Muligheder for stik, indføringer og greb til kabler til industriel automatisering

Der findes forskellige stik til at forbinde kabler og komponenter, der anvendes i industriel automatisering. Disse stik skal overføre alle strøm- og datasignalstrømme, der transporteres via kablerne, samtidig med at de afslutter linjen på en måde, så lederne forbliver tæt forbundet og beskyttet. Udfordringen er, at udstyr i forbindelse med industriel automatisering ofte befinder sig i beskidte, varme, mobile og elektrisk støjende omgivelser ... så industrielle kabelstik kræver et niveau af robusthed og pålidelighed, som ikke er nødvendigt for andre applikationer.

Først skal du overveje nogle grundlæggende principper for industrikontakter: Forbindelseselementer omfatter de komponenter, der klassificeres som koblere (som forbinder to kabler) samt systemer, der omfatter både stik- og stikdåsehalvdelene af en forbindelsesenhed. I nogle sammenhænge kan udtrykket stik også referere til kabelforskruninger - afslutninger, der passerer igennem kabler ... ofte med en frit drejende underkomponent, der komprimerer en O-ring omkring kabelenden for at lukke den mod kemikalier, flammer, snavs og fremmede strømme.

Industrielle kabelstik forbinder kabler (mere almindeligt) ved front- og bagmonterede udstyrsudtag. Alle stik og kabelforskruninger har IP-klassificeringer (IP) som defineret i IEC 60529, der kvantificerer deres modstandsdygtighed over for snavs og fugt. Disse klassifikationer er de samme som dem, der anvendes til at beskrive robustheden af komponenthuse og kabinetter til industrielt udstyr. En IP-kode har to cifre, og højere værdier angiver et højere beskyttelsesniveau for begge dele.

Det første IP-klassifikationsciffer angiver beskyttelsesniveauet mod faste genstande som f.eks. støv - fra 0 for ingen beskyttelse til 6 for støvtæt forsegling.

Det andet IP-klassifikationsciffer angiver beskyttelsesniveauet mod væsker - fra 0 for ingen beskyttelse til 8 for kontinuerlig beskyttelse mod vand i en dybde på 1 m.

Figur 1: Her er illustreret, hvad de forskellige IP-klassifikationer i IEC 60529 angiver. Kabelkontakters IP-klassificering er af afgørende betydning. (Billedkilde: connectortips.com)

Sammenligning af RJ- og M12 Ethernet-stik til automatisering

Ethernet defineret af IEEE 802.3 er fortsat den mest udbredte LAN-teknologi (Local Area Network) overalt. Ethernet-baserede kommunikationsstandarder til industriel automatisering omfatter ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP og Profinet. De stik, der almindeligvis forbindes med Ethernet-kabler, er de allestedsnærværende RJ-stik (RJ-stik). De fleste RJ-stik omfatter et stik med en simpel plastikflig, der klikker ind i den tilsvarende geometri på en RJ-sokkel for at holde de to stik sikkert sammen. Stikkene og stikkontakterne passer nemt til kabler - og installationspersonalet kan samtidig klemme dem fast og lave de elektriske kontakter ved hjælp af et særligt crimpværktøj. Crimpterminatorer gør det muligt at konstruere specialtilpassede kabler (monteret på stedet), som er rimeligt pålidelige. Stikunderkomponenter, der er beregnet til en sådan installation på stedet, har ofte tydelige karrosserier, så installationspersonalet kan inspicere alle interne kontakter, før de tages i brug. Når det er sagt, er pålideligheden af fabriksmonterede kabler uovertruffen.

Figur 2: Dette er en TL2253-ND håndcrimper, der gør det muligt at foretage RJ-stikterminering i marken af fire-, seks- og otte-ledede Ethernet-kabler, der er skåret i længden. Med et enkelt tryk på værktøjets knive stripper du flade eller runde Cat5e- og Cat6-stik af og fastgør stikkontaktens krop. (Billedkilde: Tripp Lite)

Hvis RJ-stik ikke er robuste nok til et bestemt industrielt miljø, kan M12-stik være bedre. Det skyldes, at M12-stik giver en mere pålidelig og fysisk robust forbindelse - med den ekstra fordel, at de er beskyttet mod indtrængen af støv og væsker.

Figur 3: RJ-stik som dem, der er vist her, er de mest almindelige på Ethernet-kabler. Der findes dog også andre typer stik til brug på Ethernet-kabler. (Billedkilde: Getty Images)

Power over Ethernet (PoE) defineret af IEEE 802.3 er en praktisk måde at få både data og elektrisk strøm via et enkelt kabel. PoE-alternativ A (ofte kaldet mode A) bruger de samme to parsnoede par til at overføre både data og strøm, så der kan bruges kabler med færre kerner - og båndbredden er begrænset til 100 Mbps (100BASE-TX). PoE-alternativ B (ofte kaldet mode B) bruger et Cat 5 Ethernet-kabel med fire par med fire snoede par - to par, der transporterer data, og to par, der transporterer strøm. Dette reducerer den båndbredde, der er til rådighed for data, og begrænser datahastigheden til 100 Mbps, selv når kablerne er beregnet til Gigabit Ethernet.

