaną z akrylonitrylo-butadieno-styrenu (ABS). Etykiety te są bardziej wytrzymałe w porównaniu do etykiet papierowych i nie rozrywają się .

Ilustracja 1: skrzynka aktuatorowo-czujnikowa Molex 1202480510 MPIS posiada osiem gniazd M12. Aby wykonywanie połączeń było łatwiejsze, dla każdego portu przewidziano etykietę wciskową z wytrzymałego tworzywa ABS. (Źródło ilustracji: Molex)

Skrzynka Molex 1202480510 jest jasnopomarańczowa dla zwiększenia widoczności i ma stopień ochrony IP67, dzięki czemu nadaje się do użytku w brudnych, zapylonych i wilgotnych środowiskach oraz w typowych temperaturach od -25°C do +85°C. Kabel magistralny ma długość 5m i jest kompatybilny z niestandardowymi zakończeniami kabla, którymi zwykle są złącza M23, ale którymi mogą być też dowolne złącza pasujące do danego zastosowania. Każde zagłębione gniazdo M12 ma osiem wtyków w standardowej konfiguracji przemysłowej. Każdy port posiada pomarańczową diodę LED, która sygnalizuje, czy port jest zasilany. Pomaga to szybko zweryfikować, czy port jest aktywny, co jest przydatne podczas konfiguracji i diagnozowania problemów z połączeniem.

Skrzynka aktuatorowo-czujnikowa Molex posiada dwa otwory na śruby montażowe M4. Pozwala to na zamontowanie skrzynki na urządzeniu lub przymocowaniu jej solidnie do ściany. Skrzynka powinna być zamontowana w miejscu, w którym osiem gniazd M12 jest łatwo dostępnych i powinna być wystarczająco zabezpieczona, aby siła wciskania złącza M12 do gniazda nie powodowała jego przesunięcia.

Zastosowania dla lekkich skrzynek aktuatorowo-czujnikowych

Do zastosowań, w których waga jest kluczowa, takich jak samoloty lub niektóre pojazdy przemysłowe, firma Alpha Wire oferuje grupę pasywnych skrzynek rozdzielczych Alpha Connect, do której należy np. 8-portowa skrzynka aktuatorowo-czujnikowa 901-10M NC032 (ilustracja 2). Wspomniana skrzynka firmy Alpha Connect jest wykonana z lekkiego stopu cynku, który jest odpowiedni dla samolotów, małych ciężarówek i pojazdów z zasilaniem akumulatorowym, takich jak wózki widłowe i małe maszyny do robót ziemnych, w których liczy się każdy gram. Posiada kabel magistralny o długości 10m, odpowiedni do samolotów i pojazdów, gdzie najkrótsza trasa między dwoma punktami często nie biegnie linią prostą, ale zawiera wiele zakrętów. Skrzynka jest pasywna i nie posiada wskaźnikowych diod LED portów. Dzięki neutralnemu beżowemu kolorowi dyskretnie wtapia się w tło w wielu środowiskach.

Urządzenie zawiera dwie osłony przeciwpyłowe, które chronią dwa nieużywane gniazda przed zanieczyszczeniami. Skrzynka aktuatorowo-czujnikowa z dopasowanymi złączami ma stopień ochrony IP67. Niepodłączone gniazda mają stopień ochrony IP65 i dlatego w celu uzyskania ochrony IP67 powinny mieć zainstalowane osłony przeciwpyłowe.

Ilustracja 2: skrzynka aktuatorowo-czujnikowa 901-10M NC032 firmy Alpha Wire jest wykonana z lekkiego stopu cynku. Osiem gniazd M12 wystaje ponad obudowę, dzięki czemu podłączanie złączy jest szybkie i łatwe. Dwie dołączone osłony przeciwpyłowe po prawej stronie na pierwszym planie utrzymują nieużywane gniazda w czystości. (Źródło ilustracji: Alpha Wire)

Każde gniazdo M12 posiada pięć wtyków. Aby ułatwić instalację podczas początkowej konfiguracji, na boku skrzynki aktuatorowo-czujnikowej nadrukowano standardową kolorystykę kabla M12 i funkcje poszczególnych wtyków. Osiem gniazd M12 nie jest zagłębionych, ale wystaje ponad obudowę ze stopu cynku. Umożliwia to szybkie i łatwe podłączanie, co jest ważne w ruchliwym środowisku przemysłowym.

Skrzynka aktuatorowo-czujnikowa 901-10M NC032 firmy Alpha Wire jest przystosowana do pracy w temperaturach od -40°C do +80°C, dzięki czemu nadaje się do bardzo zimnych środowisk przemysłowych, charakterystycznych dla samolotów, a także niektórych pojazdów.

Kompaktowa skrzynka aktuatorowo-czujnikowa

Na potrzeby zastosowań o niewielkich rozmiarach w ograniczonej przestrzeni firma Phoenix Contact zaprojektowała 4-portową skrzynkę aktuatorowo-czujnikową 1692404 (ilustracja 3). Ta skrzynka nie jest wyposażona w kabel magistralny i do podłączenia do komputera sterującego wymaga oddzielnego zespołu kablowego M23, co pozwala na łatwe przemieszczenie skrzynki. Pozwala również na łatwą konserwację i wymianę kabla magistralnego w razie jego uszkodzenia.

Ilustracja 3: skrzynka aktuatorowo-czujnikowa 1692404 firmy Phoenix Contact posiada cztery 4-wtykowe M12 porty. Do połączenia z komputerem sterującym potrzebny jest zewnętrzny kabel M23. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Skrzynkę 1692404 wykonano z poliamidu, który ma wysoką odporność na benzynę, oleje silnikowe i rozpuszczalniki zwykle spotykane w pobliżu silników. Poliamid ma również wyjątkowo wysoką wytrzymałość na rozciąganie i lepiej radzi sobie z naprężeniami bezudarowymi oraz zginaniem niż większość materiałów. Urządzenie posiada stopień ochrony IP67, a jego zakres temperatur roboczych wynosi od -20°C do +75°C, dzięki czemu nadaje się do trudnych warunków magazynowych, budynków biurowych i obszarów często zajmowanych przez personel pracujący w pobliżu chemikaliów.

Każde z czterech złączy M12 może obsłużyć prąd o natężeniu do 4A, przy łącznym maksymalnym poborze prądu znamionowego dla jednostki wynoszącym 12A. Każdy z czterech portów M12 posiada żółtą diodę LED, która sygnalizuje, kiedy port jest prawidłowo podłączony i działa. Port M23 posiada zieloną diodę LED, która sygnalizuje, czy kabel magistralny został prawidłowo podłączony i zasila skrzynkę. Jest to przydatne w diagnostyce podczas instalacji i konfiguracji. Wszystkie czujniki i aktuatory podłączone do czterech gniazd M12 można łatwo odłączyć, usuwając pojedyncze złącze M23. Zwiększa to bezpieczeństwo i skraca przestoje podczas konserwacji i ponownej konfiguracji.

Podsumowanie

Skrzynki aktuatorowo-czujnikowe pozwalają zaoszczędzić czas podczas konserwacji i konfiguracji, zapewniając jednocześnie niezawodną łączność między komputerami sterującymi a czujnikami/aktuatorami. Wiele czujników i aktuatorów można łatwo podłączyć lokalnie w obszarze technologicznym zamiast prowadzić wszystkie kable do komputera sterującego oddzielnie. Odpowiedni dobór materiałów gwarantuje, że skrzynka będzie działać niezawodnie w docelowym środowisku przemysłowym.