Złącza M12 i alternatywne rozwiązania w zastosowaniach przemysłowych

Złącza M12 to wszechobecna opcja okrągłych zakończeń kabli, szeroko stosowana w robotach przemysłowych, mobilnych, a nawet instalacjach konsumenckich, przeznaczona do łączenia czujników, aktuatorów i innych komponentów (magistrali Fieldbus i innych) z elementami sterowniczymi i innymi systemami w automatyce. Dokładną geometrię i układ żył złącza M12 (często instalowanego na końcach kabla w osłonie z PUR lub PCW) określają normy IEC 61076-2-101 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej. Nazwa M12 pochodzi od tego, że gwint metryczny większości nakrętek łączących złączy i dopasowanych gniazd (opisanych bardziej szczegółowo poniżej) jest zasadniczo elementem złącznym o średnicy 12mm z gwintem M12.

Dziesiątki wyspecjalizowanych opcji pozwalają konstruktorom na określenie specyfikacji złączy, które będą szczególnie dobrze dopasowane do konstrukcji maszyny lub produktu. Oto niektóre z nich:

• Korpusy proste i pod kątem prostym
• Geometria męskiej i (znacznie częściej) żeńskiej części łącznika po stronie przewodu
• Ekranowane i nieekranowane elementy wewnętrzne
• W pełni zintegrowany zestaw przewodów, a także wersje modułowe
• Wersje lekkie i opancerzone
• Różne typy i konstrukcje nakrętek łączących

Ekranowane złącze M12 QUICKON (IDC) to typ złącza M12, który umożliwia instalatorom wykonanie okablowania maszyn w terenie. (Źródło filmu wideo: Phoenix Contact)

Omówienie standardu M12

Złącze M12 zostało wprowadzone na rynek w 1982 roku jako niestandardowe, trójwtykowe złącze 7⁄8 cala przeznaczone do niewielu zastosowań. Unikalną cechą złącza była (i w większości przypadków nadal jest) jego nakrętka łącząca - obudowa na końcu kabla zablokowana osiowo, ale umożliwiająca swobodny obrót - dzięki czemu można ją przykręcić do dopasowanego geometrycznie łącznika męskiego lub żeńskiego po stronie gniazda. W pierwszej kolejności złącze zostało znormalizowane normą IEC 61076-2-101 do użytku z czujnikami i aktuatorami. Następnie w kolejnych latach norma rozszerzyła się o kilka kodów M12 (z wyszczególnieniem geometrii wtyków i odmian funkcji), a także dwa mniejsze formaty do użytku z aktuatorami, jak również sterownikami PLC, przełącznikami i urządzeniami wejścia-wyjścia. Należą do nich złącza M8 (zdefiniowane w normie IEC 61076-2-104, wyposażone w łącznik o średnicy 8mm), a także złącza M5 (zdefiniowane w normie IEC 61076-2-105, z łącznikiem o średnicy 5mm).

Ilustracja 1: standaryzacja geometrii złączy M12 i M8 daje wiele korzyści - m.in. dostępność narzędzi przyspieszających instalację. Przykład: wkrętaki z mechanizmem zapadkowym Screwty są przystosowane do standardowego adaptera 1/4 calowego, za pomocą którego instalator może szybko dokręcić złącza - w tym okrągłe złącza wtykowe M12 i M8, a także konfigurowalne wtyczki i gniazda M12F, M8F oraz M23. (Źródło ilustracji: Weidmüller)

W najnowszym wydaniu normy IEC 61076-2-010 (2020) zawarto jeden z największych od dłuższego czasu dodatków do normy - dodanie wsparcia dla złączy wciskanych-wyciąganych i ich oficjalne definicje. W proces opracowywania normy zaangażowane były firmy produkujące kable, takie jak: Molex, CONEC, Weidmüller, Phoenix Contact i HARTING. Główne zalety połączeń wciskanych-wyciąganych M12:

• Znaczne skrócenie czasu montażu (poprzez eliminację konieczności przykręcania nakrętek i weryfikacji momentu dokręcenia)
• Stworzenie połączeń, które są bardziej kompaktowe niż tradycyjne złącza M12.

Ilustracja 2: złącza M12 PushPull zatrzaskujące się na swoim miejscu do łączenia gniazd pionowych i wpuszczanych. W wydaniu normy IEC 61076-2-010 z 2020 roku zdefiniowano standard wciskany-wyciągany M12 z zamiarem rozszerzenia pomyślnie stosowanych dotychczas złączy wciskanych-wyciąganych M12, które są już dostępne na rynku w zastrzeżonych formatach. (Źródło ilustracji: HARTING)

W rzeczywistości norma IEC 61076-2-010 2020 definiuje geometrie zarówno wewnętrznych elementów blokujących na żeńskiej połówce złącza wciskanego-wyciąganego, jak i zewnętrznych elementów blokujących na męskiej połówce tego złącza. Zapewnia to zgodność krzyżową między różnymi produktami kablowymi.

