Alternativer for kontakter, gjennomføringer og gripetak for kabler til industriautomasjon (industriautomatisering, industriautomatikk)

Det er ulike kontakter for å koble kabler og komponenter som brukes i industriautomasjon. Disse kontaktene må overføre alle strøm- og datasignalstrømmer som føres over kablene mens ledningen termineres på en måte som holder lederne tett koblet og beskyttet. Utfordringen er at utstyr knyttet til industriautomasjon ofte er plassert i skitne, varme, mobile og elektrisk støyende miljøer, slik at industrielle kabelkoblinger krever et nivå av robusthet og pålitelighet som ikke er nødvendig for andre utrustninger.

Vurder først noen grunnleggende industrielle kontakter: Kontakter inkluderer komponentene som er klassifisert som koblinger (som forbinder to kabler) samt systemer som inkluderer både plugg og uttak (eller stikkontakt) halvdeler av en tilkoblingsenhet. I noen sammenhenger kan begrepet kontakter også referere til kabelgjennomføringer – termineringer som går gjennom veggene på kabinetter, ofte med en frittspinnende underkomponent som virker ved å komprimere en O-ring-tetning rundt kabel-enden for å forsegle den for kjemikalier, flammer, smuss og fremmedstrømmer (utenforstående strømmer).

Industrikabelkontakter forbinder kabler (vanligvis) for- og bakmonterte utstyrskontakter. Alle kontakter og kabelgjennomføringer har IP-klassifiseringer (kapslingsgrad) som definert i IEC 60529 som kvantifiserer deres motstand mot smuss og fuktighet. Disse rangeringene er de samme som de som brukes til å beskrive robustheten til komponenthus, så vel som industrielle utstyrskabinetter. En IP-kode har to sifre, med høyere verdier som indikerer et høyere beskyttelsesnivå for begge.

Det første IP-klassifiseringssifferet angir beskyttelsesnivået mot faste gjenstander som støv – fra 0 for ingen beskyttelse til 6 for støvtæt forsegling.

Det andre IP-klassifiseringssifferet angir nivået av beskyttelse mot væsker – fra 0 for ingen beskyttelse til 8 for kontinuerlig beskyttelse mot vann på en dybde av 1 m.

Figur 1: Illustrert her er hva de ulike IP-klassifiseringene til IEC 60529 indikerer. Kabelkontakters IP-klassifiseringer er kritisk viktige. (Bildekilde: connectortips.com)

Sammenligning av RJ Ethernet-kontakter og M12 Ethernet-kontakter for automatisering

Ethernet definert av IEEE 802.3 er fortsatt den mest brukte LAN-teknologien (Local Area Network) noe sted. Ethernet-baserte kommunikasjonsstandarder for industriautomasjon inkluderer ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP og Profinet. Kontaktene som vanligvis er knyttet til Ethernet-kabler, er de allment utbredte RJ-kontaktene – telefonstøpsel (registered jack). De fleste RJ-kontakter inkluderer en plugg som har et enkelt plastmerke som klikker inn og låser i paringsgeometrien på en RJ-kontakt for å holde de to sikkert sammen. Pluggene og stikkontaktene passer lett til kablene – og installasjonspersonell kan samtidig klemme dem og opprette de elektriske kontaktene ved hjelp av et spesielt krimpeverktøy. Krympeterminaler (krympeterminering) tillater konstruksjon av egendefinerte kabler (montert på stedet) som er rimelig pålitelige. Plugg underkomponenter konstruert for slik installasjon på stedet har ofte klare organer for å la installasjonspersonell inspisere alle interne kontakter før de tas i bruk. Når det er sagt, er påliteligheten til fabrikkmonterte kabler uovertruffen.

Figur 2: Dette er et TL2253-ND håndkrympeverktøy som tillater RJ-plugg-terminering i feltet av fireleder-, seksleder- og åtteleder-Ethernet-kabel kappet til lengde. Med én klem klemmer verktøyets blader flate eller runde Cat5e og Cat6 og fester kontaktkroppen. (Bildekilde:Tripp Lite)

Der RJ-kontakter ikke er robuste nok for et bestemt industrimiljø, kan M12-kontakter være bedre. Det er fordi M12-kontaktene gir en mer pålitelig og fysisk robust tilkobling – med den ekstra fordelen av beskyttelse mot inntrengning av støv og væsker.

Figur 3: RJ-kontakter som de som er vist her, er de vanligste på Ethernet-kabler. Når det er sagt, er det andre tilkoblingstyper tilgjengelig for bruk på Ethernet-kabel. (Bildekilde: Getty Images)

Strøm over Ethernet (Power over Ethernet –PoE) definert av IEEE 802.3 er en praktisk måte å få både data og elektrisk strøm gjennom en enkelt kabel. PoE Alternativ A (ofte kalt modus-A -/ mode A) bruker de samme to tvunnede parene til å føre både data og strøm, slik at kabler med færre kjerner kan brukes — og båndbredden er begrenset til 100 Mbps (100BASE-TX). PoE Alternativ B (ofte kalt modus B) bruker en Cat 5 Ethernet-kabel med fire tvunnede par — to par som leder data og to par som fører strøm. Dette reduserer båndbredden som er tilgjengelig for data — begrenser datahastigheten til 100 Mbps selv når kablene er klassifisert for Gigabit Ethernet.

