Redukcja zajmowanego przez złącze miejsca przy jednoczesnym zachowaniu elastyczności w trudnych warunkach przemysłowych

Wymiana i modernizacja urządzeń przewodowych w środowisku przemysłowym wiąże się z wyzwaniami, ponieważ odłączanie i ponowne podłączanie kabli z zachowaniem niezawodności jest trudne. Podobnie instalacja nowych czujników, procesorów i innych komponentów często wymaga całkowitego odłączenia oprzewodowania oraz ponownego jego podłączenia.

Ponadto rozmiary urządzeń przemysłowych są coraz mniejsze, co ogranicza ilość dostępnego miejsca na wiele złączy. Jednocześnie efektywne układy tablic zapewniające dobrą gęstość wymagają mniejszych złączy, które pozwalają mieścić wiele typów połączeń w jednym złączu.

Środowisko przemysłowe samo w sobie narzuca wymagania w zakresie zachowania integralności urządzeń: ważne jest, aby nie dopuścić do kontaktu wrażliwych komponentów z cieczami i pyłem, a w rezultacie ich uszkodzenia.

Wdrażanie złączy - czyli wymiana stałych połączeń przewodowych na złącza modułowe w urządzeniach rozwiązuje wszystkie te problemy. Omawiane złącza są dostępne w kompaktowej formie i umożliwiają łączenie w sobie wielu typów oprzewodowania. Dzięki modułowości omawianych złączy, ich konfigurację można szybko zmienić w celu dostosowania do zmodyfikowanej lub zmodernizowanej instalacji bez konieczności wymiany urządzenia czy kabla. Ponadto złącza modułowe o zwiększonej wytrzymałości na czynniki środowiskowe są zabezpieczone przed wnikaniem pyłu i cieczy, a także strumieni wody pod wysokim ciśnieniem wykorzystywanych przy sterylizacji.

W niniejszym artykule omówiono podstawy złączy modułowych, przedstawiając sposób ich doboru, montażu i wykorzystania. Przy okazji zaprezentowano przykładowe złącza firmy HARTING, które projektanci mogą wykorzystać podczas projektowania swoich systemów przemysłowych.

Wdrażanie złączy modułowych

Istnieją dwa sposoby przewodowego przesyłania zasilania, sygnałów i danych cyfrowych do urządzenia przemysłowego lub aplikacji.

Przewody okablowania mogą być podłączone na stałe lub mogą być zainstalowane z użyciem złączy. Wybór zależy od kilku czynników. Prawdopodobnie najważniejsze jest to, jak często urządzenie będzie wymagało odłączenia i ponownego podłączenia. Jeśli konieczne jest ponowne podłączenie urządzenia łączonego przewodami na stałe, każdy przewód należy starannie odłączyć i ponownie podłączyć, co wiąże się ze znacznymi kosztami robocizny. Ryzyko nieprawidłowego podłączenia przewodów jest wysokie, a odnalezienie i naprawienie błędu może zająć wiele godzin.

Użycie złączy może początkowo kosztować więcej, ale po podjęciu takiej decyzji ponowne podłączanie odbywa się według scenariusza „plug-and-play”, w którym trudno jest popełnić błędy w podłączaniu oprzewodowania, co zmniejsza potrzebę korzystania z usług wykwalifikowanych pracowników. Dlatego też użycie (czyli wdrożenie) złączy zamiast połączeń przewodowych na stałe zapewnia wiele długoterminowych korzyści.

Stosowanie złączy modułowych zwiększa elastyczność instalacji. Przyjrzymy się złączu modułowemu, które obsługuje zasilanie, czujniki, sygnały analogowe i cyfrowe, a nawet pneumatykę (ilustracja 1). Dostępnych jest wiele różnych modułów. Przykład przedstawia szeregową magistralę danych RJ45 i USB, trzy moduły wielowtykowe o różnych średnicach wtyków oraz moduł z trzema liniami pneumatycznymi.

Ilustracja 1: pojedyncze złącze modułowe może obsługiwać sygnały, zasilanie, cyfrowe interfejsy komunikacyjne, a nawet pneumatykę. W razie potrzeby moduły można szybko i łatwo wymieniać. (Źródło ilustracji: HARTING)

Konfiguracja złącza modułowego

Na ilustracji 2 przedstawiono proste nazewnictwo różnych komponentów złącza modułowego.

Ilustracja 2: nazewnictwo komponentów złącza modułowego firmy HARTING. Moduł utrzymują ramki, które z kolei są osadzone w obudowie lub kapturze. Istnieje łatwa możliwość otwierania złączy, zmiany układu modułów, ich dodawania lub usuwania w zależności od potrzeb. (Źródło ilustracji: HARTING)

Nieruchoma część podstawowego złącza to obudowa. Łączący się z nią koniec części ruchomej to kaptur. Ramki są umieszczone w obudowie lub kapturze, a ich zadaniem jest utrzymywać moduł na miejscu. Złącze może być wyposażone w moduły zaślepiające zapewniające dodatkową wolną przestrzeń na rozbudowę w przyszłości. Dwa pasujące złącza są łączone ze sobą za pomocą połączenia śrubowego lub połączenia z ryglem blokującym. Kaptury mogą mieć jeden lub kilka wejść kablowych od góry lub boku. Wejścia do obudowy mogą znajdować się od góry lub dołu.

Biorąc pod uwagę dużą liczbę dostępnych modułów, obudów, kapturów i innych elementów złączy oferowanych przez firmę HARTING, dobór odpowiednich opcji może być złożonym zadaniem. Firma HARTING upraszcza ten proces za pomocą konfiguratora online, który ułatwia dobór i projektowanie złącza modułowego (ilustracja 3).

