Projektowanie przemysłowych paneli sterujących z uwzględnieniem wymagań przestrzennych, efektywności i bezpieczeństwa

Projektanci przemysłowych paneli sterujących stoją przed wieloma wyzwaniami. Obejmują one ograniczoną przestrzeń i budżet, zagrożenia środowiskowe, takie jak utrata zasilania i narażenie na działanie chemikaliów, oraz czynniki ludzkie, takie jak niewłaściwe użytkowanie i nieautoryzowana ingerencja. Pomimo tych trudności, projektanci muszą stworzyć panel zapewniający bezkompromisowe bezpieczeństwo, niezawodność i zgodność z normami.

Aby osiągnąć te cele, projektanci potrzebują kreatywnych rozwiązań, które uproszczą tworzenie, instalację i obsługę paneli sterujących. W szczególności potrzebują oni komponentów dostosowanych do konkretnego przypadku użycia, a także narzędzi do instalacji i konserwacji, które zapewnią prawidłowe działanie.

Artykuł zawiera wskazówki dotyczące doboru tych komponentów, ze szczególnym uwzględnieniem optymalizacji kosztów i przestrzeni. Omawia on systemy oprzewodowania, systemy identyfikacji, systemy bezpieczeństwa, kontrolę dostępu i zasilanie awaryjne (UPS). Korzystając z przykładów dostarczonych przez firmę Panduit, zbadano rolę poszczególnych komponentów i kryteria ich doboru. W artykule wyjaśniono także sposób wdrożenia tych komponentów, aby zapewnić niezawodność, bezpieczeństwo i zgodność z normami branżowymi.

Kompaktowa konstrukcja panelu sterującego dzięki wyborowi kanału przewodowego

Aby zaprojektować sprawny panel sterujący, inżynierowie automatyki i sterowania muszą stawić czoła różnym czynnikom, takim jak segregacja kabli, odprowadzania ciepła, wejścia kablowe, zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), promień gięcia kabli i przestrzeń na rozbudowę w przyszłości. Kanały przewodowe odgrywają kluczową rolę w tym procesie, ponieważ tworzą „szkielet” całego projektu panelu. Wybierając kanał przewodowy dla przemysłowego panelu sterującego, projektant powinien wziąć pod uwagę następujące czynniki:

• Projekt panelu: wymiary, typ panelu i specyfikacje, takie jak rozmiary szyny zbiorczej i wydajność chłodzenia, wpływają na typ i charakterystykę potrzebnego kanału przewodowego.
• Rozmiary: kanał przewodowy powinien zapewniać miejsce na uzupełnienia lub modyfikacje w przyszłości. Nie powinien być jednak na tyle duży, aby niepotrzebnie zajmował miejsce w panelu sterującym.
• Typ oprzewodowania: przewody o różnych rozmiarach i funkcjach (takie jak kable zasilające, sterujące lub do transmisji danych) mogą wymagać różnych rodzajów rurek lub kanałów, aby zapewnić ich odpowiednie dopasowanie.
• Środowisko i materiały: typowe materiały obejmują polichlorek winylu (PVC) i tworzywo akrylonitrylowo-butadienowo-styrenowe (ABS), ale w niektórych warunkach, takich jak wysokie temperatury, wilgoć lub substancje żrące, wymagane są przewody wykonane z określonych materiałów lub posiadające pewne właściwości ochronne.
• Instalacja i konserwacja: dodawanie i usuwanie przewodów, jak również instalacja kanału w panelu sterującym powinny być łatwe.
• Zgodność: kanał powinien spełniać obowiązujące normy bezpieczeństwa, przepisy elektryczne i przepisy branżowe.

