Specialfremstillet kabel til industriel automatisering

Automatisering sparer arbejdskraft, energi og materialer og øger samtidig nøjagtigheden og kvaliteten. Men en potentiel sårbarhed er, at nutidens industrimaskiner og -operationer - som har en hidtil uset systemkompleksitet - er særligt afhængige af stabile forbindelser til overførsel af strøm, kontrol og driftsdata. Ethvert brud på denne forbindelse kan føre til store forstyrrelser i gennemstrømningen og dyre skader på maskiner eller slutprodukter.

Derfor er pålideligheden af industrielle kabelløsninger til at forbinde alle styringer, sensorer og aktuatorer i automatiserede systemer afgørende for at minimere uplanlagt vedligeholdelse og opretholde pålideligheden af automatiserede operationer.

Figur 1: Industrikabler i automatiserede omgivelser anvendes til distribution af elektrisk strøm samt til overførsel af styresignaler og data (til dataindsamling og overvågning af drift). Kabelsamlinger, der kombinerer disse funktioner (som f.eks. ÖLFLEX CONNECT-kabelløsninger fra Lapp USA), er på vej frem. (Billedkilde: Lapp USA)

Pålidelige kabler kræver robust jording, ledningsstrenge og stik, og der er mange andre overvejelser. For eksempel er afskærmning mod elektromagnetisk interferens (EMI) afgørende for at sikre pålidelig styring og dataoverførsel. På bevægelige akser skal kablerne også være fleksible nok til at kunne modstå tusindvis af bøjningscyklusser. Isoleringen omkring hver enkelt ledende tråd skal også være robust og slidstærk.

Til industri-automatiseringsapplikationer med særligt krævende krav er det derfor stadig mere almindeligt at bruge specialfremstillede kabler. Nye muligheder for afskærmning, isolering, robusthed af kappen og formfaktor hjælper ingeniører med at skræddersy kabler til deres applikationer for at opnå fuld optimering.

Modulære kabler i forbindelse med industriel automatisering

Modulære kabler og stik er fabriksmonterede produkter, der anvender et standardiseret sæt af delkomponenter, som ofte klipses eller klemmes sammen for at sikre hurtig og ekstremt pålidelig drift. Det er ikke underligt, at tilpassede kabelsamlinger baseret på modulære delkomponenter bliver mere og mere almindelige inden for industriel automatisering - og også i andre brancher som f.eks. byggebranchen.

Modulære kabler kan reducere installationsarbejdet på stedet med ca. 60-70 % sammenlignet med traditionelle kabelsæt. Det skyldes i høj grad, at modulære kabelsamlinger eliminerer behovet for, at anlægspersonalet eller integratorteknikere fysisk skal forbinde elektriske ledere og udføre test og fejlfinding på stedet. Faktisk kræver de fleste traditionelle kabelinstallationsprocesser, at en elektriker skærer kablet til de nødvendige længder, afisolerer kappen og drejer forbindelserne i hånden. Modulære kabler eliminerer disse besværlige opgaver og øger samtidig pålideligheden, fordi alle tilpasninger, skæring, tilslutning og slutbehandling igen udføres med gentagelige fabriksprocesser. Desuden gennemgår kabler fra leverandører, der sælger tilpassede samlinger, normalt automatiseret testning, før kablet sendes. På den måde er de applikationsspecifikke kabler fuldt specificeret i konstruktionsfasen - og installationen på stedet består blot i at sætte kablerne i maskinkomponenterne.

Figur 2: Brugerdefinerede kabelsamlinger kan spare elektrikere for ledningsføring og testning på stedet, som vist her.

Afskærmning for at beskytte transmissionskvaliteten

Med stadig mere komplekse systemer, der omfatter overførsel af strøm-, kontrol- og datasignaler, er moderne industrimiljøer elektrisk støjende. Derfor skal følsomt udstyr og signaler beskyttes mod EMI. Disse elektriske kredsløbsforstyrrelser skyldes elektromagnetisk induktion, elektrostatisk kobling og ledelse. Faktisk kan det være nødvendigt at afskærme kabler i elektrisk støjende omgivelser for at forhindre udbredelsen af EMI, fordi:

• Kablerne kan være udsat for forstyrrelser fra EMI, der stammer fra andre steder
• Selve industrikablerne kan være kilde til EMI
• Kablerne kan ellers fungere som en antenne, der udstråler støj

Motorer, generatorer, transformere, induktionsvarme og strømkabler kan alle være kilder til høje EMI-niveauer. Kontrol- og datakabler i umiddelbar nærhed af disse kilder skal afskærmes. Meget følsomme signaler kan kræve afskærmning, selv om de befinder sig i nogen afstand fra EMI-kilden.

