Opcje złączy, dławików i uchwytów do okablowania automatyki przemysłowej

Istnieją różne złącza do łączenia kabli i komponentów stosowanych w automatyce przemysłowej. Złącza te muszą przesyłać wszystkie strumienie zasilania i sygnałów danych przenoszone przez kable, jednocześnie stanowiąc zakończenie kabla w sposób, który zapewni szczelne połączenie i ochronę przewodów. Trudność polega na tym, że sprzęt związany z automatyką przemysłową często znajduje się środowisku występowania wysokich zanieczyszczeń, wysokich temperatur, ruchów oraz zakłóceń elektrycznych. Dlatego przemysłowe złącza kablowe wymagają poziomu solidności i niezawodności, który nie jest konieczny w innych zastosowaniach.

W pierwszej kolejności zajmijmy się podstawami złączy przemysłowych: kategoria złączy obejmuje elementy sklasyfikowane jako łączniki (które łączą dwa kable), a także systemy zawierające obie połówki zespołu złącza (wtyczkę i gniazdo). W niektórych kontekstach termin „złącza” może również odnosić się do dławików kablowych - zakończeń, które przechodzą przez obudowy, często ze swobodnie obracającym się elementem, którego działanie ma na celu zaciśnięcie pierścienia uszczelniającego wokół końca kabla, aby zabezpieczyć go przed chemikaliami, płomieniami, brudem i prądami obcymi.

Złącza kabli przemysłowych łączą kable w gniazdach urządzeń montowanych z przodu (częściej) i z tyłu. Wszystkie złącza i dławiki kablowe mają stopień ochrony (IP) według normy IEC 60529, który określa ich odporność na brud i wilgoć. Stopnie ochrony są takie same, jak te używane do opisywania wytrzymałości obudów komponentów, a także obudów urządzeń przemysłowych. Kod IP ma dwie cyfry, przy czym im wyższe wartości, tym wyższy poziom ochrony.

Pierwsza cyfra stopnia ochrony IP określa poziom ochrony przed ciałami stałymi, takimi jak kurz - w zakresie od 0, kiedy to mamy brak ochrony, do 6, kiedy uzyskujemy pyłoszczelność.

Druga cyfra stopnia ochrony IP określa poziom ochrony przed płynami - w zakresie od 0, kiedy to mamy brak ochrony, do 8, kiedy uzyskujemy ciągłą ochronę przed wodą na głębokości 1m.

Ilustracja 1: oznaczenia różnych stopni ochrony IP według normy IEC 60529. Stopnie ochrony IP złączy kablowych są niezwykle ważne. (Źródło ilustracji: connectortips.com)

Porównanie złączy Ethernet RJ i M12 do automatyki

Ethernet zdefiniowany przez standard IEEE 802.3 pozostaje ogólnie najczęściej stosowaną technologią sieci lokalnych (LAN). Przykładami standardów komunikacji opartych na sieci Ethernet dla automatyki przemysłowej są: ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP i Profinet. Złącza powszechnie kojarzone z kablami Ethernet to wszechobecne złącza wtykowe typu RJ (Registered Jack). Większość złączy RJ ma wtyczkę z prostym plastikowym wypustem, który zatrzaskuje się w dopasowanym geometrycznie gnieździe RJ, stabilnie łącząc razem te dwa elementy. Wtyczki i gniazda łatwo dopasowuje się do kabli, a personel instalacyjny może je jednocześnie zaciskać i wykonywać połączenia elektryczne za pomocą specjalnego narzędzia do zagniatania. Terminatory zagniatane pozwalają na wykonywanie kabli docinanych na zamówienie (montowanych na miejscu) o rozsądnej niezawodności. Elementy wtykowe zaprojektowane do takiej instalacji na miejscu często mają przezroczyste obudowy, aby umożliwić personelowi instalacyjnemu sprawdzenie wszystkich wewnętrznych styków przed oddaniem ich do użytku. Mając na uwadze powyższe, niezawodność kabli montowanych fabrycznie jest nie do pobicia.

