Jakie złącze jest złączem wysokowytrzymałym i gdzie się je stosuje w łączności przemysłowej

W zastosowaniach przemysłowych do przesyłania energii elektrycznej, sygnałów z czujników i danych sterujących z elementów automatyki i do nich po kablach przez połączenia stosuje się szeroką gamę złączy. O tym, czym jest złącze wysokowytrzymałe (czasami skrót HDC w nazwach produktów złączy) decyduje zastosowanie, więc pojęcie to jest nieco względne. Istnieje wyraźna różnica między wzmocnionymi złączami przemysłowymi a lekkimi złączami RJ i IEC, które można znaleźć w czystych zastosowaniach automatyki wewnętrznej, w tym w podstawowych instalacjach sieci Ethernet i instalacjach o małej mocy.

Złącza wysokowytrzymałe mogą charakteryzować się większą ogólną wytrzymałością, a także zwiększoną ochroną przed wnikaniem, zmniejszoną palnością, szerokim zakresem temperatur roboczych, blokadami, ekranowaniem uziemienia lub po prostu bardziej niezawodnym połączeniem dzięki blokadzie zabezpieczającej.

Wysokowytrzymałe dławiki kablowe a złącza

Dławiki kablowe (czasami nazywane uchwytami do przewodów) to głównie elementy mechaniczne, które otaczają kable, przechodzące przez przegrody przemysłowych tablic sterowniczych, a także innych obudów, złączy i korpusów sterowników, wykonanych z blachy i twardego plastiku. Dławiki kablowe służą trzem celom. Dławiki:

• zabezpieczają kabel
• zapobiegają przetarciom kabla i innym rodzajom zużycia
• zapewniają uszczelnienie wokół fragmentu kabla, dając ochronę przed wnikaniem wilgoci do obudowy

Sposób w jaki dławiki kablowe przytrzymują kable zapobiega uszkodzeniom styków elektrycznych, w razie gdyby kabel został pociągnięty lub w inny sposób naruszony. Dławiki kablowe zapobiegają również ocieraniu powłok kabli o ostre krawędzie otworów w obudowie, dzięki temu, że wypełniają przestrzeń między kablami a tymi krawędziami. Bez dławików kablowych kable wykonujące nawet najmniejsze ruchy mogłyby zostać szybko uszkodzone ostrymi krawędziami otworów obudowy nawet do całkowitego przecięcia zewnętrznej izolacji i zwarcia żył kabla.

W przeciwieństwie do wspomnianych dławików kablowych (które otaczają kable) złącza stanowią zakończenie kabli i ogólnie pozwalają na wygodniejsze ich odłączanie oraz ponowne podłączanie, a także łączenie wielu komponentów i odcinków kabli. Zazwyczaj warianty wysokowytrzymałe tych złączy wyróżniają się co najmniej jedną cechą wzmacniającą.

Wysokowytrzymałe złącza kablowe mogą być wyposażone w zabezpieczenie wlotu kablowego w postaci uniwersalnego dławika kablowego, zacisku kablowego czy uszczelnienia i elementu zapobiegającego skręcaniu. Bez względu na formę mechaniczną, zabezpieczają one kabel i zapobiegają wyciąganiu go z zacisków. Ochrona wlotu kablowego może również zapobiegać zużyciu kabla, tak jak w przypadku oddzielnych dławików kablowych. Należy zauważyć, że powszechne w złączach o średniej wytrzymałości są wkładki lamelarne (dławiki z wieloma palcami), jednak wymagają one regularnego ponownego dokręcania, aby zapewnić ochronę przed wnikaniem. Często bardziej niezawodnym wyborem do zastosowań w trudnych warunkach są dławiki z pełnym uszczelnieniem, które zaciskają się wokół kabla.

Kaptur na niektórych wysokowytrzymałych złączach kablowych otacza przewody elektryczne wtyczki, zapewniając jednocześnie izolację i ochronę przed wnikaniem, a także stanowi swojego rodzaju tuleję blokującą lub zatrzaskową czy też dźwignię pozwalającą utrzymać połówki złącza razem.

W przypadku wielu wysokowytrzymałych złączy kablowych wkładka męska zawiera wtyki męskie, a także wkręty lub zaciski, w których żyły przewodzące stykają się z wtykami. W takich złączach wkładka żeńska zawiera gniazda komplementarne, a także zaciski zagniatane, w których żyły przewodzące stykają się z gniazdami.

