Tworzenie solidnych układów zasilania elektrycznego, komunikacji i bezpieczeństwa dla automatyki przemysłowej

Układy zasilania, komunikacji i bezpieczeństwa to krytyczne elementy nowoczesnej fabryki, które umożliwiają niezawodną pracę dobrze skomunikowanych maszyn wartych wiele milionów dolarów. Co więcej, systemy oprzewodowania dla tych krytycznych elementów muszą zapewniać wieloletnią niezawodność, a jednocześnie muszą radzić sobie z ciepłem i drganiami i innymi wyzwaniami, takimi jak wahania napięcia zasilania, wilgoć i wysokie poziomy cząstek stałych.

Integracja rozległego oprzewodowania w fabryce jest trudna i kosztowna. W idealnym przypadku zadanie to powinno być wykonywane tylko raz. W związku z tym ważne jest, aby upewnić się, że zestawy przewodów, złącza i skrzynki rozdzielcze używane do tworzenia systemu są wytrzymałe, niezawodne i skalowalne, tak aby zachowywały zgodność z normami, protokołami oraz przepisami obecnie i w przyszłości.

W niniejszym artykule omówiono w skrócie wymagania nowoczesnej fabryki. Dodatkowo przedstawiono modułowe rozwiązania do tworzenia i rozwijania sieci automatyki przemysłowej, wykorzystując rzeczywiste przykłady komponentów firmy Molex. Zademonstrowano sposób, w jaki podejście modułowe może uprościć wdrożenie i pozwolić spełnić podstawowe wymagania środowiskowe, operacyjne, bezpieczeństwa, niezawodności i kosztów, przy jednoczesnym zachowaniu elastyczności wystarczającej do rozbudowy i adaptacji instalacji wraz z rozwojem fabryki.

Oprzewodowanie fabryki jutra

Automatyka przemysłowa (IA) przekształciła nowoczesną fabrykę. Komunikacja jest teraz tak samo ważna, jak energia elektryczna wykorzystywana przez napędy i serwosilniki dużych maszyn produkujących towary, a bezpieczeństwo ma kluczowe znaczenie, ponieważ ludzie i roboty pracują blisko siebie. Wybór i instalacja okablowania zasilającego, komunikacyjnego i bezpieczeństwa, które z jednej strony wykorzystuje dzisiejszą technologię, a z drugiej otwiera się ku przyszłości stanowi dla inżynierów automatyki wyzwanie pod względem skalowalności.

Jest to trudne wyzwanie, ponieważ fabryki są dużymi inwestycjami budowanymi z myślą o długotrwałym użytkowaniu. W trakcie ich eksploatacji technologia produkcji będzie ewoluować, a systemy okablowania, które były zadowalające zaledwie kilka lat wcześniej, mogą już nie być wystarczające. Co więcej, wraz ze wzrostem zdolności produkcyjnych każdy dodatkowy system będzie wymagał własnej łączności, a ponowne okablowanie fabryki jest nie tylko kosztowne i czasochłonne, ale wiąże się również z drogimi przestojami maszyn.

Inżynierowie coraz częściej sięgają po systemy modułowe, w których oprzewodowanie zasilania, komunikacji i bezpieczeństwa znajduje się w tej samej osłonie, i które umożliwiają rozbudowę w przyszłości dzięki zapasowym przewodom. Kluczowym elementem tego podejścia jest system złączy M23, nazywanych tak, ponieważ średnica gwintu złącza kablowego wynosi 23mm. System ten jest stosunkowo łatwy w montażu i testowaniu oraz zapewnia solidną, niezawodną infrastrukturę zasilania i komunikacji (ilustracja 1),

Ilustracja 1: zestaw przewodów M23 z gniazdem 23mm z żeńską wkładką 8-biegunową. (Źródło ilustracji: Molex)

Złącza i przewody M23 przeznaczone są do obsługi napędów elektrycznych, serwomotorów i enkoderów typowych dla automatyki przemysłowej. System M23 zawiera szereg wkładek i obudów do linii transmisji danych, linii komunikacji oraz kombinowanych linii przesyłu mocy i danych, dzięki czemu jest równie odpowiedni do zastosowań związanych z przesyłaniem sygnałów lub mocy. Zestawy przewodów M23 mogą przenosić napięcia 250, 630 lub 800V przy natężeniach prądu 9, 18 lub 30A.

Okablowanie M23 nie podlega normom międzynarodowym. Jednak producenci generalnie postępują zgodnie z zaleceniami dotyczącymi wytwarzania zestawów przewodów, co pozwala na ich współpracę. W związku z tym M23 można uznać de facto za standard.

Wariantem systemu M23 jest M12, w którym średnica gwintu złącza wynosi 12mm. Ponieważ system M12 nie jest używany do zasilania, zestawy przewodów są bardziej kompaktowe, co pozwala obniżyć koszty i zaoszczędzić miejsce (ilustracja 2).

