Konfigurer industrielle sensorer og aktuatorer hurtigere, sikkert og pålideligt med sensoraktuatorbokse

Designere af moderne industriel automatisering (IA) udstyr kan sætte pris på, hvor hurtigt de kan udvide til at strække sig på tværs af hundredvis af kvadratmeter inde i et anlæg. Kørsel af separate kabler mellem kontrolcomputeren og eventuelle nærhedssensorer og mekaniske enheder i procesområdet kan rode anlægsgulvet og forsinke den tid det tager at konfigurere dette udstyr. Desuden kan udskiftning eller omkonfigurering af en eksisterende sensor eller aktuator kræve, at der skal føres endnu et kabel mellem processtedet og styringscomputeren, hvilket gør vedligeholdelsen langsommere. Problemet vokser kun med presset for at forbinde flere systemer til IoT for at spore dem på et remote via cloud'en.

For at forenkle disse forbindelsesproblemer kan designere af industrielle systemer bruge sensor-aktuatorbokse (også kaldet koblings- og fordelingsbokse). Ved hjælp af disse enheder kan mange sensorer og aktuatorer tilsluttes ved at køre en masterledning fra kontrolcomputeren til en boks, der slutter i mange stik på processtedet, hvilket forenkler gulvkabler.

I denne artikel vil vi kort diskutere de problemer, der er forbundet med IA-forbindelse. Derefter præsenteres tre eksempler på sensor-aktuatorbokse fra den virkelige verden fra Molex, Alpha Wire og Phoenix Contact der viser, hvordan de kan forenkle ledningsføring i et industrielt miljø og samtidig lette vedligeholdelse og konfiguration.

Tilslutning af styringscomputere til sensorer og aktuatorer

Mange styringscomputere i industrielle automatiseringsmiljøer er praktisk placeret i nærheden af det udstyr, de styrer. Kablerne fra computeren til sensorerne og aktuatorerne kan være relativt korte, ofte omkring en eller to meter. I nogle industrianlæg kan kontrolcomputerne imidlertid være placeret mange meter væk, hvilket kræver, at der skal føres flere kabler mellem de to steder. Dette er almindeligt ved robotter i samlefabrikker, transportbånd og ligeledes i store industrikøretøjer som f.eks. lastbiler og fly. I nogle situationer kan procesområdet være farligt, idet stedet kan være udsat for skadelige kemikalier eller ekstreme temperaturer. I denne type maskiner er kontrolcomputeren ofte placeret på en sikker, beskyttet afstand for at maksimere pålidelighed.

Konventionel ledningsføring i sådanne situationer ville indebære, at der skulle trækkes flere kabler fra kontrolcomputeren til hver sensor og aktuator. Dette er ikke altid en ligetil operation. Der skal anvendes de korrekte kabeltermineringsstik i hver ende af sensor- eller aktuatorkablet. I mange farlige miljøer kan det tage længere tid end forventet at sikre, at kablet er sikkert og korrekt ført. Endelig forsinker den tid, det tager at konfigurere og tilslutte kablerne til hver sensor og aktuator, implementeringen og øger omkostningerne. Hvis anlægget skal lukkes ned for at udskifte eller konfigurere mere end én sensor eller aktuator, vil det øge nedetiden og dermed omkostningerne yderligere, nogle gange dramatisk, afhængigt af anlægget.

Sensor-aktuatorbokse

En sikker og omkostningseffektiv løsning er, at en IA-facilitet anvender sensor-aktuatorbokse. Disse bokse samler alle sensor- og aktuatorkabler fra styringscomputeren i et enkelt hovedkabel, ofte kaldet et kabel, som løber til procesområdet. Kablet afsluttes nær procesområdet i en enkelt robust stikdåse, der indeholder stikdåser, normalt otte eller flere M12-stik. Sensoraktuatorbokse kaldes også undertiden for koblings- og fordelingsbokse og også IO- eller I/O-bokse. Tilslutningsboksen med de monterede M12-bøsninger er en forseglet, forkablet enhed, der er klassificeret IP67 eller bedre.

