Konfigurer industrielle sensorer og aktuatorer raskere, trygt og pålitelig med sensoraktuatorbokser

Konstruktører av moderne industrielt automatiseringsutstyr (IA – industrial automation) vil sette pris på hvor raskt de kan ekspandere for å strekke seg over hundrevis av kvadratmeter inne i et anlegg. Å strekke separate kabler mellom styringsdatamaskinen og alle nærhetssensorer og mekaniske armer i prosessområdet kan rote til anleggsgulvet og øke tiden det tar å konfigurere dette utstyret. I tillegg kan utskifting eller rekonfigurering av en eksisterende sensor eller aktuator kreve at en annen kabel trekkes mellom prosessplasseringen og styringsdatamaskinen, noe som forsinker vedlikeholdet. Problemet vil bare vokse etter hvert som det oppfordres til at flere og flere systemer kobles til tingenes Internett (IoT – Internet of Things) for å spore dem på et eksternt dashbord via skyen.

For å forenkle disse tilkoblingsproblemene kan konstruktører av industrielle systemer bruke sensoraktuatorbokser (også kalt koblingsbokser og fordelingsbokser). Ved å bruke disse enhetene kan mange sensorer og aktuatorer kobles til ved å trekke én hovedlinje fra styringsdatamaskinen til en boks som termineres i mange kontakter på prosesstedet, noe som forenkler kabling på gulvet.

Denne artikkelen vil kort ta for seg problemene som er forbundet med IA-konnektivitet. Den vil deretter ta for seg tre praktiske eksempler på sensoraktuatorbokser – ett hver fra Molex, Alpha Wire og Phoenix Contact – og vise hvordan disse kan forenkle kabling i industrielle omgivelser og samtidig forenkle vedlikehold og konfigurering.

Koble styringsdatamaskiner til sensorer og aktuatorer

Mange styringsdatamaskiner i industrielle automatiseringsomgivelser er praktisk plassert i nærheten av utstyret de styrer. Kablene fra datamaskinen til sensorer og aktuatorer kan være relativt korte, ofte rundt en eller to meter. I noen industrianlegg kan imidlertid styringsdatamaskiner være plassert mange fot unna, noe som krever at flere kabler trekkes mellom de to stedene. Dette er vanlig i monteringsroboter, transportbåndinstallasjoner samt store industritransportmidler som lastebiler og fly. I noen situasjoner kan prosessområdet være farlig, der plasseringen kan være utsatt for skadelige kjemikalier eller ekstreme temperaturer. For denne typen maskiner plasseres ofte styringsdatamaskinen i en sikker, beskyttet avstand for å maksimere påliteligheten.

Konvensjonelle ledninger i slike situasjoner vil innebære å sende flere kabler fra styringsdatamaskinen til hver enkelt sensor og aktuator. Dette er ikke alltid en ukomplisert prosess. Riktige kabeltermineringskontakter må brukes i hver ende av sensor- eller aktuatorkabelen. I mange farlige omgivelser kan det ta lengre tid enn forventet å sørge for at kabelen er trukket på en trygg og riktig måte. Til slutt vil tiden det tar å konfigurere og koble til kablene for hver sensor og aktuator forsinke distribusjonen og føre til økte kostnader. Hvis anlegget må stenges ned for å erstatte eller konfigurere mer enn én sensor eller aktuator, vil dette øke nedetiden ytterligere og igjen øke kostnadene, noen ganger dramatisk, avhengig av anlegget.

Sensoraktuatorbokser

Et IA-anlegg som bruker sensoraktuatorbokser er en sikker og kostnadseffektiv løsning. Disse boksene grupperer alle sensor- og aktuatorkablene fra styringsdatamaskinen til én enkelt hovedkabel, ofte kalt en «home run»-kabel, som går til prosessområdet. Kabelen termineres i nærheten av prosessområdet i en robust koblingsboks som inneholder stikkontakter, vanligvis åtte eller flere M12-kontakter. Sensoraktuatorbokser kalles noen ganger koblingsbokser, fordelingsbokser og IO- eller I/O-bokser. Koblingsboksen med de monterte M12-uttakene er en forseglet, forhåndskablet enhet som er klassifisert IP67 eller bedre.