Ilustracja 2: ręczne narzędzie do zagniatania TL2253-ND, które umożliwia zakańczanie dociętego na długość cztero-, sześcio- i ośmiożyłowego kabla Ethernet za pomocą wtyczki RJ. Jedno ściśnięcie ostrzy narzędzia pozwala na zdjęcie izolacji z płaskiego lub okrągłego kabla Cat5e i Cat6 oraz zabezpieczenie korpusu złącza. (Źródło ilustracji: Tripp Lite)

W środowiskach przemysłowych, dla których złącza RJ nie są wystarczająco wytrzymałe, lepiej sprawdzić mogą się złącza M12. Dzieje się tak, ponieważ złącza M12 zapewniają bardziej niezawodne i solidne połączenie fizyczne - z dodatkową ochroną przed wnikaniem kurzu i płynów.

Ilustracja 3: ukazane tu złącza RJ są najczęściej spotykane w kablach Ethernet. Jednak na kablach Ethernet można stosować też inne typy złączy. (Źródło ilustracji: Getty Images)

Technologia Power over Ethernet (PoE) zdefiniowana normą IEEE 802.3 stanowi wygodny sposób przesyłu zarówno danych, jak i zasilania jednym kablem. Wariant A PoE (często nazywany trybem A) wykorzystuje te same dwie skrętki dwużyłowe do przesyłania zarówno danych, jak i zasilania, dzięki czemu można używać kabli z mniejszą liczbą rdzeni - a przepustowość jest ograniczona do 100Mbps (100BASE-TX). Wariant B PoE (często nazywany trybem B) wykorzystuje przewód Ethernet kat. 5 z czterema skrętkami dwużyłowymi - z których dwie przesyłają dane, a dwie moc. Zmniejsza to szerokość pasma dostępną dla danych, ograniczając szybkość transmisji do 100Mbps, nawet jeśli kable są przystosowane do standardu Gigabit Ethernet.

Kabel 4PPoE, inaczej czteroparowy, to kabel z czterema skrętkami dwużyłowymi, które przesyłają zarówno moc, jak i dane. Oznacza to, że obsługiwane są wyższe szybkości transmisji danych (Gigabit Ethernet i wyższe) oraz natężenia prądu. Urządzenia akceptujące zasilanie przez Ethernet (PoE) muszą być skonfigurowane tak, aby akceptować zasilanie w trybie A lub B bezpośrednio. W związku z tym, mogą wykorzystywać stałą lub zmienną rezystancję w parach przewodów, aby wskazać kompatybilność i zażądać określonej konfiguracji zasilania. Oczywiście to tak naprawdę zasilacze PoE (sprzęt źródłowy lub PSE) określają tryb PoE układu.

Ilustracja 4: konstrukcja złącza jest w dużej mierze podyktowana kablem, którego zakończenie stanowi. Ukazane tutaj złącza kablowe Ethernet M12 są ogólnie bardziej wytrzymałe niż złącza RJ. Niektórzy producenci oznaczają je kolorami, aby wskazać zgodność z trybami PoE i układami przewodów. (Źródło ilustracji: Lumberg Automation)

Do zakańczania zarówno kabli danych, jak i kabli zasilających (a także okablowania sieciowego, np. do przemysłowych sieci Ethernet, magistrali PROFINET i Fieldbus) służą złącza serii M - okrągłe złącza z gwintowaną tuleją żeńską (do montażu na męskim gnieździe) otaczającą układ wtyków przewodzących. Najpopularniejsze są gwinty M8 (8mm) i M12 (12mm), ale M5, M16 i M23 są również znanymi standardami. Zamykanie wymuszone (wymagające przykręcenia) złączy serii M zapewnia wysoce niezawodne połączenie, które minimalizuje przerwy w sygnałach, przy jednoczesnej ochronie przed zanieczyszczeniami środowiskowymi, tak powszechnymi w instalacjach spłukiwanych i środowiskach korozyjnych. Nic dziwnego, że złącza serii M są najwyższym standardem w kablach do aktuatorów, sterowników PLC, czujników, przełączników i sterowników automatyki przemysłowej.