Wzmocnione obudowy wysokowytrzymałych złączy kablowych są prawdopodobnie najbardziej rzucającym się w oczy elementem - często zapewniającym izolację i ochronę przed wnikaniem. Akcesoria mogą zawierać dodatkowe osłony ochronne i wskazówki dotyczące kodowania wtyków.

Ilustracja 1: złącza serii Han® mają kilka uzupełniających się funkcji, aby wytrzymać dość surowe warunki środowiskowe. (Źródło ilustracji: Harting)

Kody stopnia ochrony przed wnikaniem (IP) w złączach wysokowytrzymałych

Złącza wysokowytrzymałe zazwyczaj standardowo zapewniają też ochronę przed wnikaniem płynów i cząstek stałych. Stopień ochrony złączy podaje się przy użyciu tych samych kodów stopnia ochrony (IP), co w przypadku obudów. Pierwsza cyfra kodu IP oznacza ochronę przed ciałami stałymi, gdzie możliwe wartości mieszczą się w zakresie od 0 (czyli brak ochrony) do 6 (czyli całkowicie pyłoszczelna konstrukcja). Druga cyfra kodu IP oznacza ochronę przed płynami, gdzie możliwe wartości mieszczą się w zakresie od 0 (brak ochrony) do 8 (ciągła ochrona przed wodą na głębokości 1 m) lub nawet 9K - co oznacza ochronę przed strumieniami wysokociśnieniowymi. Na przykład złącze o stopniu ochrony IP67 jest odporne na wnikanie pyłu i chwilowe zanurzenie w wodzie.

Zastrzeżone odmiany złączy - dlaczego są tak powszechne?

Ze względu na silne uzależnienie złączy wysokowytrzymałych od mechanicznych funkcji zamykania i uszczelniania, wiele opcji dostępnych obecnie na rynku to albo zastrzeżone konstrukcje, albo warianty złączy do konkretnych zastosowań. Na przykład standardem w całych gałęziach przemysłu stały się złącza prostokątne do podłączania zasilania i sterowania z serii Harting Han. W rzeczywistości to złącze markowe jest czasami uważane za synonim terminu „złącze wysokowytrzymałe”.

Ilustracja 2: złącza serii Han (z 4 i 26 wtykami) są w pewnym sensie standardem branżowym - spełniają różne wymagania w zakresie transmisji danych i zasilania przy napięciach od 50 do 5000V i natężeniach prądu od 3 do 200A. Stosowane układy blokujące to jednodźwigniowa blokada Han-Easy zapewniająca łatwą obsługę jedną ręką i dwudźwigniowa blokada Han-Easy - zapewniająca bardziej niezawodne połączenie, większą szczelność i nadająca się do stosowania z połączeniami kabel-kabel. Kolejną solidną opcją jest blokada śrubowa zapewniająca maksymalną szczelność i mniejsze ryzyko nieuprawnionego użycia. (Źródło ilustracji: Harting)

Złącza serii Han posiadają umieszczone w prostokątnej osłonie wtyki, które pasują do odpowiednich gniazd w prostokątnej obudowie. Złącza są zazwyczaj wyposażone w dźwignie blokujące, które umożliwiają personelowi montażowemu łatwe i bezpieczne zamknięcie złącza - gwarantując brak możliwości jego rozłączenia, nawet przy dużych obciążeniach rozciągających.

Kaptury (przykręcane osłony złączy) są najczęściej spotykane na zakończeniach kabli zasilających; są dostępne w konfiguracjach z górnym i bocznym wejściem. Obudowy mogą być montowane na wkręty, powierzchniowo lub na grodziach, aby zapewnić połączenie z oprzyrządowaniem lub maszyną. Alternatywnie obudowy mogą również zakańczać kable w połączeniach typu kabel-kabel. Osłony i obudowy są zwykle produkowane ze stopów odlewniczych, jednak powszechnie stosowane są również obudowy ze stali nierdzewnej i tworzyw sztucznych. Niektórzy producenci oferują konfigurowalne złącza, które można grupować wewnątrz pojedynczego kaptura lub obudowy. Można w ten sposób uzyskać wyższą liczbę wtyków we wszystkich odrębnych modułach. Takie złącza są dostępne pod marką GWconnect HDC firmy Molex oraz HDC firmy TE Connectivity.