Hjemmekabel til alle sensorer og aktuatorer skal kun føres og placeres én gang. Dette er en fordel, når kablet skal føres i trange områder, da teknikerne ikke behøver at bruge ekstra tid på at sno sig ind og rundt i trange rum.

Med en sensor-aktuatorboks skal en tekniker i stedet for at tilslutte udstyr ved at føre et langt kabel mellem kontrolcomputeren og procesområdet for hver sensor og aktuator tilslutte den ene ende af et afkortet kabel til den nærliggende sensor-aktuatorboks og den anden ende til udstyret. Dette kan være så hurtigt som få sekunder, hvilket minimerer den tid, som installatøren bruger i procesområdet. Det forenkler vedligeholdelsen og forbedrer sikkerheden, samtidig med at det sparer tid og reducerer fejl.

Valg og brug af sensor-aktuatorbokse

Sensoraktuatorbokse fås i mange forskellige designs, men nogle af de faktorer, der skal tages i betragtning, er synlighed, robusthed, materialetype, vægt, formfaktor, antal stik, strømføringsevne, monteringsmuligheder og IP-klassificering for støv, fugt og gasindtrængning, for blot at nævne nogle få.

For eksempel har Molex Brad Safety MPIS-distributionsboksefamilien (Multiport Interconnection System) til særligt robuste miljøer, f.eks. i industritrucks og lagerhuse, hvor udstyret kan blive udsat for kraftige stød, til rådighed. Disse kasser til tungt brug er fremstillet af polybutylenterephthalat (PBT), som er både let og stærkt og kan klare store påvirkninger fra tungt udstyr eller endda en påvirkning fra et kørende køretøj.

Molex 1202480510 MPIS 8-ports fordelingsboks med 8 porte understøtter op til 4 ampere (A) pr. port, med et maksimum på 12 A for alle otte porte tilsammen (Figur 1). For at lette forbindelsen har hver port en fordybning til en snap-in-etiket af ABS-plast (acrylonitrile butadiene styrene). Disse etiketter er mere robuste og river ikke i stykker sammenlignet med papiretiketter.

Figur 1: Molex 1202480510 MPIS er en sensor-aktuatorboks med otte M12-bøsninger. For at gøre det nemt at forbinde hver port har hver port en snap-in etiket af robust ABS-plast. (Billedkilde: Molex)

Molex 1202480510 er lys orange for at gøre den let synlig og er klassificeret IP67, hvilket gør den egnet til brug i snavsede, støvede og fugtige miljøer og ved temperaturer fra -25 °C til +85 °C. Hjemmeledningskablet er 5 meter (m) langt og understøtter en brugerdefineret kabelterminering, som typisk er et M23-stik, men kan være et hvilket som helst stik, der er nødvendigt for applikationen. Hver forsænket M12-bøsning har otte stifter i en industristandardkonfiguration. Hver port har en gylden lysdiode, der viser, at en port er tændt. Dette hjælper med hurtigt at verificere, at en port er aktiv, hvilket er nyttigt under konfigurationen og ved diagnosticering af forbindelsesproblemer.

Molex-sensorens aktuatorboks har to slidshuller til M4-monteringsskruer. Dette gør det muligt at montere boksen på udstyr eller solidt på en væg. Boksen skal monteres på et sted, hvor de otte M12-bøsninger er let tilgængelige, og den skal være tilstrækkelig sikker, så kraften fra at skubbe et M12-stik ind i dets bøsning ikke forskubber det.

Letvægts sensor-aktuatorboks applikationer

Til anvendelser, hvor vægten er et problem, f.eks. i fly eller visse industrikøretøjer, tilbyder Alpha Wire Alpha Connect-familien af passive fordelingsbokse, herunder Alpha Connect 901-10M NC032 8-port sensor-aktuatorboks (Figur 2). Denne Alpha Connect-boks er fremstillet af letvægtszinklegering, som er velegnet til fly, små lastbiler og batteridrevne køretøjer som f.eks. gaffeltrucks og små jordflytningsmaskiner, hvor hvert eneste gram tæller. Den har et 10 m kabel til hjemtransport, hvilket er velegnet til fly og køretøjer, hvor den korteste afstand mellem to punkter ofte ikke er en lige linje, men en snoet passage. Boksen er passiv og har ingen LED-indikatorer for portene. Den neutrale beige farve gør, at den passer ubemærket ind i mange miljøer.

