Uproszczenie wdrażania sprzętu przemysłowego dzięki konfigurowanym złączom modułowym

Analizując sposób wykonania połączeń sygnałowych i zasilających w zastosowaniach przemysłowych, generalnie należy mieć na uwadze, że wiele połączeń zasilających, uziemiających i sygnałowych musi być wykonywanych w ciasnych przestrzeniach. Projektanci muszą określić parametry wielu rodzajów okablowania, ale krytycznymi czynnikami są również czas przygotowania połączenia, wygoda i przestrzeń. W takich sytuacjach w wielu projektach urządzeń przemysłowych ucieka się do podstawowych międzypunktowych połączeń przewodowych, w przypadku których technik ręcznie łączy przewody jeden po drugim.

Rzeczywistość jest jednak taka, że takie ręczne wykonywanie połączeń na miejscu zabiera dużo czasu w terenie i sprzyja popełnianiu błędów, a zatem bywa kosztowne. Jest szczególnie kosztowne ze względu na stracony czas, wysiłek potrzebny do przywracania odpowiedniego stanu i błędy, jeśli rozłączanie i ponowne podłączanie jest konieczne z jakiegokolwiek powodu, w tym z powodu naprawy, rozbudowy lub zmiany konfiguracji.

Rozwiązaniem tego problemu związanego z wydajnością, kosztami, przestrzenią i niezawodnością jest użycie złączy modułowych, ponieważ są one elastyczne, wszechstronne i łatwe w zarządzaniu. Mogą być dostarczane również z szeroką gamą obudów i ramek montażowych oraz wybieranymi przez projektanta różnorodnymi wkładkami zaprojektowanymi do obsługi różnych zakresów określonych sygnałów elektrycznych - w tym do zasilania, sygnałów i danych - przy użyciu nieizolowanych przewodów, złączy D-Sub, przewodów koncentrycznych, a nawet światłowodów i pneumatyki na sprężone powietrze.

W tym artykule wykorzystamy praktyczny przykład, aby zobrazować niektóre problemy związane z techniką ręcznego wykonywania połączeń. Następnie przedstawione zostanie bardziej elastyczne i skuteczne podejście oparte na złączach serii Han-Modular firmy HARTING oraz zilustrujemy sposób, w jaki złącza te przyczyniają się do rozwiązania wielu problemów z oprzewodowaniem. Opisane zostanie dedykowane narzędzie konfiguracyjne, które pomaga projektantom szybko zbudować optymalne złącze w oparciu o system Han-Modular.

Przewodowe połączenia międzypunktowe: szybkie, łatwe, często niedbale wykonane

Wydaje się, że wykonanie podstawowych połączeń przewodowych między poszczególnymi punktami jest łatwiejsze, ale w wielu przypadkach żałuje się tej decyzji. Rozważmy przykład modernizacji oprzewodowania prostego jednostrefowego termostatu „nieinteligentnego”, który wymagał pośredniego przekaźnika między inteligentną jednostką a kontrolerem systemu ogrzewania, zmieniającej ten termostat w urządzenie inteligentne. Oprzewodowanie tej pierwszej strefy było nieuporządkowane i wyglądało na niedbale wykonane, ale było szybkie w instalacji i działało. Ponadto, ponieważ wszystkie elementy były zasilane prądem zmiennym o napięciu 24V, nie było problemów z nieosłoniętym oprzewodowaniem i bezpieczeństwem.

Jednak w następnym roku właściciel domu zdecydował się zmodernizować dwie pozostałe strefy grzewcze, instalując termostaty inteligentne. Dodatkowe oprzewodowanie międzypunktowe zostało również wykonane „na szybko”, w wyniku czego powstała istna stajnia Augiasza, która, o dziwo działała (ilustracja 1). Chociaż działała, nie stanowiła dobrego rozwiązania długoterminowego, ponieważ ewentualne problemy przy takim schemacie połączeń byłyby bardzo trudne do rozwiązania w przyszłości, a wszelkie dodatkowe modernizacje byłyby koszmarem.