Normy i przepisy są szczególnie ważne, ponieważ zastosowanie niezgodnego z przepisami kanału przewodowego może skutkować zagrożeniem dla bezpieczeństwa lub awarią panelu sterującego. Przykładem części zgodnej ze standardami jest szczelinowy kanał przewodowy F1X3LG6 firmy Panduit wykonany z niezawierającego ołowiu polichlorku winylu (PVC), którego temperatura znamionowa pracy ciągłej wynosi do +50°C (122°F). Spełnia on klasę palności V-0 wg normy UL 94 i wymagania NFPA 79-2007 sekcja 13.3.1 dotyczące materiałów ogniotrwałych.

Kanał F1X3LG6 doskonale nadaje się również do projektów zajmujących mało miejsca. Ma on wąskie szczeliny, które odpowiadają rozstawowi komponentów o dużej gęstości, a także linie nacięcia ułatwiające tworzenie większych otworów w celu rozgałęziania lub innego prowadzenia przewodów (ilustracja 1). Jest on dostępny z zatrzaskowymi pokrywami, które zapewniają szybki i bezpieczny dostęp do przewodów.

Ilustracja 1: kanał F1X3LG6 firmy Panduit ma wąskie, blisko rozmieszczone szczeliny oraz ograniczoną konstrukcją podwójnego ograniczenia szczelin do mocowania przewodów. (Źródło ilustracji: Panduit)

Alternatywne rozwiązania do prowadzenia przewodów w panelach sterujących

Oczywiście kanały nie sprawdzają się we wszystkich sytuacjach. Na przykład może zaistnieć potrzeba poprowadzenia przewodów przez obszar, w którym nie można wywiercić otworu na kanał w obudowie. W tym scenariuszu można rozważyć rozwiązania takie jak samoprzylepny uchwyt do opaski kablowej, ABM100-AC. Ten czterodrogowy uchwyt został zaprojektowany z myślą zarówno o szybkiej instalacji, jak i długoterminowej niezawodności.

Podobnie jak w przypadku wszystkich systemów z preparatami przylepnymi, należy zwrócić uwagę na dobór odpowiedniego kleju do środowiska zastosowania (ilustracja 2).

Ilustracja 2: należy wybrać system klejący spełniający wymagania środowiska zastosowania. (Źródło ilustracji: Panduit)

Ochrona przewodów i kabli panelu sterującego przed otarciami

Kiedy przewody są prowadzone na zewnątrz kanału, należy zadbać, aby nie zostały uszkodzone w wyniku otarć lub innych zagrożeń. Na przykład w panelach sterujących zazwyczaj wymagane jest poprowadzenie przewodów z wnętrza obudowy do panelu przedniego. Przewody te powinny być owinięte, aby uniknąć uszkodzenia. Inżynierowie automatycy mogą wybierać spośród takich opcji jak:

• Owijka spiralna: ochrona ogólnego przeznaczenia przed ocieraniem wiązek przewodów i wiązek kabli. Umożliwia łatwe rozdzielanie przewodów i jest dostępna w różnych kolorach materiałach i rozmiarach.
• Owijka typu Pan-wrap do dzielonej wiązki przewodów: elastyczna i odporna na ścieranie ochrona wiązek przewodów i wiązek kabli. Posiada unikalny układ szczelin i dużą zakładkę, która skraca czas instalacji i dostosowuje się do różnych średnic wiązki.
• Osłona pleciona: ciągła ochrona przed ocieraniem przewodów, kabli, węży i rurek. Ma elastyczny, otwarty splot, który nie zatrzymuje ciepła ani wilgotności.
• Rurki karbowane: ekonomiczne rozwiązanie o solidnej konstrukcji ścianki, która zapewnia pełną ochronę wiązki kablowej. Są dostępne w wykonaniu z różnych materiałów, niektóre z konstrukcją ze ściankami szczelinowymi ułatwiającymi instalację i demontaż.
• Termokurczliwe: dobre do izolowania, ochrony oraz oznaczania kolorami przewodów i kabli. Można ich również używać z zaciskami i końcówkami, aby zapewnić pełną i bezpieczną instalację. Dostępne w wykonaniu z różnych materiałów, w różnych rozmiarach i grubościach ścianek, niektóre z powłoką przylepną zapewniającą wodoszczelność.