Hovedkabelen («home run»-kabelen) for alle sensorer og aktuatorer trenger bare trekkes og plasseres én gang. Dette er en fordel når kabelen skal trekkes i trange områder, da teknikere ikke trenger å bruke mer tid på å trenge seg inn i og rundt trange rom.

Med en sensoraktuatorboks, i stedet for å koble til utstyr ved å trekke en lang kabel mellom styringsdatamaskinen og prosessområdet for hver sensor og aktuator, kobler en tekniker den ene enden av en forkortet kabel til den nærliggende sensoraktuatorboksen og den andre enden til utstyret. Dette kan være så raskt som noen få sekunder, noe som minimerer tiden installatøren bruker i prosessområdet. Dette forenkler vedlikehold og forbedrer sikkerheten samtidig som det sparer tid og reduserer feil.

Velge og bruke sensoraktuatorbokser

Sensoraktuatorbokser kommer i en rekke konstruksjoner, men noen faktorer som må tas hensyn til omfatter synlighet, robusthet, materialtype, vekt, formfaktor, antall uttak, strømstyringskapasitet, monteringsalternativer og IP-klassifiseringer for støv-, fuktighets- og gassinntrengning, for å nevne noen.

For eksempel kommer Molex med Brad Safety multi-port-sammenkoblingssystemet (MPIS – multi-port interconnection system), en fordelingsboksfamilie som er egnet for spesielt krevende miljøer, for eksempel industrielle lastebiler og lagerhus der utstyr kan utsettes for kraftige støt. Disse kraftige boksene er laget av polybutylentereftalat (PBT – polybutylene terephthalate) som er både lett og sterkt og i stand til å håndtere kraftige slag fra tungt utstyr eller til og med sammenstøt fra et kjøretøy i bevegelse.

Molex 1202480510 MPIS-fordelingsboks med 8 porter støtter opptil 4 ampere (A) per port, med maksimalt 12 A for alle åtte portene kombinert (figur 1). For å lette sammenkoblingen har hver port et forsenket område for en trykklås-etikett som er laget av ABS-plast (eller akrylnitrilbutadienstyren-plast). Sammenlignet med papiretiketter er disse etikettene mer robuste og de rives ikke.

Figur 1: Molex 1202480510 MPI-en er en sensoraktuatorboks med åtte M12-uttak. For å lette sammenkoblingen støtter hver port en trykklås-etikett laget av robust ABS-plast. (Bildekilde: Molex)

Molex 1202480510 er lys oransje for å gi god synlighet og er klassifisert IP67, noe som gjør den egnet for bruk i skitne, støvete og fuktige omgivelser, og i typiske temperaturområder fra –25 °C til +85 °C. Hovedkabelen er 5 meter lang og støtter brukertilpasset kabelterminering, som vanligvis er en M23-kontakt, men som kan være en hvilken som helst kontakt som er påkrevd for installasjonen. Hvert forsenket M12-uttak har åtte pinner med en konfigurasjon som er i henhold til bransjestandarden. Hver port har en gul lysdiode som indikerer om en port er strømsatt. Dette bidrar til å raskt bekrefte at en port er aktiv, noe som er nyttig under konfigurasjon og ved diagnostisering av tilkoblingsproblemer.

Molex-sensoraktuatorboksen har to sporhull for M4-monteringsskruer. Dette gjør det mulig å montere boksen på utstyr eller fast på en vegg. Boksen bør monteres der de åtte M12-uttakene er enkle å få tilgang til, og den bør være sikret slik at kraften som skal til for å skyve en M12-kontakt inn i uttaket ikke skyver den ut av stilling.

Bruksområder for lette sensoraktuatorbokser

For bruksområder der vekt må tas hensyn til, for eksempel fly eller noen industrikjøretøyer, tilbyr Alpha Wire Alpha Connect-familien med passive fordelingsbokser, deriblant Alpha Connect 901-10M NC032-sensoraktuatorboksen med 8 porter (figur 2). Denne Alpha Connect-boksen er laget av en lett sinklegering som er egnet for fly, små lastebiler og batteridrevne kjøretøyer som gaffeltrucker og små bulldosere der hvert gram teller. Den har en 10 m hovedkabel som er egnet for luftfartøyer og kjøretøyer der den korteste avstanden mellom to punkter ofte ikke er en rett linje, men en passasje med vridning. Boksen er passiv og har ikke portindikatorlysdioder. Den nøytrale beige fargen gjør at den kan passe ubemerket inn i mange omgivelser.