Ilustracja 2: zestaw przewodów M12 służy wyłącznie do komunikacji i bezpieczeństwa - posiada bardziej kompaktową obudowę niż M23. (Źródło ilustracji: Molex)

Kluczem do sukcesu systemów M23 i M12 jest ich elastyczność. Po pierwsze, projektanci mogą tworzyć własne, niestandardowe systemy, podając parametry kabli, złączy, gniazd, wkładek, obudów złączy, a nawet średnicę wtyków. Złącza są dostępne w wersjach prostych i kątowych, a wkładki można zamówić z wieloma różnymi liczbami i układami wtyków. W efekcie dostępna jest szeroka gama konfigurowanych wariantów do praktycznie każdego zastosowania.

Projektant może również wybierać produkty spośród szeregu gotowych zestawów kabli i złączy lub kabli i gniazd. Zaletą wyboru gotowych produktów jest oszczędność czasu montażu oraz pewność, że integralność kabla i złącza została już przetestowana w fabryce. Minusem jest stosunkowo ograniczony wachlarz rozwiązań w porównaniu z konfigurowaniem od podstaw. Mimo to asortyment gotowych rozwiązań jest bogaty i obejmuje różne złącza i długości kabli dla większości urządzeń automatyki przemysłowej, w tym maszyn wirujących, robotów spawalniczych czy sprzętu do montażu automatycznego.

Ochrona przed zanieczyszczeniami, drganiami i zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMC)

Z pewnymi wyjątkami, takimi jak produkcja żywności, leków i zaawansowanej technologicznie elektroniki, środowisko fabryczne jest zazwyczaj pełne wilgoci, kurzu, smaru i innych zanieczyszczeń, które są wrogiem układów elektrycznych. W innych zastosowaniach może istnieć wymóg, aby okablowanie wraz ze złączami było odporne na roztwory kwasów i zasad używanych podczas produkcji oraz czyszczenia, co sprawia, że istotna jest odporność na wnikanie wszelkich cieczy, cząstek i innych substancji.

Wymagana odporność na zanieczyszczenia będzie się zmieniać w zależności od potrzeb fabryki. Na szczęście producenci kategoryzują swoje produkty zgodnie z systemem klasyfikacji stopni ochrony IP. Parametr IP wskazuje na stopień ochrony zapewniany przez produkt i jest określony w międzynarodowej normie EN 60529.

Oznaczenie to składa się z dwóch cyfr, z których pierwsza oznacza poziom ochrony przed ciałami stałymi - od narzędzi czy palców, które mogą stanowić zagrożenie w przypadku napotkania przewodów elektrycznych - aż po unoszący się w powietrzu brud i kurz, które mogą uszkodzić obwody. Druga cyfra określa ochronę przed różnymi cieczami pod postacią strumieni, aerozoli lub ochronę w przypadku zanurzenia. Klasyfikacja stopni ochrony zaczyna się od IP00 (brak ochrony przed kurzem i wodą), a kończy na IP69 (całkowita ochrona przed kurzem i silnymi strumieniami wody o wysokiej temperaturze).

Problemy w źle zaprojektowanych fabrycznych układach elektrycznych mogą być powodowane nie tylko przez zanieczyszczenia. Zespoły kablowe są również narażone na działanie naprężeń termicznych, drgań i zginania mechanicznego (szczególnie w przypadku zastosowania w robotach, których kable mogą być w ciągłym ruchu). Co więcej, w fabrykach często spotyka się duże silniki elektryczne, które pobierają znaczne prądy rozruchowe, powodując skoki napięcia i natężenia oraz zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) mogące utrudniać działanie wrażliwych układów komunikacyjnych.

Zespoły kablowe M23 i M12 są specjalnie zaprojektowane do pracy w środowiskach fabrycznych, a ich skręcane złącza są odporne na drgania i obciążenia mechaniczne. W przypadku wymagających środowisk, gdzie występują zakłócenia elektromagnetyczne, producenci zestawów kablowych zazwyczaj oferują opcje ze zintegrowanym ekranowaniem.

Na przykład firma Molex oferuje szeroki asortyment oblewanych kabli zasilających M23, do którego należą oblewane zestawy przewodówBrad^® 120480. Omawiane zespoły kablowe są przeznaczone do wymagających środowisk i posiadają między innymi plastikowe osłony, które chronią łączenie kabla i złącza oraz opcjonalne ekranowanie chroniące przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). Są one dostępne w wybranych długościach w zakresie od 1m do 20m i mają kolor pomarańczowy zapewniający dobrą widoczność (ilustracja 3).