Wytrzymałe złącza kablowe do kabli transmisji danych i sygnałowych czujników są nieco inne. Tutaj prym wiodą złącza serii M. Są to solidne złącza wykorzystywane w różnych połączeniach przesyłania danych (w tym opartych na sieci Ethernet) oraz energii elektrycznej. Wytrzymałe złącza serii M są najczęściej stosowane w przemysłowych instalacjach sieci PROFINET, magistrali Fieldbus i przemysłowych sieci Ethernet do łączenia czujników, przełączników i sterowników PLC.

Jak opisano w poprzednich artykułach DigiKey, złącza serii M składają się z okrągłych złączy męskich i żeńskich ze standardowymi tulejami z gwintem metrycznym, osłaniającymi i chroniącymi wewnętrzne wtyki i gniazda. Standardowe rozmiary złączy to: 5mm M5, 8mm M8, 12mm M12, 16mm M16 i 23mm M23. Gwintowana tuleja zapewnia bardzo solidne i niezawodne połączenie, którego nie można łatwo rozłączyć i które zapewnia bardzo niezawodne połączenie elektryczne, minimalizując przerwy sygnałów. Tuleja również zapewnia złączom serii M wysoki poziom ochrony przed wnikaniem, co w wielu przypadkach może nawet umożliwiać stosowanie w środowiskach korozyjnych i wymagających spłukiwania. Najpopularniejszymi rozmiarami są złącza M8 i M12, z dwoma, trzema, czterema, pięcioma, ośmioma lub dwunastoma wtykami. Zazwyczaj trzy lub czterowtykowe złącza serii M obsługują czujniki i zasilacze, cztero- lub ośmiowtykowe złącza serii M obsługują urządzenia Ethernet i PROFINET, a cztero- lub pięciowtykowe - urządzenia Fieldbus, CAN bus i DeviceNet.

Ilustracja 3: złącza serii M są wykonane z aluminium o wysokiej wytrzymałości i wyposażone we wkręt zapadkowy do szybkiego i bezpiecznego łączenia kabli jedną ręką. (Źródło ilustracji: LEMO)

Połączenia transmisji danych używane w zastosowaniach przemysłowych to m.in. Ethernet, ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP i Profinet, jak również różne formaty zastrzeżone. Złącza RJ są standardem dla wszystkich implementacji sieci Ethernet, jednak nie zapewniają ochrony przed wnikaniem i nie są szczególnie wytrzymałe. Choć plastikowa wypustka po stronie męskiej zatrzaskuje się w gnieździe (aby trzymać połówki złącza razem), jest ona dość delikatna i umożliwia wyciągnięcie wtyczki z gniazda nawet przy umiarkowanym szarpnięciu. Dlatego złącza serii M są doskonałą opcją, jeśli instalacja automatyki porusza się i może dojść do przypadkowego naruszenia przewodu.

Jest tu jednak jeszcze jedno zastrzeżenie. Podczas gdy standardowe złącza serii M są odpowiednią opcją jeśli chodzi o złącza przemysłowe, uzyskanie niezawodnego połączenia (i znamionowego poziomu ochrony przed wnikaniem) zależy od prawidłowego dokręcenia gwintu złącza przez technika. Niektórzy dostawcy złączy starali się skupić na tym potencjalnym miejscu usterki, sprzedając złącza wtykowe z automatyczną blokadą. Być może najbardziej znanym z nich jest seria złączy Brad firmy Molex, które są bezpośrednim zamiennikiem standardowych złączy M12. Nie ma w nich gwintowanej tulei, która jest zastąpiona niezawodnym mechanizmem „push-to-lock”. Zwykłe ściśnięcie ze sobą połówek złącza zapewnia doskonałe zablokowanie i niezawodne połączenie bez ryzyka przerywania ciągłości sygnału lub rozłączenia połączenia. Złącza te są dostępne w różnych konfiguracjach i znajdują się wśród nich złącza typu push-on i pull-off o stopniu ochrony IP65.

Ilustracja 4: złącza Ultra-Lock to opcja z blokadą wtykową i pierścieniami okrągłymi, która zapewnia niezawodne połączenia i stopień ochrony IP69K. (Źródło obrazu: MOLEX)

W przypadku zastosowań w sieci Ethernet złącza serii M i Brad firmy Molex mogą również służyć do zasilania z wykorzystaniem standardu Power over Ethernet (PoE) w trzech konfiguracjach - wariant A, wariant B i 4PPoE - pozwalających na obsługę różnych poziomów przepustowości i mocy.