Na wybór odpowiedniej owijki wpływa wiele czynników (ilustracja 3). Na przykład, jeśli zastosowanie wymaga rozwiązania, które jest lekkie, elastyczne i zdolne do dostosowywania się do nieregularnych kształtów, dobrym wyborem będzie owijka spiralna T25F-C. Ta owijka do przewodów została zaprojektowana z myślą o łatwości montażu, ale jest również trwała i przystosowana do pracy w temperaturach do +122°F (+50°C).

Ilustracja 3: dostępne są różne typy owijek do przewodów, które odpowiadają różnym potrzebom. (Źródło ilustracji: Panduit)

Poprawa łatwości konserwacji i bezpieczeństwa panelu sterującego dzięki zakończeniom kablowym, zarządzaniu kablami i etykietowaniu ich

Aby zapewnić efektywną instalację, użytkowanie i konserwację paneli sterujących, projektanci muszą wybrać odpowiedni materiał i metodę zakończeń przewodów (ilustracja 4).

Ilustracja 4: przykładowe typy zakończeń i ich cechy. (Źródło ilustracji: Panduit)

Optymalny wybór zależy od kilku czynników, w tym od liczby wymaganych zakończeń. Na przykład żeński odłącznik izolowany nylonem DNF14-250FIB-C można wkładać i wyjmować z wypustki męskiej bez użycia narzędzi, co pozwala obniżyć koszty instalacji i ułatwić konserwację. Natomiast izolowana tulejka zakończeniowa DIN FSD80-8-KD6 na pojedynczy przewód jest przeznaczona do stosowania z automatycznymi aplikatorami, które lepiej sprawdzają się w przypadku dużej liczby zakończeń.

Opaski kablowe odgrywają również ważną rolę w bezpieczeństwie i konserwacji, utrzymując porządek i zabezpieczając oprzewodowanie. Istnieje wiele różnych opasek odpowiadających różnym potrzebom, jak pokazano na ilustracji 5. Oprócz podstawowego projektu opaski, kluczową kwestią jest dobór materiału. Na przykład opaski kablowe PLT1.5M-M z blokadą są wykonane z nylonu 6.6 i jako takie najlepiej nadają się do użytku w pomieszczeniach zamkniętych. Do zastosowań zewnętrznych, w których występują zagrożenia takie jak sól i kwaśne deszcze, lepszy byłby taki materiał jak propylen.

Ilustracja 5: dobór materiału na opaski kablowe wymaga starannego rozważenia szerokiego zakresu czynników środowiskowych. Opaski kablowe PLT1.5M-M wykorzystują Nylon 6.6 i najlepiej nadają się do użytku wewnątrz pomieszczeń. (Źródło ilustracji: Panduit)

Stosowanie odpowiednich narzędzi do opasek kablowych może poprawić produktywność, obniżyć koszty i zwiększyć bezpieczeństwo pracowników. Na przykład pistolet do opasek kablowych GTH-E zaprojektowano z myślą o łatwości użytkowania (ilustracja 6). Wymaga o 15% mniejszej siły chwytu niż podobne narzędzia, a mechanizm odcinania opasek kablowych zmniejsza siły działające na dłoń użytkownika o ponad 40%.

Ilustracja 6: najważniejsze cechy pistoletu do opasek kablowych GTH-E, który został zaprojektowany z myślą o łatwości użytkowania. (Źródło ilustracji: Panduit)

I wreszcie dla prawidłowego użytkowania i konserwacji panelu sterującego kluczowe znaczenie mają wyraźne etykiety. Wybór etykiety zależy nie tylko od zamierzonego zastosowania, ale także od zagrożeń środowiskowych (ilustracja 7). Jeśli kable będą narażone tylko na działanie łagodnych cieczy na bazie wody, dobrze sprawdzi się rozwiązanie takie jak samolaminująca etykieta z winylu termotransferowego, S100X150VATY. Etykiety te mają wymiary przeznaczone specjalnie do stosowania na przewodach i kablach i mogą być używane w temperaturze do +150°F (+65°C).