Ilustracja 1: niedbale wykonane przewodowe połączenia międzypunktowe mogą być wynikiem złożoności projektu lub nawet stopniowego dokładania dodatkowych funkcji do instalacji podstawowej, jak to ilustruje przedstawione oprzewodowanie przekaźników na potrzeby modernizacji termostatu do inteligentnego urządzenia trójstrefowego. (Źródło ilustracji: Bill Schweber)

Sytuacja ta była nie do przyjęcia ze względów praktycznych, estetycznych i technicznych, dlatego zdecydowano się uporządkować ją i ponownie oprzewodować cały układ poprzez wykonanie połączeń przewodowych za pomocą końcówek wsuwanych i listew zacisków śrubowych (ilustracja 2). Wymagało to mniej czasu i planowania niż użycie trzech dedykowanych złączy (po jednym na strefę) i było postrzegane jako akceptowalny kompromis w tym przypadku, pomimo ponad 50 połączeń dyskretnych. Instalacja ta charakteryzowała się oczywistymi zaletami przewodowych połączeń międzypunktowych, które wymagają stosunkowo niewielkiego planowania (często wystarcza schemat czy diagram), minimalnego zaangażowania i można je uruchomić natychmiast.

Ilustracja 2: oprzewodowanie modernizacyjne termostatu zostało poprawione przez wykonanie ponownego oprzewodowania z użyciem licznych końcówek wsuwanych i listew zacisków śrubowych. Jednak aby uniknąć błędów, przy ponownym wykonywaniu ponad 50 połączeń nadal konieczne było zachowanie szczególnej ostrożności. Mimo to instalacja ta zajęła znacznie więcej miejsca niż byłoby to w przypadku zastosowania złączy wielostykowych. (Źródło ilustracji: Bill Schweber)

Świat przemysłu jest bardziej złożony

W środowisku przemysłowym nawet takie ulepszone oprzewodowanie miałoby negatywne skutki długoterminowe. Instalowanie wszystkich tych pojedynczych przewodów wymaga wielokrotnego sprawdzenia rozmieszczenia każdego z nich na schemacie, a także sprawdzenia jego integralności fizycznej. Bardzo istotne jest także etykietowanie każdego przewodu i zwykle należy przestrzegać przy tym norm etykietowania ANSI i ISO. W przypadku konieczności odłączenia sprzętu w celu jego naprawy lub przeniesienia, należy odwrócić skomplikowany proces podłączania, a jego ponowne podłączenie wymaga powtórzenia tego procesu.

Oczywiście dyskretne kable podłączone fabrycznie i dopasowane złącza początkowo stanowią atrakcyjną alternatywę. Można je podłączyć i przetestować z wyprzedzeniem w kontrolowanym środowisku. Choć eliminują potrzebę wykonywania połączeń przewodowych, budzą także nowe obawy. W wielu instalacjach wykorzystuje się wiele różnych typów sygnałów, np. niskie i wysokie napięcia w różnych zakresach prądów znamionowych, sygnały z czujników, liczne typy łączy danych, a także sygnały Ethernet, światłowodowe, a nawet powietrze niskociśnieniowe (pneumatyczne). Rezultatem jest zróżnicowany zbiór przewodów i złączy, które zajmują dużo miejsca w panelu, mogą wymagać oznaczania, jeśli istnieje kilka przewodów ze złączem tego samego typu, a ich podłączanie i odłączanie nadal wymaga czasu.

Istnieje rozwiązanie, które przynajmniej na pierwszy rzut oka wydaje się rozwiązywać dylemat złączy wieloprzewodowych. Dostępne są standardowe złącza z wieloma stykami zasilania i sygnałów we wspólnej obudowie. Stanowią one tak naprawdę tylko częściowe rozwiązanie z dwóch powodów. Po pierwsze, są one dostępne tylko w wersjach z określonymi z góry liczbami i typami styków, np. z dwiema pozycjami do zasilania i sześcioma dla sygnałów. Po drugie, są dostępne tylko dla podstawowych sygnałów niskiego/wysokiego poziomu i poziomów mocy oraz niektórych sygnałów danych, ale nie dla Ethernetu gigabitowego (GbE), światłowodów szklanych lub plastikowych czy nawet połączeń pneumatycznych (powietrznych) niskociśnieniowych.