Afskærmning kan være i form af et bur, der omslutter hele den automatiserede operation, et metalkabinet eller et rør, der omslutter kablerne, eller (som det diskuteres i detaljer her) indbygget direkte i kablerne.

Afskærmning mod EMI på kablet kan ske med en Faraday-afskærmning (som er et sammenhængende dække af ledende materiale omkring kabellederne) eller et Faraday-bur (som er et ledende net omkring kabellederne). Førstnævnte er normalt fremstillet af folie og sidstnævnte af flettet tråd.

Folieafskærmninger består ofte af tyndt aluminium for at give en kontinuerlig afskærmning, som er billig og fleksibel, men vanskeligere at jordforbinde.

Flettede ledninger er et vævet net af kobbertråd, som er nemmere at forbinde til jorden, men som i nogle tilfælde ikke giver 100 % dækning - da små åbninger kan tillade højfrekvente signaler at trænge igennem. Så for at et Faraday-bur kan fungere, skal alle huller eller mellemrum i nettet være betydeligt mindre end bølgelængden af den stråling, der skal blokeres. Nogle producenter fortinker deres flettede afskærmningskabler for at forbedre beskyttelsen mod EMI. Andre sikrer rene signaler i meget støjende miljøer med flere lag af afskærmning - f.eks. mellem de enkelte par og rundt om hele kablet. En sådan afskærmning kan være dyrere og mindre fleksibel end andre muligheder.

Både bure og skærme er ledere, der reflekterer elektromagnetisk stråling for at forhindre, at strålingen når ind til kablets ledende tråde. Afskærmning i kabler er typisk placeret mellem isoleringslagene, der omgiver de ledende ledninger. Derefter er denne afskærmning normalt forbundet til jord for at muliggøre en effektiv spredning af EM-energien.

Figur 3: ÖLFLEX CONNECT SERVO-kabler fra Lapp USA omfatter strøm- og datakobling samt stik til at forenkle brugen med Siemens-, Rockwell/AB-, Indramat-, Lenze- og SEW-drev og servomotorer. EMC-afskærmningen i disse kabler udføres af producenten i en automatiseret proces, der fjerner kabelkappen og spreder afskærmningen til 360° kontakt med stikket. (Billedkilde: Lapp USA)

Muligheder for isolering af industrikabler

Isolering er det ikke-ledende materiale, der omgiver en elektrisk ledning. Ud over at forhindre ledning mellem ledninger eller til jord tjener den ofte også til at beskytte mod slid og indtrængen af væsker. Det er vigtigt at bemærke, at isolering alene ikke udgør nogen barriere mod EMI, idet magnetfelter og stråling passerer lige igennem den. Følgende er nogle af de mest almindelige isoleringsmaterialer.

Polyvinylchlorid (PVC ) er en billig og almindeligt anvendt isolering. Det har et temperaturområde på ca. -55° til +105°C og er modstandsdygtigt over for almindelige opløsningsmidler og brændstoffer. Kapacitans og dæmpning fører til et vist effekttab.

Semi-stiv PVC (SR-PVC) har højere slidstyrke end andre muligheder; det tilsvarende plenum-polyvinylchloridmateriale (plenum-PVC) har også en bedre flammebestandighed.

Polyethylen (PE) har lav kapacitet, hvilket gør det velegnet til højhastighedsdatatransmission. Det er ufleksibelt og brændbart og har et temperaturområde på -65° til +80°C.

Kloreret polyethylen (CPE) har en fremragende varme- og brandbestandighed og anvendes ofte i industrielle strøm- og kontrolkabler.

Silikone er meget varmebestandig (selv til 180 °C), samt flammehæmmende og fleksibel.

Glasfiber anvendes almindeligvis til applikationer, der kræver ekstrem varmebestandighed, f.eks. støberier og metalforarbejdning. Den kan anvendes ved vedvarende temperaturer på op til 480 °C.

Bemærk, at driftsbetingelserne kun er angivet som en grov vejledning. Konstruktører bør altid henvise til kabelproducentens specifikationer, før de anvender et kabel til en bestemt anvendelse.