Złącza M8 i M12 mogą mieć dwa, trzy, cztery, pięć, osiem lub 12 wtyków (zwanych również pozycjami). Czujniki i zasilacze zazwyczaj wymagają trzech lub czterech wtyków. W przypadku złączy serii M na końcach kabli Ethernet i PROFINET potrzeba czterech lub ośmiu wtyków. Z kolei na końcach kabli przesyłających dane z magistrali Fieldbus, CAN bus i DeviceNet zwykle występuje cztery lub pięć wtyków. Oczywiście kable przenoszące wiele strumieni danych i zasilania mogą wymagać zakończenia za pomocą złącza serii M posiadającego wszystkie 12 wtyków.

Ilustracja 5: przedstawione złącze prostokątowe Brad Ultra-Lock 120108 to opatentowana adaptacja konstrukcji złącza M12 zwiększająca jego niezawodność. (Źródło: Molex)

W rzeczywistości jedną z powiązanych konstrukcji złącza i gniazda, dość powszechnie stosowaną w branży, jest para układu wtyków i gniazda - pierwotnie wprowadzona przez firmę Molex, dlatego też czasami określana jest w żargonie mianem połączenia Molex. Opatentowana seria złączy Molex Brad jest oparta na złączach M12, ale zastępuje gwintowaną tuleję wygodniejszym i bardziej niezawodnym systemem blokowania poprzez wciśnięcie. Ponieważ blokada nie wymaga dokręcania gwintu przez operatora, zapewnia niezawodność i minimalizuje ryzyko przerwania sygnału. Warianty złącza Brad obejmują:

• Złącza Brad Micro-Push M12 - złącze wciskane-ściągane o stopniu ochrony IP65
• Złącza blokowane poprzez wciśnięcie Brad MX-PTL M12 o stopniu ochrony IP65
• Złącza gwintowane Brad Micro-Change M12 o stopniu ochrony IP67
• Złącza Brad Ultra-Lock i Ultra-Lock EX M12 z łącznikami blokowanymi poprzez wciśnięcie i pierścieniami okrągłymi zapewniającymi pełny stopień ochrony IP69K.

Złącza koncentryczne do sygnałów o wysokiej częstotliwości

Kable koncentryczne (wyposażone w złącza koncentryczne) znajdują również zastosowanie w automatyce przemysłowej do przesyłania sygnałów o wysokiej częstotliwości - zwłaszcza obsługujących monitorowanie drgań i transmisję sygnału analogowego. Standardów jest mnóstwo.

Złącza BNC mają mocowanie bagnetowe, które podłącza się i rozłącza wykonując ćwierć obrotu. Mogą być używane dla częstotliwości powyżej 12GHz, a w niektórych przypadkach do 18GHz. Złącza DIN 0,4 do 2,5 są bardzo małymi złączami mocowanymi wciskowo nadającymi się do częstotliwości do 3GHz. Złącza DIN 1,0/2,3 natomiast są małymi mocowanymi wciskowo złączami częstotliwości radiowych, szeroko stosowanymi w telekomunikacji cyfrowej.

Kable ze złączami modułowymi i niestandardowymi znajdują coraz szersze zastosowanie w automatyce

Przy konwencjonalnym podejściu do integracji systemu kable są wykonywane - mierzone, docinane i zakańczane - na miejscu podczas instalacji sprzętu automatyki. Zwykle oznacza to, że elektryk na miejscu przycina wymagane kable na odpowiednią długość, zdejmuje delikatną osłonę wszystkich przewodów i instaluje na kablach złącza wymagane do podłączenia komponentów. Takie przygotowanie kabla w terenie jest czasochłonne i prowadzi do niestałej jakości połączenia. Dlatego obecnie trendem jest zaopatrywanie się w systemy kabli ze złączami modułowymi składające się ze standardowych kabli i fabrycznie zamontowanych złączy. Wymagane długości kabli są określane podczas projektowania i dostarczane w postaci gotowej do instalacji.

Niektórzy szacują, że kable ze złączami modułowymi skracają czas instalacji na miejscu o 60% do 70%, jednocześnie zwiększając niezawodność połączeń elektrycznych.