Pełna modułowość: lepsze rozwiązanie

Aby obejść te ograniczenia dotyczące styków, projektanci mogą użyć serii złączy Han-Modular firmy HARTING. Stanowią one najnowocześniejsze rozwiązanie pod względem elastyczności łączenia i dopasowywania ze względu na liczbę i typy styków. Projektant wybiera niemal dowolną kombinację złączy i styków, a następnie dobiera ramkę złącza, aby je unieruchomić, wraz z odpowiednią obudową (ilustracje 3 i 4).

Ilustracja 3: określana przez użytkownika modułowość pozwala na utworzenie niestandardowego złącza z wykorzystaniem standardowych komponentów. (Źródło ilustracji: HARTING)

Ilustracja 4: rezultatem procesu przedstawionego na ilustracji 3 jest kompaktowy, w pełni dostosowany, zamknięty zespół złącza z dopasowanymi elementami złącznymi. (Źródło ilustracji: HARTING)

Moduły Han obsługują złącza i styki (męskie i żeńskie) do prądów od kilku miliamperów do 200A, napięć do 5000V, węże pneumatyczne, przewody danych, ekranowane sygnały magistrali, a nawet plastikowe lub szklane kable światłowodowe. Jest to zakres obejmujący linie elektryczne i mechaniczne niewystępujący w żadnych innych zespołach złączy/styków.

Dzięki zastosowaniu tych złączy oprzewodowanie staje się czynnością wykonywaną z wyprzedzeniem, w którym przewody są projektowane, montowane i testowane jako kompletna wiązka fabrycznie, a nie na obiekcie, a następnie są łatwo i szybko podłączane i rozłączane (ilustracja 5).

Ilustracja 5: przewody zakończone złączami są montowane i testowane poza obiektem, a następnie szybko instalowane na miejscu i odłączane w razie potrzeby. Należy zwrócić uwagę na różne typy przewodów połączonych w każdym z dwóch prostokątnych złączy, szczególnie widoczne w złączu po lewej stronie. (Źródło ilustracji: HARTING)

Wysoki stopień modułowości i elastyczności tej serii ma jeszcze jedną zaletę. W rzeczywistym świecie projektowania produktów wraz z postępem projektu wymagania zmieniają się i ewoluują. Dzięki serii Han-Modular nie trzeba zaczynać od nowa w poszukiwaniu złącza lub złączy, które mogą spełnić dodatkowe wymagania. Wystarczy, że do złącza podstawowego projektant doda tylko kolejny moduł wewnętrzny.

Zakres i wszechstronność zastosowań obrazują przykłady

Nie trzeba specjalnie definiować wszystkich złączy i styków, które są dostępne w serii Han-Modular, aby dobrze rozeznać się w oferowanych przez nie możliwościach - wystarczy krótkie spojrzenie na niektóre z nich.

Po pierwsze, mamy ramkę, która przytrzymuje moduły złącza. Jednym z przykładów jest wysokowytrzymała ramka zawiasowa na sześć modułów 09140240313 (ilustracja 6). W tej ramce umieszcza się poszczególne moduły połączeniowe, które następnie się zabezpiecza i blokuje.

Ilustracja 6: jedna z wielu dostępnych ramek do mocowania wkładek złączy, wysokowytrzymała ramka zawiasowa 09140240313 zapewnia miejsce na sześć takich modułów. (Źródło ilustracji: HARTING)

Najnowocześniejszy system przemysłowy może nawet wymagać obsługi łączy GbE, więc można dodać moduł gigabitowy ze stykami męskimi (ilustracja 7) 09140083012. To ekranowane złącze jest przystosowane do pracy z prędkościami do 10Gbit/s i realizuje również funkcję zasilania IEEE 802.3bt (zwaną także PoE++).