Industrielle kabelkapper og kapper

I nogle kabler er den elektriske isolering og den eksterne beskyttelse adskilt, og der anvendes optimerede materialer til hver funktion. I dette tilfælde betegnes det indre lag, der giver elektrisk isolering, som isolering, mens det ydre lag, der giver beskyttelse, betegnes som kappe. Dette kan forbedre både robusthed og fleksibilitet.

Der kan anvendes forskellige kappematerialer til at yde specialiseret beskyttelse mod trusler som f.eks. slid, væsker, varme, kemikalier eller mikrober. Nogle almindelige jakke-materialer omfatter:

Polyurethan (PUR ), som har høj sejhed og fleksibilitet samt kemisk, vand- og slidbestandighed. Polyurethan er dog brandfarligt. Dårlige elektriske egenskaber betyder, at det ikke er egnet til brug som isolering.

Nylon, som har fremragende sejhed, fleksibilitet og slidstyrke og kemisk modstandsdygtighed.

Neopren, som er en syntetisk termohærdet gummi med fremragende slid-, skære-, olie- og opløsningsmiddelbestandighed. Den har en lang levetid og anvendes ofte i militære applikationer.

Styren-butadiengummi (SBR ), som er en termohærdning med fremragende modstandsdygtighed over for slid, olie og opløsningsmidler. Det anvendes i Mil-C-55668-kabler.

Trådarrangementer i industrikabler

Deenkelte tråde i et kabel kan være anbragt på mange forskellige måder for at give forskellige bøjningsegenskaber.

Massive ledere består af en enkelt tyk ledning, som er billig, men stiv og mindre robust.

Bunched stranding er relativt simpelt med alle trådene snoet sammen i samme retning, men er mere robust end massivt kabel.

Vedkoncentrisk trådning er der en enkelt tråd i midten med et lag af tråde snoet rundt om den; de efterfølgende lag er snoet i skiftende retninger. Dette giver glatte kabler, der er velegnede til brug i automatiseringsapplikationer.

Rebstrenge har bundter af kabler, der er strengenet på en række andre måder - også et design, der skal give et fleksibelt kabel.

Afsluttende bemærkning om stik til industrikabler

Kabelkontakter til industriel automatisering kan tilpasses lige så meget som selve kablerne. Dette emne vil blive behandlet i en anden artikel, hvor vi vil diskutere de forskellige kombinationer af disse stik (samt mulighederne for indføring og greb). Det er dog værd at bemærke, at stikkene i stigende grad specialiseres til bestemte komponenter - f.eks. de servomotorkabler, der er nævnt ovenfor.

Desuden har kabelstik i dag meget specialiserede designs for at opretholde modstandsdygtigheden over for miljømæssige forhold. Stikkernes modstandsdygtighed mod indtrængen vurderes på samme måde som for kabinetter ved hjælp af en IP-kode (Ingress Protection). Disse koder består af to cifre - hvor det første ciffer angiver beskyttelsesniveauet mod fremmedlegemer og støv, og det andet ciffer angiver beskyttelsesniveauet mod væsker. Det første ciffer går fra 0 for ingen beskyttelse til 6 for støvtæt. Det andet ciffer går fra 0 for ingen beskyttelse til 8 for kontinuerlig beskyttelse mod kontinuerlig nedsænkning i en dybde på 1 meter.

Andre steder er standardiserede geometrier for kabelstik kommet til at forenkle specifikationerne. For eksempel er modulære RJ-stik i stigende grad almindelige til kabler, der anvendes til datatransmission. Bemærk, at udtrykket RJ i denne sammenhæng står for " registered jack " og stammer fra anvendelsen i telefonsystemer. Selv om moderne modulære stik teknisk set faktisk slet ikke er RJ-stik. Disse stik kan hurtigt og pålideligt monteres på kabler ved hjælp af specialværktøj, som fastgør stikket og skaber de elektriske kontakter i én arbejdsgang. Dette giver mulighed for effektiv og bekvem montering af kabler på stedet, selv om fabriksmonterede kabler er mere pålidelige. Denne type stikpropper har normalt en fane, der holder stikket sikkert fast i en stikkontakt, og har ofte et gennemsigtigt plasthus, så de interne kontakter kan inspiceres visuelt.

Figur 4: Det andet og tredje kabelstik, der er vist her, er RJ-stik. (Billedkilde: Lapp USA)

Du kan få flere oplysninger om dette emne ved at læse DigiKey-artiklen "Det rigtige kabel til en industriel applikation":Sådan vælger og bruger du for at opnå succes med designet" for at få vejledning om valg af industrikabel.