Złącza zasilania IEC do dużej mocy

Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) określa różne normy dotyczące złączy zasilania używanych w zastosowaniach domowych, komercyjnych i przemysłowych. Na przykład norma IEC 60320 mówi o złączach bez blokad o napięciu i natężeniu znamionowym odpowiednio 250V i 16A. Należą do nich duże, ale niewzmocnione złącza C13/C14, a także większe złącza C19/C20 powszechnie stosowane w sprzęcie elektronicznym do zastosowań przemysłowych - w tym zasilaczach komputerowych i obudowach serwerów. Te łączniki nie są zwykle uważane za złącza wysokowytrzymałe.

Natomiast złącza z blokadą IEC 60309 są wzmocnione i przeznaczone do stosowania w kablach przemysłowych, które przenoszą napięcia i prądy o wartościach odpowiednio do 1000V i 800A. Wszystkie złącza z blokadą IEC 60309 zapewniają w standardowych konfiguracjach pewien stopień ochrony przed wnikaniem - klasa IP44 daje ochronę przed rozbryzgami, klasa IP67 wodoszczelność, a klasa IP66/67 wodoszczelność i ochronę przed strumieniem.

Standard mówi też o blokowanych gniazdach wtykowych: złącza z tą funkcją nie pozwalają na zasilanie, chyba że są połączone z wtyczką, a wtyczki nie można wyjąć, dopóki nie zostanie wyłączone zasilanie. Poniższe kodowanie kolorami wskazuje dopuszczalny zakres napięcia i częstotliwości złącza.

• Kolor żółty oznacza, że złącze zasilania IEC 60309 jest odpowiednie do przenoszenia prądu o napięciu od 100 do 130V przy częstotliwości 50 lub 60Hz.
• Kolor niebieski oznacza, że złącze zasilania IEC 60309 jest odpowiednie do przenoszenia prądu o napięciu od 200 do 250V przy częstotliwości 50 lub 60Hz.
• Kolor czerwony oznacza, że złącze zasilania IEC 60309 jest odpowiednie do przenoszenia prądu o napięciu od 380 do 480V przy częstotliwości 50 lub 60Hz, często w konfiguracji trójfazowej.

Ilustracja 5: wzmocnione złącze oznaczone kolorem czerwonym jest zgodne ze standardem IEC 60309 do zasilania prądem o napięciu od 380 do 480V (źródło obrazu: Wikimedia Commons)

Podsumowanie

Złącza wysokowytrzymałe muszą spełniać różne wymagania. Czy złącze będzie musiało wytrzymać zgniecenie pod wpływem obciążeń udarowych lub rozerwanie? Czy potrzebna jest ochrona przed wnikaniem pyłu lub wody? Jakie temperatury będzie musiało wytrzymać złącze? Czy złącze wysokowytrzymałe będzie instalowane w miejscach, w których problemem jest łatwopalność?

Należy również wziąć pod uwagę liczbę wtyków oraz napięcie i natężenie prądu, które mają być przenoszone przez każdy z nich - wraz z kierunkiem wprowadzania kabla i poziomem ochrony kabla. W maszynach zautomatyzowanych, w których kable i złącza mogą być narażone na ruch, należy zapewnić odpowiednie dławiki i zaciski kablowe. Rozsądnym rozwiązaniem mogą też być elementy zabezpieczające przed skręceniem.

W przypadku odbiorników elektrycznych, które są stosunkowo lekkie, ale pracują w trudnych warunkach, odpowiednim wyborem będą często złącza serii M i ich modyfikacje. W przypadku większych odbiorników elektrycznych lepszym rozwiązaniem mogą być złącza prostokątne, zwłaszcza, że można je skonfigurować tak, aby spełniały niemal dowolne złożone wymagania, w tym miały różne kierunki wprowadzania kabla, opcje montażu i ogólnie modułowe konstrukcje. W pozostałych przypadkach z prostymi połączeniami zasilania do jedno- lub trójfazowego źródła prądu przemiennego, wiodącym (jeśli nie jedynym) wyborem są złącza przemysłowe z blokadami IEC 60309.