Enheten inkluderer to støvdeksler som holder to ubrukte uttak beskyttet mot kontaminanter. Sensoraktuatorboksen med sammenkoblede kontakter er klassifisert IP67. Frakoblede uttak er klassifisert IP65, og bør derfor ha støvdekslene installert for å sikre IP67-beskyttelse.

Figur 2: Alpha Wire 901-10M NC032-sensoraktuatorboksen er laget av en lett sinklegering. De åtte M12-uttakene rager ut over huset, slik at kontaktsammenkoblingen kan gjøres raskt og enkelt. To inkluderte støvdeksler til høyre i forgrunnen holder ubrukte uttak rene. (Bildekilde: Alpha Wire)

Hvert M12-uttak har fem pinner. For å oppnå enkel installasjon under innledende oppsett, er standard M12-kabelfargekode og -funksjoner for hver pinne trykt på siden av sensoraktuatorboksen. De åtte M12-uttakene er ikke forsenket, men rager i stedet ut over sinklegeringshuset. Dette muliggjør rask og enkel tilkobling, noe som er viktig i travle industrielle omgivelser.

Alpha Wire 901-10M NC032-sensoraktuatorboksen er klassifisert for –40 °C til +80 °C, noe som gjør den egnet for svært kalde industrielle omgivelser, noe både fly og visse kjøretøyer utsettes for.

Kompakt sensoraktuatorboks

For små, plassbegrensede installasjoner, konstruerte Phoenix Contact 1692404-sensoraktuatorboksen med 4 porter (figur 3). Denne boksen har ikke en hovedkabel , og den krever en separat M23-kabelmodul for å koble til styringsdatamaskinen, slik at boksen enkelt kan flyttes. Den muliggjør også enkelt vedlikehold og utskifting av hovedkabelen hvis den er skadet.

Figur 3: Phoenix Contact 1692404-sensoraktuatorboksen har fire 4-pinners M12-porter. Det kreves en ekstern M23-kabelmodul for å koble den til styringsdatamaskinen. (Bildekilde: Phoenix Contact)

1692404 er laget av polyamid, som har høy motstandskraft mot bensin, motoroljer og løsemidler som vanligvis finnes i nærheten av motorer. Polyamid har også ekstremt høy strekkfasthet og kan håndtere stress som ikke kommer fra slag og bøyning bedre enn de fleste andre materialer. Enheten er IP67-klassifisert og har en driftstemperatur på –20 °C til +75 °C, noe som gjør den egnet for tøff håndtering i lagerbygninger, kontorbygninger og områder som vanligvis okkuperes av personell som arbeider i nærheten av kjemikalier.

Hver av de fire M12-kontaktene kan håndtere opptil 4 A, med et total maksimalt nominelt strømuttak for enheten på 12 A. Hver av de fire M12-portene har en gul lysdiode som indikerer når porten er riktig sammenkoblet og i drift. M23-porten har en grønn lysdiode som indikerer at hovedkabelen er riktig sammenkoblet og forsyner strøm til boksen. Dette er nyttig for diagnostikk under oppsett og konfigurasjon. Alle sensorer og aktuatorer som er koblet til de fire M12-uttakene, kan enkelt kobles fra ved å fjerne den enkle M23-kontakten. Dette øker sikkerheten og reduserer nedetid under vedlikehold og rekonfigurasjon.

Konklusjon

Sensoraktuatorbokser kan gi tidsbesparelser under vedlikehold og oppsett, samtidig som de sikrer pålitelig konnektivitet mellom styringsdatamaskiner og sensorer/aktuatorer. Mange sensorer og aktuatorer kan enkelt kobles til lokalt på prosessområdet i stedet for å trekke alle kablene individuelt til styringsdatamaskinen. Riktig valg av materialer sikrer at boksen vil fungere pålitelig i de industrielle målomgivelsene.