Hvordan man opbygger robuste elektriske strøm-, kommunikations- og sikkerhedssystemer til fabriksautomatisering

Strøm-, kommunikations- og sikkerhedssystemer er kritiske elementer i en moderne fabrik, som muliggør pålidelig drift af maskiner til mange millioner dollars, der er tæt forbundet. Desuden skal ledningsnettet til disse kritiske elementer være pålideligt i mange år, samtidig med at det skal kunne modstå varme og vibrationer og klare udfordringer som f.eks. svingende indgangsspændinger, fugt og høje niveauer af partikler.

Det er vanskeligt og dyrt at integrere omfattende ledningsføring i en fabrik, og ideelt set er det et arbejde, der kun skal udføres én gang. Det er derfor vigtigt at sikre, at de kabelsæt, stik og fordelingsbokse, der anvendes til at opbygge et system, er robuste, pålidelige og skalerbare for at kunne opfylde standarder, protokoller og regler i dag og i fremtiden.

Denne artikel giver et kort overblik over kravene til den moderne fabrik. Derefter introduceres en modulær tilgang til opbygning og udvikling af industrielle automatiseringsnetværk vha. virkelige eksempler på komponenter fra Molex. Den viser, hvordan en modulopbygget tilgang kan forenkle implementeringen og opfylde centrale krav til miljø, drift, sikkerhed, pålidelighed og omkostninger, samtidig med at der er tilstrækkelig fleksibilitet til at udvide og tilpasse sig, efterhånden som fabrikken vokser.

Ledninger til morgendagens fabrik

Industriel automatisering (IA) har forandret den moderne fabrik. Kommunikation er nu lige så vigtig som den elektricitet, der bruges til drev og servomotorer i de store maskiner, der fremstiller varer, og sikkerheden er afgørende, da mennesker og robotter arbejder tæt sammen. Udfordringen for automatiseringsingeniøren er at vælge og installere strøm-, kommunikations- og sikkerhedskabler, der udnytter den nuværende teknologi og samtidig har et øje på fremtiden med hensyn til skalerbarhed.

Det er en hård udfordring, fordi fabrikker er en stor investering og er bygget til at holde længe. I løbet af deres levetid vil fremstillingsteknologien udvikle sig, og ledningsanlæg, der var tilfredsstillende blot nogle få år tidligere, vil måske ikke længere være tilstrækkelige. Når produktionskapaciteten øges, vil hvert ekstra system desuden kræve sin egen konnektivitet, og det er ikke kun dyrt og tidskrævende at omkonnektere en fabrik, men det betyder også, at dyre maskiner står stille.

Ingeniører anvender i stigende grad modulære systemer, som rummer ledninger til strøm, kommunikation og sikkerhed i samme kappe og samtidig giver mulighed for fremtidig vækst i form af ekstra ledninger. En vigtig del af denne tilgang er M23-stiksystemet, som kaldes det, fordi diameteren på kabelkoblingens gevind er 23 millimeter (mm). Systemet er relativt let at samle og afprøve og udgør en robust og pålidelig strøm- og kommunikationsinfrastruktur (figur 1),

Figur 1: Et M23-kabelsæt med en 23 mm koblingsstik med en 8-polet hunindsats. (Billedkilde: Molex)

M23-stik og -kabler er designet til servicering af elektriske drev, servomotorer og enkodere, der er almindelige i industriel automatisering. M23-systemet har en række indsatser og huse til data, kommunikation og kombineret strøm og data, hvilket gør det lige velegnet til applikationer, der involverer signal- eller strømoverførsel. M23-kabelsæt kan bære spændinger på 250, 630 eller 800 volt ved strømstyrker på 9, 18 eller 30 ampere (A).

M23-kabler er ikke reguleret af en international standard. Producenterne følger dog generelt anbefalingerne vedrørende fremstillingen af kabelsættene, hvilket giver mulighed for interoperabilitet. Som sådan kan M23 betragtes som en de facto-standard.

En variant af M23-systemet er M12, som har en koblingsgevinddiameter på 12 mm. Fordi M12 ikke bruges til strømforsyning, er kabelsættene mere kompakte, hvilket sparer omkostninger og plads (Figur 2).