4PPoE- eller fireparskabel kræver et kabel med fire snoede par af ledertråde, der alle overfører både strøm og data. Det betyder, at højere datahastigheder (Gigabit Ethernet og derover) og strømme understøttes. Enheder, der modtager strøm via PoE, skal konfigureres til at acceptere tilstand A eller tilstand B, som den leveres. Når det er sagt, kan de bruge fast eller vekslende modstand på tværs af ledningsparrene for at angive kompatibilitet og anmode om en bestemt strømkonfiguration. Det er naturligvis PoE-strømforsyningerne (forsyningsudstyret eller PSE), der faktisk bestemmer systemets PoE-tilstand.

Figur 4: Stikdesignet er i høj grad dikteret af det kabel, som det afsluttes med. M12 Ethernet-kabelstik som dem, der er vist her, er generelt mere robuste end RJ-stik; nogle producenter farvekoder dem for at angive kompatibilitet med PoE-tilstande og ledningsarrangementer. (Billedkilde: Lumberg Automation)

Afslutninger til både data- og strømkabler (samt netværkskabler som industriel Ethernet, PROFINET og Fieldbus) er M-serie-stik - runde stik med en gevindskåret hunhætte (til montering på en hankontakt), der er viklet rundt om en række ledende ben. M8- (8 mm) og M12- (12 mm) gevind er de mest almindelige, men M5, M16 og M23 er også velkendte standarder. Den positive (skrue-) lukning af M-seriens stik sikrer en yderst pålidelig forbindelse, der minimerer afbrydelser i signalerne, samtidig med at den beskytter mod det miljømæssige snavs, der er så almindeligt i vaske- og korrosive miljøer. Det er ikke underligt, at M-seriens stik er en topstandard på kabler til aktuatorer, PLC'er, sensorer, switche og styringer i industriel automatisering.

M8- og M12-stik kan have to, tre, fire, fire, fem, otte eller 12 ben (også kaldet positioner). Sensorer og strømforsyninger kræver normalt tre eller fire ben. Til M-seriens stik i enderne af Ethernet- og PROFINET-kabler er der brug for fire eller otte ben. I modsætning hertil har enderne af kabler, der transporterer Fieldbus-, CAN-bus- og DeviceNet-data, normalt fire eller fem ben. Kabler, der transporterer flere data- og strømstrømme, kan naturligvis kræve terminering med et M-serie-stik med alle 12 ben.

Figur 5: Dette Brad Ultra-Lock 120108-vinkelkonnektor er en proprietær tilpasning af et M12-konnektordesign for at øge pålideligheden. (Kilde: Molex)

Faktisk er et beslægtet stik-modtagedesign, der er ret almindeligt i branchen, pin-array-and-socket-parret - oprindeligt introduceret af Molex, så det kaldes nogle gange Molex-forbindelser i daglig tale. Den proprietære Molex Brad-serie af stik er baseret på M12-stik, men erstatter den gevindskårne muffe med et mere praktisk og pålideligt push-to-lock-system. Da låsningen ikke afhænger af, at operatøren strammer et gevind, sikrer den pålidelighed og minimerer risikoen for et afbrudt signal. Brad-stikvarianter omfatter:

• Brad Micro-Push M12-stik - et push-on- og pull-off-stik med IP65-beskyttelse
• Brad MX-PTL M12 push-to-lock-stik med IP65-beskyttelse
• Brad Micro-Change M12 gevindforbindere med IP67-beskyttelse
• Brad Ultra-Lock- og Ultra-Lock EX M12-stik med push-to-lock-fittings og O-ringe til fuld IP69K-beskyttelse mod indtrængen.

Koaksialstik til højfrekvente signaler

Koaksialkabler (udstyret med koaksialstik) anvendes også i industriel automatisering til overførsel af højfrekvente signaler - især til vibrationsovervågning og analog signaloverførsel. Der er masser af standarder.

BNC-stik har en bajonetfastgørelse, som kræver en kvart omgang for at tilslutte eller afbryde forbindelsen. De kan anvendes til frekvenser på over 12 GHz og i nogle tilfælde op til 18 GHz. DIN 0,4 til 2,5-stik er meget små push-fit-stik, der er velegnede til frekvenser på op til 3 GHz. I modsætning hertil er DIN 1.0/2.3-stik små push-fit radiofrekvensstik, der er meget udbredte inden for digital telekommunikation.