Ilustracja 7: ekranowane złącze GbE 09140083012 w tej serii jest przystosowane do pracy z prędkościami do 10Gbit/s, a także realizuje funkcję zasilania IEEE 802.3bt (PoE++). (Źródło ilustracji: HARTING)

Jednocześnie złącze może wymagać znacznego zasilania prądem zmiennym lub stałym, więc dobrym wyborem może być sześciostykowa obudowa żeńska do wkładek wciskanych 09332062648 (ilustracja 8). Można w niej używać wkładek wciskanych o napięciu znamionowym do 500V i natężeniu prądu 16A, wykorzystujących przewody lite lub plecione o przekroju od 0,14mm² do 2,5mm² (od 14 do 26AWG).

Ilustracja 8: instalacje przemysłowe zwykle wymagają zasilania znacznym prądem zmiennym i stałym, które można podłączyć za pośrednictwem omawianej sześciostykowej obudowy żeńskiej do wkładek wciskanych 09332062648. Można do niej podłączać szeroką gamę rozmiarów przewodów litych i plecionych. (Źródło ilustracji: HARTING)

Do instalacji, w których wymagana jest 8-pozycyjna wtyczka modułowa RJ45 kat. 6A będąca standardem branżowym, dostępne jest złącze 09454001520 (ilustracja 9).

Ilustracja 9: w systemie Han-Modular przewidziano również możliwość podłączenia powszechnie używanego złącza RJ45, z wykorzystaniem złącza 09454001520. (Źródło ilustracji: HARTING)

Jedną z wyróżniających cech systemu Han-Modular, oprócz możliwości podłączania różnorodnych złączy elektrycznych, jest jego potencjał do łatwego wykonywania połączeń niskociśnieniowych złączy powietrznych (pneumatycznych). Na przykład moduł 09140033501 jest modułem pneumatycznym kompatybilnym z wieloma ramkami i można go skonfigurować pod kątem przewodów niskociśnieniowych o różnych średnicach, dobierając odpowiednie wkładki (ilustracja 10). Wśród nich jest metalowa wkładka męska 09140006304 (ilustracja 11) i uzupełniająca metalowa wkładka żeńska 09140006404 (ilustracja 12), przy czym obie są przeznaczone do przewodów o średnicy wewnętrznej (ID) 4mm.

Ilustracja 10: moduły Han pozwalają na łączenie nie tylko sygnałów elektrycznych, danych i zasilania, ale również obsługują sterowanie pneumatyczne za pomocą modułów, takich jak 09140033501 do niskociśnieniowych złączy powietrznych i odpowiednich wkładek. (Źródło ilustracji: HARTING)

Ilustracja 11: wkładka metalowa męska 09140006304 jest przeznaczona do przewodów pneumatycznych o średnicy wewnętrznej 4mm. (Źródło ilustracji: HARTING)

Ilustracja 12: metalowa wkładka 09140006404 to złącze żeńskie do powietrza o niskim ciśnieniu, również do przewodów o średnicy wewnętrznej 4mm. (Źródło ilustracji: HARTING)

Ponownie, to tylko bardzo mała próbka wielu dostępnych wkładek i złączy z serii Han-Modular.

Narzędzie konfiguracyjne jest kluczem do łatwego użytkowania

Seria złączy Han-Modular jest przydatna przy podłączaniu różnorodnych przewodów o różnych typach, funkcjach i rozmiarach, jednak wybór może być przytłaczający, a wykonanie optymalnej konfiguracji pozornie niemożliwe. Firma HARTING rozwiązuje ten problem, udostępniając bezpłatnie narzędzie Han Configurator.

To internetowe narzędzie znacznie upraszcza proces tworzenia niestandardowego złącza Han-Modular do określonych zastosowań. Projektant po prostu wprowadza szczegóły wymagań dotyczących połączenia, a narzędzie wyszukuje wkładki modułowe najlepiej dopasowane do zastosowania, a także przekazuje szczegóły techniczne, rysunki 3D i pliki danych dla wielu różnych opcji złączy. Narzędzie bierze pod uwagę także to, że istnieją projektanci, którzy są już zaznajomieni z systemem Han, dlatego też daje im możliwość bezpośredniej konfiguracji całego interfejsu bez konieczności korzystania z asystenta krok po kroku.