Figur 2: M12-kabelsættet bruges kun til kommunikation og sikkerhed; det har en mere kompakt formfaktor end M23. (Billedkilde: Molex)

Nøglen til M23/M12's succes er deres fleksibilitet. For det første kan designere vælge at sammensætte deres egne tilpassede systemer ved at specificere kabler, koblinger, stikdåser, indsatser, stikhuse og endda diameteren på de matchende ben. Koblingerne er tilgængelige i lige og vinklede udgaver, og indsatserne er tilgængelige med flere forskellige antal ben og mønstre. Resultatet er et bredt udvalg af tilpassede variationer til stort set alle anvendelsesområder.

Alternativt kan designeren vælge mellem en række fabriksleverede kabel-/koblings- eller kabel-/optagssætninger. Fordelen ved at vælge færdigbyggede produkter er, at man sparer tid på monteringen og er sikker på, at kablet og stikket allerede er blevet testet på fabrikken. Ulempen er et relativt begrænset udvalg af løsninger sammenlignet med at bygge fra bunden. Det færdigbyggede sortiment er dog stadig bredt og dækker stikalternativer og kabellængder til de fleste fabriksautomatiseringsmuligheder, herunder roterende maskiner, svejserobotter eller automatiseret monteringsudstyr.

Beskyttelse mod forurening, vibrationer og EMC

Med visse undtagelser, f.eks. fremstilling af fødevarer, lægemidler og højteknologisk elektronik, er fabriksmiljøet typisk fyldt med fugt, støv, fedt og andre forurenende stoffer, som er fjender af elektriske systemer. I andre applikationer kan det være nødvendigt, at kablet og stikløsningen skal være modstandsdygtig over for syre- og alkaliløsninger, der anvendes under produktion og rengøring, hvilket gør det afgørende, at de modstår indtrængning af alle væsker, partikler og andre stoffer.

Den specifikke modstandsdygtighed over for forurenende stoffer, der kræves, vil ændre sig afhængigt af fabrikkens krav. Producenterne kategoriserer deres produkter med fordel i henhold til IP-klassifikationssystemet. IP-klassificeringen angiver produktets beskyttelsesgrad og er defineret i den internationale standard EN 60529.

Ordningen består af to cifre, hvoraf det første repræsenterer beskyttelsesniveauet mod faste genstande, lige fra værktøj eller fingre, der kan være farlige, hvis de støder på elektriske ledere, til luftbåren snavs og støv, der kan beskadige kredsløb. Det andet ciffer definerer beskyttelsen mod forskellige former for dryp, sprøjt eller nedsænkning. Serien strækker sig fra IP00 (ingen beskyttelse mod støv eller vand) til IP69 (total beskyttelse mod støv og kraftige vandstråler med høj temperatur).

Det er ikke kun forurenende stoffer, der kan forårsage problemer for dårligt konstruerede elektriske fabrikssystemer. Kabelsamlingerne er også potentielt udsat for termisk stress, vibrationer og mekanisk bøjning (især hvis de anvendes i en robotanvendelse, hvor kablerne kan være i konstant bevægelse). Desuden er fabrikker typisk hjemsted for store elmotorer, der trækker store startstrømme, hvilket skaber strøm- og spændingsstød og elektromagnetisk interferens (EMI), som kan forstyrre følsomme kommunikationssystemer.

M23- og M12-kabelsamlinger er specielt designet til at klare fabriksmiljøer, og deres skruekoblinger modstår vibrationer og mekanisk belastning. Til udfordrende EMI-miljøer tilbyder kabelproducenterne typisk muligheder med integreret afskærmning.

Molex tilbyder f.eks. en række særligt robuste strømkabler med deres Brad^® 120480 M23 strømkabelsæt med overstøbte ledninger. Disse kabelsamlinger er bygget til krævende miljøer med funktioner som f.eks. plastoverstøbte kapper til beskyttelse af kabel/konnektor-samlingen og valgfri EMI-afskærmning. De er tilgængelige i forskellige længder fra 1 meter (m) og op til 20 m og er orange farvede for at gøre dem mere synlige (Figur 3).