Ilustracja 3: zestawy przewodów M23 120480 są oblewane, co zapewnia dodatkową ochronę, oraz mają szereg wkładek. Ukazano warianty sześcio- i ośmiobiegunowe. (Źródło ilustracji: Molex)

Kable są dostępne w wersjach sześcio- lub ośmiobiegunowych (sześć lub osiem przewodów). Maksymalne napięcie i natężenie prądu to odpowiednio 800V i 18A, przy rezystancji zestykowej 3Ω i rezystancji izolacji 100MΩ. Zestawy przewodów mogą pracować w temperaturach od 25°C do +85°C, a po podłączeniu zapewniają stopień ochrony przed kurzem i wodą IP67.

Zaletą systemu modułowego, takiego jak M23, jest to, że oprzewodowanie fabryczne można zbudować i dostosowywać szybko w miarę rozwoju fabryki. System pozwala inżynierom na łatwe łączenie ze sobą sieci oprzewodowania oraz łączenie końców kabli bezpośrednio z maszynami wyposażonymi w gniazda M23. Prezentowane oprzewodowanie nie tylko zapewnia wysokie napięcie i natężenie prądu wymagane dla automatyki przemysłowej, ale obsługuje również fabryczne systemy komunikacyjne, takie jak Ethernet, EtherCAT, Modbus i PROFINET (ilustracja 4).

Ilustracja 4: okablowanie M23 ułatwia rozbudowę fabrycznej sieci przewodowej w miarę dodawania nowych gniazd produkcyjnych. (Źródło ilustracji: Molex)

Zapewnienie bezpieczeństwa w fabryce

W nowoczesnej fabryce kluczową rolę odgrywa łączność. Nadzór i modernizacja sprzętu to duża część prac przy sieci, ale równie ważne jest bezpieczeństwo automatyki przemysłowej, szczególnie tam, gdzie blisko siebie pracują ludzie i roboty. Roboty zazwyczaj są wyposażone w wiele czujników, które wstrzymują ich ruch, jeśli w obszar roboczy wejdzie pracownik, a uzupełnieniem celki bezpieczeństwa są blokowane bramy i panele dostępowe. Wszystkie te systemy wymagają łączności, a sieć przewodowa może szybko stać się złożona i trudna w obsłudze, jeśli każdy czujnik będzie obsługiwany przez odgałęzienie głównej sieci fabrycznej (ilustracja 5).

Ilustracja 5: zrobotyzowane celki robocze wymagają kluczowych systemów bezpieczeństwa, aby chronić pracowników w środowiskach automatyki przemysłowej. (Źródło ilustracji: Molex)

Zamiast tego inżynierowie upraszczają instalacje, podłączając do głównej sieci fabryki skrzynki rozdzielcze systemu połączeń wieloportowych (MPIS). Aby zapewnić oprzewodowanie systemów bezpieczeństwa celki produkcyjnej, wyprowadzone z tej głównej sieci kable sterujące M12 podłącza się do wyjść skrzynek. Przykładem jest wytrzymała rozdzielcza skrzynka bezpieczeństwa MPIS 1202480510 firmy Molex o stopniu ochrony IP67, która ułatwia zarządzanie urządzeniami zabezpieczającymi zainstalowanymi wokół maszyn (ilustracja 6).

Ilustracja 6: rozdzielcze skrzynki bezpieczeństwa MPIS upraszczają oprzewodowanie bezpieczeństwa przy jednoczesnej oszczędności miejsca i obniżeniu kosztów. (Źródło ilustracji: Molex)

Skrzynka rozdzielcza 1202480510 posiada zintegrowany kabel o długości 5m do łączenia z główną siecią fabryki, cztery ośmiowtykowe porty M12 oraz cztery cztero- i pięciowtykowe porty M12 w jednej obudowie. Skrzynka rozdzielcza umożliwia instalację standardowych systemów oprzewodowania wejścia-wyjścia w ciasnych przestrzeniach, jednocześnie zwiększając elastyczność projektowania systemów bezpieczeństwa. Każdy port może przenosić prąd stały o napięciu do 30V i maksymalnym natężeniu 4A (całkowite natężenie prądu dla skrzynki rozdzielczej 12A). Prezentowana skrzynka rozdzielcza przeznaczona jest do użytku z zestawami przewodów takimi jak 1-metrowy, 8-wtykowy zestaw przewodów M12 1200652383 serii Micro-Change lub 1-metrowy, 4-wtykowy zestaw przewodów M12, 1200652378 firmy Molex.

Podsumowanie

Automatyka przemysłowa wymaga solidnych, niezawodnych i skalowalnych sieci zasilania, komunikacji oraz oprzewodowania bezpieczeństwa. Wszystkie te wymagania spełniają systemy modułowe oparte na standardach M23 i M12, które dodatkowo upraszczają wstępną instalację. Wykorzystywane w nich zestawy przewodów i skrzynki rozdzielcze są zbudowane z myślą o surowych warunkach panujących w fabrykach, dzięki czemu są one odporne na zanieczyszczenia i wilgoć oraz wytrzymują ekstremalne temperatury, drgania i naprężenia mechaniczne.