Kolejna opcja złącza

Kolejnym okrągłym złączem, którego nie należy mylić ze złączem wciskanym-wyciąganym M12 i które jest używane w komunikacji oraz przemysłowych urządzeniach peryferyjnych HMI, jest miniaturowe złącze DIN. DIN oznacza Deutsches Institut für Normung - organizację ustanawiającą normy, która określa strukturę i połączenia w obrębie tych zakończeń kablowych. Dzięki pasowaniu wciskowemu (tarciu) z tuleją na końcu kabla nie odłączają się one od gniazda podczas montażu. Omawiane złącza mini-DIN o średnicy 9,5mm (3/8”) są dostępne z różnymi układami wtyków, w których trzy, cztery, pięć, sześć, siedem, osiem lub dziewięć złączy elektrycznych rozmieszczonych jest tak, aby zapobiegać przypadkowemu błędnemu połączeniu z wizualnie podobnymi kablami mini-DIN. W wielu przypadkach dostawcy dodają własne oznaczenia kolorystyczne na końcu kabla i na gnieździe po stronie maszyny, aby ułatwić monterom dopasowanie dwóch połówek połączenia i uczynić instalację nieco prostszą.

Zarówno złącza mini-DIN, jak i M12 mają różne zastosowania, w których sprawdzają się idealnie. Jednak na rynku jest więcej niestandardowych złączy mini-DIN - co może pozwolić na większą swobodę projektowania, a także wprowadzić większe zamieszanie. Ponadto wpasowanie wciskowe tulei zabezpieczającej złącze mini-DIN pozwala na szybkie podłączanie i rozłączanie. Inaczej jest w przypadku złączy M12, gdzie wykonanie połączenia śrubowego zajmuje trochę więcej czasu, ale jest z natury bezpieczniejsze.

Liczba wtyków M12 i kodowane warianty

Ilustracja 3: złącza M12 są dostępne z różną liczbą wtyków i kodowanymi przypisaniami wtyków. W niektórych zestawach nakrętka łącząca (osadzona osiowo na końcu kabla) jest przykręcana do gniazda po męskiej stronie komponentu. Pierwotnie złącza M12 miały trzy lub cztery wtyki; teraz są dostępne z pięcioma, sześcioma, ośmioma lub 12 wtykami. (Źródło ilustracji: EE World)

Oprócz liczby wtyków w złączach M12, znormalizowane są także wersje kodowe. Aby zapobiec niewłaściwemu dopasowaniu i projektowi ekranu elektromagnetycznego, zdefiniowano dla nich układ wtyków, kanały i wycięcia.

Złącza M12 z kodowaniem A są popularne i nadal są używane do podłączania czujników i innych małych urządzeń, które korzystają z zasilania prądem stałym. Złącza M12 z kodowaniem B są powszechne w instalacjach PROFIBUS. Złącza z podwójnym wpustem z kodowaniem C (M12 Power) znajdują zastosowanie w instalacjach wymagających zasilania małej automatyki prądem zmiennym. Złącza M12 z kodowaniem D obsługują łączność Ethernet 100Mb/s, a także PROFINET.

Nowsze wersje kodów M12 obejmują złącza z kodowaniem K i L, służące odpowiednio do zasilania prądem zmiennym i stałym. Podobnymi opcjami są złącza z kodem S (zdolne do zasilania silników prądu zmiennego napięciami do 690V) i złącza M12 z kodowaniem T do zasilania prądem stałym. Jednak największy wzrost wykorzystania do obsługi przemysłowej sieci Ethernet 10Gb/s, a także zasilania aktuatorów, takich jak silniki krokowe, wykorzystujących łączność Power over Ethernet 802.3at (PoE+) widoczny jest w przypadku złączy M12 z kodowaniem X. Te ostatnie mają moc zapewniającą działanie różnych aktuatorów z pełną mocą.

Podsumowanie

Dawno minęły czasy, kiedy okablowanie i fizyczne tworzenie sieci maszyn automatycznych wiązało się z ręcznym skręcaniem, izolowaniem i testowaniem nieizolowanych przewodów w kanałach, co zajmowało elektrykom setki godzin. Dzisiejsze złącza M12 (wraz z innymi innowacjami w okablowaniu, a także rosnącą gamą wyspecjalizowanych zestawów przewodów) często eliminują potrzebę wykonywania instalacji przez wyspecjalizowanych techników, umożliwiając wdrożenie nawet szybkiej, bezpiecznej i bezbłędnej konfiguracji, którą można w razie potrzeby łatwo wymienić. W rzeczywistości złącza M12 są częścią szerszego trendu w automatyzacji maszyn i fabryk ukierunkowanego na proste, modułowe oraz niezastrzeżone rozwiązania.