Figur 3: 120480 M23-kabelsættene har helstøbning for ekstra beskyttelse og et udvalg af indsatser; her er vist seks og ottepolede varianter. (Billedkilde: Molex)

Kablerne er tilgængelige i enten seks- eller ottepolede (wire) versioner. Den maksimale spænding og strømstyrke er 800 volt og 18 A, med en kontaktmodstand på 3 ohm (Ω) og en isolationsmodstand på 100 megaohm (MΩ). Kabelsættene kan fungere i et temperaturområde fra 25 °C til +85 °C og har en IP67 støv- og vandbeskyttelsesklassificering, når de er sat sammen.

Fordelen ved et modulært system som M23 er, at fabrikkens ledninger kan bygges op og tilpasses hurtigt, efterhånden som fabrikken vokser. Systemet giver teknikeren mulighed for nemt at koble ledningsnetværk sammen og koble kabelenderne direkte til maskiner, der er udstyret med M23-stik. Ledningerne har ikke kun den høje spænding og strømstyrke, der kræves til fabriksautomatisering, men kan også understøtte fabrikskommunikationssystemer som Ethernet, EtherCAT, Modbus og PROFINET (Figur 4).

Figur 4: M23-kabler gør det nemmere at udvide fabrikkens kablede netværk, efterhånden som der tilføjes nye produktionsceller. (Billedkilde: Molex)

Sikring af fabrikkens sikkerhed

Forbindelse spiller en central rolle i den moderne fabrik. Styring og opdatering af udstyr er en stor del af netværkets opgave, men sikkerheden i fabriksautomatisering er også vigtig, især når mennesker og robotter er tæt på hinanden. Robotten er typisk udstyret med flere sensorer, der stopper bevægelsen, hvis en medarbejder kommer ind i arbejdsområdet, og sikkerhedscellen er suppleret med låseporte og adgangspaneler. Alle disse systemer kræver tilslutningsmuligheder, og det kablede netværk kan hurtigt blive komplekst og uoverskueligt, hvis hver sensor betjenes af en gren af fabrikkens hovednetværk (Figur 5).

Figur 5: Robotarbejdsceller kræver vigtige sikkerhedssystemer til beskyttelse af menneskelige arbejdere i fabriksautomatiserede miljøer. (Billedkilde: Molex)

I stedet for forenkler ingeniørerne tingene ved at bruge MPIS-fordelingsbokse (Multiport Interconnection System), der er tilsluttet fabrikkens hovednetværk. Derfra tilsluttes M12-styringskabler til boksenes udgange for at tilslutte produktionscellens sikkerhedssystemer. Et eksempel er Molex' robuste, IP67-klassificerede 1202480510 sikkerheds-MPIS-fordelingsboks, som hjælper med at styre sikkerhedsanordninger, der er installeret omkring maskiner (Figur 6).

Figur 6: MPIS-fordelingsbokse for sikkerhed forenkler sikkerhedsledninger og sparer samtidig plads og omkostninger. (Billedkilde: Molex)

1202480510 har et 5 m langt integreret kabel til tilslutning til fabrikkens hovednetværk, fire M12-porte med otte ben og fire M12-porte med fire og fem ben i ét hus. Fordelingsboksen gør det muligt at installere standard I/O-kabelsystemer på begrænset plads og samtidig maksimere fleksibiliteten i sikkerhedsdesignet. Hver port kan håndtere op til 30 volt DC med en maksimal strømstyrke på 4 A (12 A samlet strømstyrke for fordelingsboksen). Fordelingsboksen er beregnet til brug med kabelsæt som Molex' 1 m, M12, ottepolede 1200652383 Micro-Change-serie og 1 m, M12, firepolede 1200652378-versionen.

Konklusion

Fabriksautomatisering kræver robuste, pålidelige og skalerbare strøm-, kommunikations- og sikkerhedsnetværk. Modulære systemer baseret på de facto-standarderne M23 og M12 forenkler den første installation og opfylder disse krav. De kabelsæt og fordelingsbokse, de bruger, er bygget med tanke på de hårde krav, der gælder i fabriksmiljøet, hvilket gør dem modstandsdygtige over for snavs og fugt og i stand til at klare ekstreme temperaturer, vibrationer og mekanisk belastning.