Zastosowanie niezawodnych systemów przemysłowych i zapewnienie bezpieczeństwa operatorom dzięki wykorzystaniu odpowiednich połączeń i czujników

W obiektach przemysłowych wzrasta wykorzystanie przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) w celu osiągnięcia coraz wyższego zautomatyzowania, analizy predykcyjnej oraz bezpieczeństwa, dlatego coraz bardziej zyskują na znaczeniu niezawodne połączenia pomiędzy urządzeniami i systemami. Niemniej jednak niektóre zastosowania mogą być wyjątkowo problematyczne. Zarówno na kable, jak i na znajdujących się w pobliżu operatorów mogą oddziaływać ekstremalnie niskie lub wysokie temperatury oraz chemikalia i gazy o działaniu drażniącym i żrącym.

Ponadto obecność gazów drażniących i żrących, takich jak siarkowodór uwalniany przez niektóre urządzenia jest szkodliwa nie tylko dla pracujących tam ludzi. W kontakcie z wilgocią na kablach gazy takie wchodzą w niebezpieczne reakcje chemiczne, wytwarzając produkty uboczne, na przykład kwas siarkowy. Kwas może szybko zniszczyć płaszcz kabla, odsłaniając jego ekranowanie i żyły, co często prowadzi do zwarć i awarii systemu.

Niniejszy artykuł omawia wyzwania związane z okablowaniem w trudnych warunkach środowiskowych. Ponadto wskazuje on, w jaki sposób projektanci systemów przemysłowych mogą zapewnić niezawodne połączenia i bezpieczeństwo operatorów poprzez dobór odpowiednich kabli klasy przemysłowej do łączenia czujników, na przykładzie sprawdzonych produktów firmy Molex. Artykuł ten przedstawia także praktyczne przykłady działań pozwalających na wykrycie niebezpiecznego siarkowodoru, zanim spowoduje on poważne uszkodzenia sprzętu lub zaszkodzi pracownikom.

Okablowanie w bardzo trudnych środowiskach przemysłowych

Systemy automatyki przemysłowej wykorzystują czujniki monitorujące stan procesów i systemów w zakładzie produkcyjnym. W użyciu znajduje się wiele rodzajów czujników, takich jak termistory, przetworniki ciśnienia, czujniki poziomu, fotodetektory oraz łączniki zbliżeniowe. Precyzyjne dane z czujników są niezbędne, aby komputer główny mógł podejmować właściwe decyzje w zakresie sterowania aktuatorami silników, pasami transmisyjnymi, światłami, dozowaniem cieczy, itd. Nieprawidłowe dane z czujników mogą sprawić, że aktuatory będą uruchamiane w niewłaściwym czasie lub przy złych parametrach. W rezultacie może dojść do nieefektywnego działania systemu, któremu towarzyszyć będzie wzrost kosztów operacyjnych, a nawet do awarii systemu skutkującej kosztownym przestojem. Właściwy dobór i zastosowanie okablowania narażonego na oddziaływanie trudnych warunków środowiskowych może zwiększyć niezawodność danych z czujników oraz sygnałów sterujących aktuatorami. Niewłaściwy dobór okablowania może skutkować awariami w postaci przerwania połączeń, co stanowi notoryczny problem trudny do rozwiązania i prowadzący do kosztownych przestojów. Źle dobrane kable mogą w ostateczności doprowadzić do degradacji sygnału lub jego całkowitego zaniku.

Wielu z tych problemów można uniknąć korzystając z okablowania z certyfikatem klasy przemysłowej o stopniu ochrony IP67 lub IP68. Należy pamiętać, że samo oznakowanie kabla symbolem IP67 lub IP68 nie oznacza, że kabel spełnia wymogi klasy przemysłowej. Kod IP oznacza jedynie, że kabel jest odporny na powszechnie występujące cząstki stałe oraz wodę. Powszechnie stosowane kable klasy konsumenckiej mogą mieć certyfikat IP68 i mogą wydawać się wytrzymałe, jednakże niekoniecznie muszą być zabezpieczone przed działaniem ekstremalnych temperatur i odporne na działanie powszechnie stosowanych rozpuszczalników i cieczy żrących czy też na skręcanie i ścieranie, co charakteryzuje solidne okablowanie klasy przemysłowej.