Korzystanie z narzędzia konfiguracyjnego rozpoczyna się od określenia pierwszego typu sygnału do zakończenia (ilustracja 13).

Ilustracja 13: narzędzie konfiguracyjne przedstawia listę wielu podstawowych typów połączeń obsługiwanych przez system Han-Modular. Projektanci rozpoczynają od wybrania jednego z kilku typów, które chcą wbudować w zespół złącza. (Źródło ilustracji: HARTING)

Narzędzie reaguje wyświetlając pola rozwijane zawierające odpowiednie dane. Tutaj dotyczą one sygnałów elektrycznych: liczby styków, prądu i napięcia znamionowego, przekroju przewodów i techniki zakańczania. W zależności od typu sygnału wyświetlane są różne zbiory danych (ilustracja 14).

Ilustracja 14: następnie narzędzie konfiguracyjne prosi projektanta o określenie parametrów najwyższego poziomu dla danego typu sygnału. Tutaj ukazano wybór sygnału elektrycznego (ang. „Electric”). (Źródło ilustracji: HARTING)

Następnie listy rozwijane pozwalają projektantowi określić dodatkowe wymagania, takie jak materiał obudowy (ilustracja 15), sposób montażu (ilustracja 16) i typ blokady (ilustracja 17), również odpowiednie dla wybranych złączy (tutaj pokazano opcje dla sygnału elektrycznego).

Ilustracja 15: u dołu ekranu startowego pojawia się pytanie o preferencje projektanta dotyczące materiału obudowy. (Źródło ilustracji: HARTING)

Ilustracja 16: u dołu ekranu startowego znajduje się również opcja wyboru sposobu montażu wybranego złącza. (Źródło ilustracji: HARTING)

Ilustracja 17: kolejnym wyborem, którego należy dokonać, jest wymagany mechanizm blokady złącza. (Źródło ilustracji: HARTING)

Następnie narzędzie generuje pierwsze wykonalne rozwiązanie i inne rozwiązania sugerowane. Konfiguracja wyświetlana jest w postaci modelu 3D wraz z listą produktów (ilustracja 18).

Ilustracja 18: po wprowadzeniu wszystkich potrzebnych typów połączeń, parametrów i preferencji, narzędzie tworzy kompletny zespół złącza i wyświetla szczegółowy obraz 3D, listę części i wszystkie inne potrzebne informacje. (Źródło ilustracji: HARTING)

Projektant może wybrać preferowaną konfigurację lub zmodyfikować sugerowane rozwiązania i wymienić poszczególne komponenty.

Konfigurator Han usprawnia i przyspiesza wszystkie aspekty procesu projektowania, ponieważ inżynier definiujący złącze może osiągnąć wiele celów:

• przestudiować projekt złącza dzięki interaktywnej wizualizacji 3D;
• upewnić się, że rozwiązanie jest wykonalne;
• łatwo współpracować z innymi członkami zespołu;
• zapisywać i udostępniać plik dostosowanego indywidualnie złącza;
• pobierać standardowe pliki CAD STP i arkusze danych;
• automatycznie utworzyć szczegółowy wykaz materiałów (BOM).

Podsumowanie

Wyzwania związane z wyborem odpowiedniego zestawu złączy do zakończenia kabla w warunkach przemysłowych mogą być frustrujące. System Han-Modular firmy HARTING upraszcza znalezienie optymalnego rozwiązania dzięki wysokiej elastyczności, modułowości i konfigurowalności, udostępniając potężne i intuicyjne narzędzie konfiguracyjne. W rezultacie podejście polegające na wykonywaniu międzypunktowych połączeń przewodowych można zastąpić rozwiązaniem zoptymalizowanym i dostosowanym do potrzeb, które zapewni wygodę oraz łatwość wykonywania połączeń przy jednoczesnym wykorzystaniu jak najmniejszej ilości przestrzeni.