Enheden indeholder to støvdæksler til at holde to ubrugte beholdere rene for forurening. Sensorens aktuatorboks med tilhørende stik er klassificeret IP67. Udelukkede stikdåser er klassificeret til IP65 og bør derfor have støvdæksler monteret for at sikre IP67-beskyttelse.

Figur 2: Alpha Wire 901-10M NC032-sensorens aktuatorboks er fremstillet af en let zinklegering. De otte M12-udtag stikker ud over huset, så det er nemt og hurtigt at sætte stikkene sammen. De to medfølgende støvdæksler i højre forgrund holder de ubrugte beholdere rene. (Billedkilde: Alpha Wire)

Hver M12-bøsning har fem stifter. For at lette installationen under den første opsætning er standard M12-kabelfarvekoden og funktionerne for hver pin trykt på siden af sensorens aktuatorboks. De otte M12-bøsninger er ikke forsænket, men stikker i stedet ud over zinklegeringshuset. Det giver en hurtig og nem tilslutning, hvilket er vigtigt i et travlt industrielt miljø.

Alpha Wire 901-10M NC032 sensor-aktuatorboksen er klassificeret til -40 °C til +80 °C, hvilket gør den velegnet til meget kolde industrielle miljøer, som både fly og visse køretøjer er udsat for.

Kompakt sensor-aktuatorboks

Til små, pladskrævende applikationer har Phoenix Contact designet 1692404 4-ports sensor-aktuatorboksen (Figur 3). Denne boks har ikke et kabel til hjemtransport og kræver et separat M23-kabel til tilslutning til kontrolcomputeren, hvilket gør det nemt at flytte boksen. Det giver også mulighed for nem vedligeholdelse og udskiftning af kablet, hvis det bliver beskadiget.

Figur 3: Phoenix Contact 1692404 sensoraktuatorboksen har fire 4-pin M12-porte. Det kræver en ekstern M23-kabelkonfiguration for at forbinde den til kontrolcomputeren. (Billedkilde: Phoenix Contact)

1692404 er fremstillet af polyamid, som har en høj modstandsdygtighed over for benzin, motorolier og opløsningsmidler, der normalt findes i nærheden af motorer. Polyamid har også en ekstremt høj trækstyrke og kan klare ikke-styrtspænding og bøjning bedre end de fleste andre materialer. Enheden er IP67-klassificeret og har en driftstemperatur på -20 °C til +75 °C, hvilket gør den velegnet til hård håndtering i lagerhaller, kontorbygninger og områder, hvor der ofte arbejdes i nærheden af kemikalier.

Hver af de fire M12-stik kan håndtere op til 4 A, med et samlet maksimalt nominelt strømforbrug for enheden på 12 A. Hver af de fire M12-porte har en gul lysdiode, der viser, når porten er korrekt forbundet og fungerer. M23-porten har en grøn lysdiode, der viser, at hjemmeledningskablet er korrekt tilsluttet og forsyner boksen med strøm. Dette er nyttigt til diagnosticering under opsætning og konfiguration. Alle sensorer og aktuatorer, der er tilsluttet de fire M12-bøsninger, kan nemt afmonteres ved at fjerne den enkelte M23-stikdåse. Dette øger sikkerheden og reducerer nedetiden under vedligeholdelse og omkonfigurering.

Konklusion

Sensor-aktuatorbokse kan spare tid ved vedligeholdelse og opsætning, samtidig med at de sikrer pålidelig forbindelse mellem styringscomputere og sensorer/aktuatorer. Mange sensorer og aktuatorer kan nemt tilsluttes lokalt i procesområdet i stedet for at skulle føre alle kablerne individuelt til styringscomputeren. Et korrekt valg af materialer sikrer, at boksen fungerer pålideligt i det industrielle miljø, den skal bruges i.