Połączenia z czujnikami USB i aktuatorami w środowiskach przemysłowych

Choć wiele różnych rodzajów czujników i aktuatorów korzysta z rozmaitych rodzajów interfejsów, bezpieczną i powszechnie stosowaną metodą jest wykorzystanie złącza USB jako interfejsu. Nowoczesne obiekty korzystają z możliwości oferowanych przez standard USB 3.0 z uwagi na jego wysoką prędkość, zasilanie i zwiększoną niezawodność. Firma Molex jest dostawcą kabli przemysłowych 0847330005 ze złączami USB 3.0 (ilustracja 1). Kabel ten ma 1,31m długości, z jednej strony jest zakończony uszczelnionym gniazdem złącza cylindrycznego USB 3.0 typu A, a z drugiej wtyczką USB 3.0 typu A. Całość zespołu kablowego posiada stopień ochrony IP67. Obsługuje on przesył danych o prędkości 5Gb/s i wykazuje wsteczną kompatybilność z wtyczkami i gniazdami USB 2.0. Kabel jest przewidziany do działania w zakresie temperaturowym od -40°C do +85°C i nadaje się do stosowania nawet w najtrudniejszych warunkach przemysłowych.

Ilustracja 1: kabel Molex 0847330005 USB 3.0 z jednej strony zakończony jest gniazdem cylindrycznym USB 3.0 typu A, a z drugiej standardową wtyczką USB 3.0 typu A. Jest to kabel klasy przemysłowej, nadający się do stosowania w trudnych warunkach środowiskowych. (Źródło ilustracji: Molex)

Kabel Molex 0847330005 USB 3.0 zapewnia bezpieczne zasilanie do max. 1A na każdy styk. Jest on w pełni ekranowany przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI), co jest konieczne, aby transfer danych o prędkości 5Gb/s przez złącze USB 3.0 nie zakłócał działania innych urządzeń elektronicznych.

Wtyczka USB 3.0 typu A pasuje do komputera przemysłowego lub systemu wbudowanego wyposażonego w standardowe gniazdo USB 3.0 powszechnie stosowane w większości komputerów PC. Z drugiej strony kabel zakończony jest gniazdem cylindrycznym USB 3.0 typu A, łączącym się ze sprzętem czujnika posiadającym interfejs USB. Przeciwnakrętka znajdująca się na cylindrycznym złączu gniazdowym wyposażona jest w łatwy w użyciu mechanizm blokujący skręcanie, wytrzymujący moment obrotowy rzędu 20lb-in. Zapewnia to solidne połączenie ze sprzętem czujnika, które nie ulegnie przypadkowemu rozłączeniu. Każde złącze przewidziane jest na 500 operacji łączenia i rozłączania, co odpowiada potrzebom wyposażenia przemysłowego wymagającego okresowego przekonfigurowania.

Uszczelnienie cylindrycznego złącza gniazdowego wykonane jest z czarnego nitrylu zapewniającego doskonałą odporność na wodę i oleje przemysłowe. Uszczelnienia nitrylowe są również odporne na oddziaływanie benzyny, płynów hydraulicznych i powszechnie stosowanych rozpuszczalników. Dzięki temu omawiany kabel idealnie nadaje się do łączenia czujników wykorzystywanych w maszynach zasilanych silnikami benzynowymi. W razie wycieku lub innego wypadku z udziałem rozpuszczalników czy innych cieczy, żaden płyn nie przedostanie się przez uszczelnienie i nie zakłóci przesyłu danych.

Światło słoneczne i promieniowanie ultrafioletowe (UV) mogą powodować odbarwianie powłok kabli, co może okazać się kłopotliwe w przypadku, gdy kolor osłony służy oznakowaniu kabli w celu ułatwienia konserwacji. Światło słoneczne może także powodować, że osłony kabli klasy komercyjnej mogą pękać, narażając ekranowanie kabla chroniące przed zakłóceniami elektromagnetycznymi na oddziaływanie warunków zewnętrznych. Płaszcz kabla Molex USB 3.0 wykonany jest z wytrzymałej żywicy PVC charakteryzującej się doskonałą odpornością na światło słoneczne i promieniowanie UV. Żywica PVC jest także odporna na działanie wody, która z biegiem czasu może zmniejszać długość kabli klasy komercyjnej wykonanych z materiałów klasy konsumenckiej.