Szczególny przypadek dławików kablowych

Złącza kablowe zwane dławikami są stosowane wszędzie tam, gdzie kable przechodzą przez obudowę. Dławiki służą trzem celom: zabezpieczaniu kabla, zapobieganiu jego zużyciu i zapewnianiu uszczelnienia wokół niego, aby chronić elementy wewnątrz obudowy przed zanieczyszczeniami środowiskowymi. Zasadniczo dławiki kablowe, zabezpieczając kabel, zapobiegają uszkodzeniom styków elektrycznych w wyniku szarpania itp. Zabezpieczają również kabel przed zarysowaniem lub tarciem o ostrą blaszaną krawędź wycięcia w obudowie. Jest to ważne, ponieważ blacha może łatwo przeciąć osłony kabli i ostatecznie spowodować zwarcie żył kabla.

W mniej wymagających zastosowaniach często wykorzystuje się dławiki lamelarne z wieloma czopami zaciskającymi się wokół kabla. Ten typ dławika jest tańszy, ale wymaga regularnego dokręcania w celu utrzymania szczelności. Dławiki wyższej jakości wykorzystują ciągłą uszczelkę, która zaciska się wokół kabla. Ten rodzaj dławika jest znacznie mniej podatny na luzowanie się z czasem.

Budowa współczesnych przemysłowych złączy zasilających

Urządzenia stosowane w automatyce przemysłowej często oprócz złącza danych wymagają przewodowego zasilania. Wspomniana wcześniej stosunkowo nowa technologia PoE jest preferowana tam, gdzie jest to możliwe, ponieważ znacznie upraszcza okablowanie. Jednak zdecydowana większość komponentów i systemów automatyki wymaga tradycyjnych przewodów zasilających.

Złącza znormalizowane przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (IEC) są powszechnie wykorzystywane w kablach zasilających do zastosowań konsumenckich, biurowych i przemysłowych. W normie IEC 60320 Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) definiuje szereg złączy bez blokad o napięciach do 250V i natężeniu nie przekraczającym 16A. Złącze C13/C14 jest powszechnie używane w sprzęcie elektronicznym - w tym zasilaczach komputerowych. Większe łączniki C19/C20 są stosowane na końcach kabli przenoszących większe prądy - w tym na przykład w obudowach serwerowych.

Ilustracja 6: kable zasilające ogólnego przeznaczenia zawierają różnorodne złącza IEC i innych standardów. (Źródło ilustracji: Getty Images)

W przypadku bardziej krytycznych lub wymagających zastosowań często preferowane są złącza IEC 60309. Te wtyczki, gniazda i łączniki są specjalnie przeznaczone do użytku przemysłowego i mogą przenosić napięcia do 1000V, prądy do 800A i częstotliwości do 500Hz. Wszystkie te złącza zapewniają pewien poziom ochrony przed wnikaniem wody: złącza IP44 są bryzgoszczelne, złącza IP67 są wodoodporne, a złącza IP66/67 mogą niezawodnie zapobiegać wnikaniu wody nawet pod ciśnieniem. Gniazda mogą także posiadać blokady uniemożliwiające podanie napięcia do gniazda przed jego połączeniem z wtyczką oraz zapobiegające odłączeniu wtyczki przed wyłączeniem zasilania.

Ilustracja 7: zwróćmy uwagę na oznaczenia kolorystyczne (zgodnie z normą IEC 60309) tego złącza do kabli o dużej mocy. (Źródło ilustracji: Railway Tech)

Różne rozmiary złączy IEC 60309 są używane dla różnych wartości natężenia prądu. Złącza posiadają również wypusty i oznaczenia kolorystyczne wskazujące ich zakres napięcia i częstotliwości:

• Kolor żółty oznacza obsługę napięć od 100 do 130V przy częstotliwości 50 do 60Hz
• Kolor niebieski oznacza obsługę napięć od 200 do 250V przy częstotliwości 50 do 60Hz
• Kolor czerwony oznacza obsługę napięć od 380 do 480V przy częstotliwości 50 do 60Hz - często w konfiguracji trójfazowej

Podsumowanie

Wybór złączy i dławików do automatyki przemysłowej jeśli chodzi o geometrię i opcje integracji jest bardzo szeroki. Podczas określania parametrów kabla dla danego elementu automatyki pierwszą kwestią dla inżynierów projektujących musi być liczba żył kabla i ich przekroje. Kolejnymi najważniejszymi kwestiami są szczelność i potrzeba posiadania blokady wymuszonej do zapobiegania przerwom w sygnałach.