Modulære og brugerdefinerede kabler til automatiserede maskiner bliver stadig mere udbredt

Med konventionelle metoder til systemintegration bliver kabler "lavet" - målt, skåret og afsluttet - på stedet under installationen af det automatiserede udstyr. Det betyder normalt, at en elektriker på stedet klipper de nødvendige kabler til, afisolerer alle ledernes sarte kappe og monterer de nødvendige stik til at forbinde de pågældende komponenter med kablerne. En sådan forberedelse af kabler i marken er tidskrævende og fører til varierende forbindelseskvalitet. Derfor er tendensen nu at købe modulære kabel- og stiksystemer, der består af standardkabler og fabriksmonterede stik. De nødvendige kabellængder bestemmes under konstruktionen og leveres klar til installation.

Nogle anslår, at modulære kabler reducerer installationstiden på stedet med 60-70 %, samtidig med at de forbedrer pålideligheden af de elektriske forbindelser.

Det særlige tilfælde af kabelforskruninger

Kabelforbindere, kaldet indføringer, anvendes overalt, hvor kabler passerer igennem et kabinet. Indføringer tjener tre formål - de sikrer kablet, forhindrer kabelslitage og giver en tætning omkring kablet for at beskytte komponenterne i kabinettet mod snavs fra omgivelserne. Den måde, hvorpå kabelforskruninger fastgør kablet, forhindrer i det væsentlige skader på elektriske kontakter ved at trække i kablet eller andre forstyrrelser. Det forhindrer også, at kablet skraber eller gnider mod den skarpe metalpladekant i kabinettets udskæringer. Det er vigtigt, fordi metalplader nemt kan save sig igennem kabelkapperne og i sidste ende forårsage kortslutning af kabelkernerne.

Ved mindre krævende anvendelser anvendes ofte lamelforskruninger med flere fingre, der klemmer om kablet. Denne type indføring er billigere, men kræver regelmæssig efterspænding for at opretholde beskyttelsen mod indtrængen. Indføringer af højere kvalitet anvender en kontinuerlig forsegling, der klemmer sig om kablet. Denne type kirtel er meget mindre tilbøjelig til at løsne sig med tiden.

Konstruktion af nutidens industrielle strømkontakter

Enheder, der anvendes til industriel automatisering, kræver ofte en kablet strømforsyning ud over en dataforbindelse. Den relativt nye teknologi PoE, der er nævnt tidligere, er at foretrække, hvor det er muligt at bruge den, fordi den gør kabling så enkel. Langt de fleste automatiseringskomponenter og -systemer kræver dog traditionelle strømkabler.

Stikkontakter, der er standardiseret af den internationale elektrotekniske kommission (IEC), er almindelige på strømkabler til forbruger- og kontorbrug samt til industrielle anvendelser. IEC definerer en række ikke-låsbare stik i IEC 60320-standarden med spændinger på op til 250 V og strømstyrker på højst 16 A. Her anvendes C13/C14-stikket almindeligvis til elektronisk udstyr - herunder strømforsyninger til computere. Større C19/C20-koblere anvendes i enderne af kabler, der transporterer højere strømstyrke - f.eks. i serverkabinetter.

Figur 6: Strømkabler til generelle formål omfatter en række IEC- og andre standardstik. (Billedkilde: Getty Images)

Til mere kritiske eller krævende applikationer foretrækkes ofte IEC 60309-stik. Disse stik, stikkontakter og koblinger er udtrykkeligt beregnet til industriel brug og kan bære spændinger på op til 1.000 V, strømstyrker på op til 800 A og frekvenser på op til 500 Hz. Alle disse stik giver en vis grad af modstand mod vandindtrængning: IP44-stik er stænktætte, IP67-stik er vandtætte, og IP66/67-stik kan pålideligt forhindre indtrængen af vand, selv når de udsættes for vandstråler under tryk. Stikkontakter kan også være låst, så stikkontakten ikke kan aktiveres, medmindre den er forbundet med et stik - og stikket kan ikke fjernes, før strømmen er slukket.

Figur 7: Bemærk farvekodningen (i overensstemmelse med IEC 60309) af dette højtydende kabelstik. (Billedkilde: Railway Tech)

Der anvendes forskellige størrelser af IEC 60309-stik til forskellige strømstyrker. Stikkene er også nøgle- og farvekodet for at angive deres spændings- og frekvensområde:

• Gul angiver en spænding på 100 til 130 V ved 50 til 60 Hz
• Blå angiver en spænding på 200 til 250 V ved 50 til 60 Hz
• Rødt angiver en spænding på 380 til 480 V ved 50 til 60 Hz - ofte i en trefaset konfiguration

Konklusion

Der er mange geometri- og integrationsmuligheder, når det kommer til valg af stik og indføringer til industriel automatisering. Ved specifikationen af et kabel til en given automatiseret maskine skal konstruktørerne først og fremmest tage hensyn til antallet af kabelkerner og kernes tykkelse. Beskyttelse mod indtrængen og behovet for en positiv lås for at forhindre afbrydelser af signaler er de næstvigtigste overvejelser.