Podłączanie mechanicznych aktuatorów i elektromagnesów

Złącza zaworowe DIN stosuje się w celu zasilania elektromagnesów wykorzystywanych do sterowania aktuatorami takimi jak zawory, przełączniki ciśnienia, łączniki krańcowe oraz silniki niskonapięciowe. Z myślą o zapewnieniu solidnych połączeń z aktuatorami zaworów DIN w środowiskach przemysłowych, firma Molex oferuje złącze zaworowe DIN 2210503466 z 5-metrowym kablem (ilustracja 2). Jest on zakończony 3-żyłowym przewodem elastycznym służącym do połączenia z napięciem aktuatora o maks. wartości 24V. Zespół kablowy przewidziany jest do działania w zakresie temperatur od -40°C do +90°C, dzięki czemu nadaje się do stosowania zarówno w środowiskach charakteryzujących się niskimi temperaturami jak i w miejscach, gdzie silniki i wyposażenie nagrzewają się do bardzo wysokich temperatur.

Złącze zaworowe DIN firmy Molex posiada dopasowane i bezpieczne uszczelnienie klasy IP67 na zaworze DIN, a w stanie aktywowanym włącza i wyłącza zawór w zależności od typu kontrolowanego zaworu DIN. Aby zapewnić maksymalne zabezpieczenie przed przypadkowym rozłączeniem, złącze zabezpieczono wkrętem. Żółta dioda elektroluminescencyjna (LED) na złączu DIN stanowi wizualny wskaźnik aktywowania zaworu DIN.

Ilustracja 2: kabel Molex 2210503466 z jednej strony zakończony jest złączem zaworowym DIN, a z drugiej 3-żyłowym przewodem elastycznym. Żółta dioda elektroluminescencyjna (LED) sygnalizuje operatorom, że zawór został uaktywniony. (Źródło ilustracji: Molex)

Oferowane przez firmę Molex złącze zaworowe DIN 2210503466 wraz z kablem posiada osłonę poliuretanową odporną na większość szkodliwych chemikaliów i wykazuje wyjątkową odporność na uszkodzenia w wyniku skręcania i zginania. Poliuretanowe osłony kablowe są także bardzo odporne na działanie sił tnących i zgniatających. Uszkodzony kabel zaworowy DIN może skutkować przerywanym działaniem sprzętu zaworu DIN lub ogólną awarią sprzętu. Dlatego przedstawiony tu kabel nadaje się do aktuatorów stosowanych w ciężkich ruchomych maszynach, gdzie można go szybko rozciągnąć bądź skrócić, a także w środowisku, gdzie nieprawidłowe działanie lub ustawienie maszyny może grozić zmiażdżeniem kabla.

Mając na uwadze bezpieczne użytkowanie, nie zaleca się stosowania kabla na tyle krótkiego, że jego rozciągnięcie w trakcie normalnego użytkowania powoduje naprężenia na którymkolwiek z końców kabla. Oznacza to, że należy przewidzieć odpowiednią ilość zwisu, który zapobiegnie ewentualnemu naciąganiu zakończeń kabla; niemniej jednak im większy zwis, tym większe prawdopodobieństwo przypadkowego zahaczenia lub zmiażdżenia kabla. W tego rodzaju zastosowaniach osłona poliuretanowa stanowi odpowiednie i ekonomiczne rozwiązanie.

Ochrona przed substancjami żrącymi

Silniki benzynowe oraz niektóre przemysłowe procesy chemiczne mogą emitować niebezpieczny siarkowodór gazowy. Obiekty przemysłowe są przygotowane na bezpieczne wychwytywanie takich gazów, jednakże kierowcy pojazdów benzynowych mogą potwierdzić, że zdarzają się przecieki kolektorów wylotowych, poza tym może się zdarzyć, że ktoś w zakładzie zapomni o zakręceniu zaworu. Nawet niewielkie ilości siarkowodoru są niezmiernie toksyczne dla człowieka. Choć często można rozpoznać jego obecność po zapachu zgniłych jaj, może on też szybko i niepostrzeżenie roznieść się po terenie zakładu daleko poza miejsce jego uwolnienia, ponieważ jest cięższy od powietrza.