Ilustracja 7: przykłady rozwiązań w zakresie etykietowania i ich przydatność w przypadku różnych zagrożeń ze strony środowiska. (Źródło ilustracji: Panduit)

W zapewnieniu prawidłowego etykietowania mogą pomóc takie rozwiązania, jak drukarka termotransferowa TDP43ME (ilustracja 8). Wspomniana drukarka termotransferowa umożliwia operatorom umieszczanie etykiet na przewodach i kablach w odległości zaledwie 1/2″ (12,7mm) od końców złączy i zacisków. Drukarka pozwala uzyskać czasy cykli nawet trzykrotnie krótsze niż tradycyjna instalacja ręczna i dwukrotnie szybsze niż rozwiązania konkurencyjne. Ergonomiczna konstrukcja zmniejsza zmęczenie operatora i minimalizuje ryzyko obrażeń związanych z wielokrotnie wykonywanymi ruchami.

Ilustracja 8: drukarka termotransferowa TDP43ME jest dostarczana wraz z oprogramowaniem i akcesoriami umożliwiającymi sprawne etykietowanie. (Źródło ilustracji: Panduit)

Uziemienie i bezpieczeństwo w zastosowaniach paneli sterujących

Biorąc pod uwagę dużą moc występującą w przemysłowych panelach sterujących, właściwe uziemienie ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa. Wybór listwy uziemiającej jest zatem krytyczną decyzją projektową, która może wpłynąć nie tylko na bezpieczeństwo, lecz także na opłacalność i łatwość konserwacji panelu sterującego.

Ilustruje to uniwersalna listwa uziemiająca UGB2/0-414-6. Jest ona częścią opatentowanego przez firmę Panduit uniwersalnego systemu listew uziemiających StructuredGround™ (UGB), który jest zgodny ze wszystkimi typami metod zakończeń przewodów i ponad 140 złączami. Ta elastyczność znacznie upraszcza projektowanie i konserwację. Ponadto dostępne są dwie opcje montażu z odstępem, zapewniające dodatkową przestrzeń na oprzewodowanie w ciasnych miejscach.

Bezpieczeństwo i wydajność czasami stoją w sprzeczności ze sobą. Na przykład przepisy wymagają przeprowadzenia prób w celu potwierdzenia braku napięcia przed przystąpieniem do serwisowania sprzętu elektrycznego. Może to być czasochłonny proces w przypadku użycia przyrządów ręcznych. Próbnik braku napięcia VeriSafe VS-AVT-C02-L03 ułatwia sprawę poprzez automatyzację procedury. Po zainstalowaniu tego urządzenia na panelu przednim, jedno naciśnięcie przycisku pozwala pracownikom potwierdzić brak napięcia (ilustracja 9).

Ilustracja 9: automatyczne testowanie przy użyciu przyrządów takich jak próbnik braku napięcia VS-AVT-C02-L03 VeriSafe jest nie tylko szybsze, ale także bezpieczniejsze. (Źródło ilustracji: Panduit)

Utrzymywanie niezawodności sieci i zapobieganie nieautoryzowanym ingerencjom dzięki przemysłowym rozwiązaniom Ethernet i zasilaczom awaryjnym (UPS)

Sieci danych są obecnie częścią większości projektów paneli sterujących. Aby uniknąć naruszeń bezpieczeństwa i przestojów spowodowanych nieautoryzowaną ingerencją lub niewłaściwym użytkowaniem, ważne jest, aby kable sieciowe pozostały na swoim miejscu. W tym celu stworzono urządzenia blokujące moduł gniazd RJ45 PSL-DCJB. Urządzenia te wkładane są do nieużywanych portów Ethernet, dając dostęp jedynie autoryzowanym pracownikom, którzy mogą wyjąć wtyczki za pomocą specjalnego narzędzia. Urządzenia blokujące zapobiegają również odłączaniu kabli sieciowych od aktywnych portów Ethernet.