Ilustracja 3: internetowy konfigurator złączy Han firmy HARTING upraszcza projektowanie i wybór komponentów złącza modułowego. (Źródło ilustracji: HARTING)

Konfigurator prowadzi projektanta przez proces doboru przewodów, elementów optycznych i pneumatycznych oraz transmisji danych dla złącza. Każdy element proponuje użytkownikowi opcje pasujące do zamierzonego projektu.

W tym przykładzie wybrano elementy elektryczne. Użytkownik wprowadza liczbę i typy przewodów, wymagania dotyczące obciążalności prądowej oraz kilka innych informacji związanych z projektem. Konfigurator szybko pokazuje kilka możliwych konfiguracji, wyszczególniając części złącza, a także wyświetlając rysunek izometryczny zespołu (ilustracja 4).

Ilustracja 4: wygenerowana w konfiguratorze wizualizacja sześciowtykowej wtyczki przewodowej wraz z gniazdem, jego podstawą, kapturem i zaciskiem kablowym. (Źródło ilustracji: HARTING)

Do pobrania dostępna jest pełna dokumentacja, na którą składają się listy części, modele 3D, arkusze danych, arkusze typów i deklaracje dotyczące produktów.

W przedstawionym przykładzie konfigurowalne parametry obejmowały typ podstawy, żądany typ blokady, liczbę przewodów, maksymalne oczekiwane natężenie i napięcie prądu oraz środowisko pracy. Wygenerowane konfiguracje zawierały podstawę do montażu tablicowego HARTING 09400060311. Podstawa jest odlewem aluminiowym z blokadą śrubową i jest przeznaczona do pracy w trudnych warunkach środowiskowych. Omawiana podstawa została połączona z podwójnym modułem HARTING 09140060371, zawiasową wysokowytrzymałą ramką mocującą. Wybrana ramka posiada miejsce na dwa moduły. Wybrany moduł to sześciopozycyjny moduł żeński HARTING 09140063101. Powiązane z nim są gniazda ze srebrnymi wtykami zagniatanymi HARTING 09330006220 przeznaczone dla przewodów 20AWG.

Kablowa strona złącza bazuje na obudowie wtyczki z odlewanego aluminium HARTING 19400060411 i skojarzonej z nią dwumodułowej wysokowytrzymałej ramce mocującej HARTING 09140060361. Do tej ramki pasuje moduł męski HARTING 09140063001 ze srebrnymi wtykami zagniatanymi 20AWG HARTING 09330006121. Zespół kaptura zwieńczony jest mosiężnym zaciskiem kablowym 9-16 HARTING 19000005090. Podstawa i kaptur mieszczą dwa moduły, więc w nieużywanych pozycjach można umieścić moduły zaślepiające, takie jak HARTING 09140009950.

Ochrona przed warunkami środowiskowymi

Wszystkie komponenty złącza Han HPR firmy HARTING działają w zakresie temperatur od -40°C do +125°C. Są również uszczelnione oraz zabezpieczone przed wpływem otoczenia dzięki stopniom ochrony do IP68 i IP69K.

Klasyfikacja IP zdefiniowana w normie IEC 60529 określa stopień ochrony przed czynnikami zewnętrznymi, jaki zapewniają komponenty złączy. Czynniki zewnętrzne to m.in. wstrząsy mechaniczne, ciała obce, wilgoć, kurz i ciecze, takie jak woda, paliwa, płyny czyszczące, płyny chłodnicze i oleje.

Pierwsza liczba w oznaczeniu stopnia ochrony IP określa odporność na cząstki stałe. Możliwy zakres wartości: od 0 do 6. Liczba 6 oznacza najwyższy poziom ochrony. Złącza o stopniu ochrony 6 są zabezpieczone przed wnikaniem pyłu i zapewniają pełną ochronę przed cząstkami stałymi. Druga liczba w oznaczeniu stopnia ochrony IP to odporność na ciecze. Możliwy zakres wartości: od 0 do 9. Wartość 8 oznacza, że urządzenie jest wodoszczelne i zabezpieczone przed wodą pod ciśnieniem. Wartość 9K oznacza ochronę przed strumieniem środków czyszczących i podobnych cieczy pod ciśnieniem. Dlatego stopień ochrony IP68 lub IP69K jest doskonały.

Seria HARTING Han HPR jest przeznaczona do pracy w trudnych warunkach zewnętrznych. Obudowy i kaptury wykonane z odlewów aluminiowych posiadają proszkową powłokę epoksydową, która zapewnia im znakomitą odporność na korozję, a jednocześnie zabezpiecza przed wnikaniem wilgoci. Metalowe komponenty zapewniają doskonałą kompatybilność elektromagnetyczną.

Na wypadek potrzeby stosowania tych samych złączy w wielu instalacjach, złącza tej serii mogą posiadać nawet szesnaście pozycji kluczowania zapewniających prawidłowe podłączenie. Ponadto kompaktowe złącza z serii HPR pozwalają zaoszczędzić miejsce i zmniejszyć ciężar, ponieważ są nawet o 25% lżejsze niż odpowiadające im standardowe złącza HPR.

Podsumowanie

Zapewnienie integralności połączenia, elastyczności i możliwości rozbudowy przy jednoczesnym spełnieniu wymagań dotyczących kształtu produktu oraz wymogów narzucanych środowiskom przemysłowym może stanowić dla projektantów wyzwanie. Wdrażanie złączy bazuje na podejściu zakładającym wysoką konfigurowalność, kompaktowość i modułowość, a także użycie łatwego w obsłudze narzędzia doboru komponentów złącza online, znacznie upraszcza ten proces.