Jeśli siarkowodór wejdzie w kontakt z wodą, tworzy żrący kwas siarkowy, który może bardzo szybko doprowadzić do korozji elementów wyposażenia wykonanych z miedzi, żelaza i aluminium. W kontakcie z mokrym kablem kwas siarkowy może szybko zniszczyć większość rodzajów izolacji kablowych wykonanych np. z poliuretanu. W temperaturze pokojowej osłony kablowe z żywicy PVC są bardziej kwasoodporne w porównaniu z poliuretanowymi, jednak w przypadku ekstremalnie niskich lub wysokich temperatur kwas siarkowy może szybko dokonać zniszczeń w osłonach kablowych z PVC. Bez względu na treść arkuszy specyfikacji materiałowych, siarkowodór i kwas siarkowy należy uznać za substancje niebezpieczne dla każdego materiału poza kolektorami wydechowymi oraz innymi urządzeniami specjalnie zaprojektowanymi do wychwytywania i neutralizacji tych niebezpiecznych substancji.

Mając na celu zapewnienie bezpieczeństwa kabli, wyposażenia oraz obsługujących je pracowników, firma Molex Sensorcon oferuje analizatory do pomiaru stężenia siarkowodoru 2023150001 (ilustracja 3). Są to urządzenia ręczne z wyświetlaczem LCD służące do wykrywania i wyświetlania stężenia siarkowodoru, z rozdzielczością wykrywającą stężenia zaledwie 1 części na milion (ppm) i dochodzące do 400ppm.

Ilustracja 3: urządzenie Sensorcon 2023150001 firmy Molex to ręczny wykrywacz siarkowodoru działający z rozdzielczością od 1ppm do 400ppm. (Źródło ilustracji: Molex)

Wykrywacz siarkowodoru Sensorcon 2023150001 firmy Molex o stopniu ochrony IP67, może emitować dwa różne sygnały dźwiękowe uzależnione od wysokości stężenia gazu. Zgodnie z ustawieniami fabrycznymi, alarm niski rozlega się po osiągnięciu poziomu 10ppm, ale ustawienia te można zmienić ręcznie nawet do wartości 1ppm. Z kolei alarm wysoki został fabrycznie ustawiony na poziomie 15ppm, ale można go przestawić ręcznie na poziom 100ppm lub wyższy. Przy sygnalizowaniu poziomu alarmowego oprócz sygnału dźwiękowego wykrywacz może także wibrować, co stanowi użyteczną funkcję tego ręcznego urządzenia w hałaśliwym środowisku zakładu przemysłowego.

Analizator nadaje się do wykrywania niewielkich stężeń siarkowodoru przy podłodze oraz w szczególności w miejscach poniżej poziomu podłogi, gdzie gromadzą się gazy cięższe od powietrza. Jest on użyteczny w wykrywaniu siarkowodoru jeszcze zanim zapach zgniłych jaj dotrze wystarczająco wysoko, aby zostać zauważonym przez pracujących tam operatorów.

Silniki oraz większość procesów przemysłowych wydzielających siarkowodór wytwarzają także tlenek węgla, który jest gazem bezwonnym i toksycznym dla ludzi nawet w małych ilościach. Sensorcon, spółka zależna firmy Molex, oferuje wykrywacze tlenku węgla 2023100001 o tej samej konstrukcji fizycznej co wykrywacze siarkowodoru. Obecność tlenku węgla nie tylko stanowi zagrożenie dla pracowników, lecz także może wskazywać na niewykrytą obecność siarkowodoru. Obydwa urządzenia są przydatne w obiektach automatyki przemysłowej dla celów zapewnienia bezpieczeństwa ludzi i sprzętu.

Podsumowanie

Warunki panujące w obiektach automatyki przemysłowej mogą być bezlitosne dla zespołów kablowych, zwłaszcza tam, gdzie panują ekstremalne dodatnie lub ujemne temperatury i gdzie mogą występować niebezpieczne gazy oraz ciecze żrące. Zespoły kablowe klasy przemysłowej do łączenia czujników dają pewność, że komputery otrzymują dokładne dane z czujników, co z kolei gwarantuje prawidłowe i sprawne sterowanie systemami przemysłowymi, natomiast kable klasy przemysłowej do aktuatorów zapewniają właściwe i niezawodne sterowanie operacyjne. Tym samym dzięki zwiększeniu niezawodności i zmniejszeniu konieczności konserwacji obniża się koszty operacyjne.