W niektórych przypadkach port Ethernet musi być dostępny z zewnątrz panelu sterującego. Tutaj cenną rolę odgrywają rozwiązania takie jak moduł złącza grodziowego RJ45 IAEBHC6 IndustrialNet Cat 6 UTP z kołpakiem ochronnym. To rozwiązanie grodziowe zapewnia uszczelnienie klasy IP67, które chroni przed kurzem i tymczasowym zanurzeniem w wodzie, dzięki czemu nadaje się do komórek roboczych wymagających spłukiwania.

W przypadku urządzeń zasilanych z sieci danych, wtyczki Ethernet wymagają specjalnych funkcji. Na przykład ekranowana wtyczka RJ45 FPS6X88MTG IndustrialNet kategorii 6A z możliwością montażu w terenie jest przeznaczona do zastosowań zasilania przez Ethernet (PoE) i podobnych, zgodnie ze standardem IEEE 802.3af/802.3at (PoE/PoE+). Ta wtyczka przewyższa między innymi wymagania eksploatacyjne kanału ANSI/TIA 568-C.2 kategorii 6A i ISO 11801 klasy EA oraz jest zgodna z normami ANSI/TIA-1096-A (dawniej FCC Part 68), IEC 60603-7 i IEC 60529 (IP20).

Niezależnie od źródła zasilania, wiele paneli sterujących wymaga zasilacza awaryjnego (UPS), aby zachować funkcjonalność w przypadku awarii zasilania. Wybierając zasilacz awaryjny (UPS) do panelu sterującego, inżynierowie automatycy powinni wziąć pod uwagę następujące kwestie:

• Moc: parametry wyjściowe powinny przewyższać pobór mocy panelu sterującego.
• Konserwacja: zdalne zarządzanie umożliwia monitorowanie i kontrolę kluczowych parametrów, oszczędzając koszty i czas.
• Montaż: opcje takie jak montaż na szynie DIN ułatwiają integrację z panelami sterującymi.
• Bezpieczeństwo i zgodność: zasilacz awaryjny (UPS) powinien co najmniej spełniać odpowiednie normy, takie jak UL508.

Zasilacz UPS UPS00100DC do sieci przemysłowych ma wiele cech przewyższających wspomniane wymagania podstawowe. Wykorzystuje on ultrakondensatory zamiast baterii, zmniejszając ryzyko przestojów i unikając potencjalnego gromadzenia się wodoru. Konstrukcja bezbateryjna zapewnia bezobsługowość, 2 razy lepszy zwrot z inwestycji (ROI) i od 50 do 70% niższy koszt posiadania w porównaniu z zasilaczem awaryjnym (UPS) zasilanym bateryjnie.

Podsumowanie

Projektowanie przemysłowych paneli sterujących to wymagający i skomplikowany proces, który wymaga zrównoważenia przestrzeni, zabezpieczeń, bezpieczeństwa i niezawodności. Aby osiągnąć optymalne wyniki, projektanci muszą korzystać z rozwiązań w zakresie paneli sterujących, które pomogą im uporządkować, oprzewodować i oznaczyć panele, a także chronić je przed zagrożeniami zewnętrznymi i wewnętrznymi. Rozwiązania te powinny być dostosowane do specyficznych wymagań zastosowań przemysłowych paneli sterujących oraz powinny być wyposażone w narzędzia instalacyjne i konserwacyjne gwarantujące prawidłowe działanie. Korzystając z rozwiązań paneli sterujących spełniających te kryteria, projektanci mogą konstruować panele, które są efektywne, bezpieczne i zgodne z normami.