4PPoE eller fire-pars kabel krever en kabel med fire tvunnede par ledertråder og alle overfører både strøm og data. Dette betyr at høyere datahastigheter (Gigabit Ethernet og over) og strømmer støttes. Enheter som aksepterer strøm over PoE må konfigureres til å akseptere modus A eller modus B slik den leveres. Når det er sagt, kan de bruke fast eller vekslende motstand på tvers av trådpar for å indikere kompatibilitet og be om en spesifikk strømkonfigurasjon. Selvfølgelig er det PoE-strømforsyninger (kildeutstyret eller PSE) som faktisk bestemmer systemets PoE-modus.

Figur 4: Tilkoblingsdesign er i stor grad diktert av kabelen den terminerer. M12 Ethernet-kabel-kontakter som de som er vist her, er generelt mer robuste enn RJ-kontakter; noen produsenter fargekoder dem for å indikere kompatibilitet med PoE-moduser og lederarrangementer. (Bildekilde: Lumberg Automation)

Terminering av både data- og strømkabler (samt nettverkskabler som industriell Ethernet, PROFINET og Fieldbus) er M-serie-kontakter – runde parringskontakter med en gjenget hunnhylse (for å montere på en hannkontakt) pakket rundt en matrise ledende pinner. M8 (8 mm) og M12 (12 mm) gjenger er vanligst, men M5, M16 og M23 er også kjente standarder. Den positive (skru på / påskrubare) lukkingen av M-serie-kontakter sikrer en svært pålitelig tilkobling som minimerer intermitterende signaler selv mens den beskytter mot miljøsmuss som er så vanlig i spyle- og korrosive miljøer. Ikke rart at M-serie-kontakter er en toppstandard på kablene for aktuatorer, PLS-er, sensorer, brytere og kontroller av industriautomasjon.

M8- og M12-kontaktene kan ha to, tre, fire, fem, åtte eller 12 pinner (stifter) (også kalt posisjoner). Sensorer og strømforsyninger krever vanligvis tre eller fire pinner. For M-serie-kontakter på endene av Ethernet- og PROFINET-kabler er det nødvendig med fire eller åtte pinner. I motsetning til dette kan de på endene av kabler som fører Fieldbus, BUSS og DeviceNet-data vanligvis ha fire eller fem pinner. Selvfølgelig kan kabler med flere datastrømmer og strømstrømmer kreve terminering med en M-serie-kontakt som har alle 12 pinnene.

Figur 5: Denne Brad Ultra-Lock 120108 vinkelkontakten er en proprietær tilpasning av en M12-tilkoblingsdesign for å øke påliteligheten. (Kilde: Molex)

Faktisk er en relatert stikkontakt-konstruksjon som er ganske vanlig i bransjen, bestående av matrise med pinner og uttak (pin-array-and-socket) – opprinnelig introdusert av Molex, så det kalles noen ganger Molex-sammenkoblinger i det dagligdagse. Den proprietære Molex Brad-serien av kontakter er basert på M12-kontakter, men bytt ut den gjengede hylsen med et mer praktisk og pålitelig trykk-og-lås-system (push-to-lock-system). Fordi låsingen ikke er avhengig av at operatøren strammer en gjenge, sikrer den pålitelighet og minimerer risikoen for et periodisk signal. Brad-kontaktvariasjoner inkluderer:

• Brad Micro-Push M12-kontakter – en trykk-på (push-on) og trekk-ut (pull-off)-kontakt som gir IP65-beskyttelse
• Brad MX-PTL M12 trykk-og-lås-kontakter (push-to-lock-kontakter) som gir IP65-beskyttelse
• Brad Micro-Change M12 gjengede kontakter som gir IP67-beskyttelse
• Brad Ultra-Lock og Ultra-Lock EX M12-kontakter med trykk-og-lås-montering (push-to-lock fittings) og O-ringer for fullt IP69K-nivå inntrengningsbeskyttelse.

Koaksialkontakter for høyfrekvente signaler

Koaksialkabler (utstyrt med koaksiale kontakter) brukes også i industriautomasjon for overføring av høyfrekvenssignaler – spesielt de som støtter vibrasjonsovervåking og analog signaloverføring. Det florerer med standarder.

BNC-kontaktene har en bajonettfeste som krever en kvart omdreining for å koble til eller fra. De kan brukes til frekvenser på mer enn 12 GHz og i noen tilfeller opptil 18 GHz. DIN 0.4 til 2.5 kontakter er svært små presspassningskontakter – push-fit-kontakter som er egnet for frekvenser opp til 3 GHz. I motsetning til dette er DIN 1.0/2 .3-kontakter små presspassnings- push-fit radiofrekvens-kontakter som er mye brukt innen digital telekommunikasjon.

Modulære og tilpassede kabler som sprer seg for automatiserte maskiner

Med konvensjonelle systemintegrasjonstilnærminger blir kabler «laget» – målt, kuttet og terminert – på stedet under installasjonen av det automatiserte utstyret. Det betyr vanligvis at en elektriker på stedet klipper de nødvendige kablene til lengde, avisolerer alle ledernes sarte kapper og monterer kablene med kontaktene som kreves for å koble sammen komponentene. Slik klargjøring av kabel i felt er tidskrevende og fører til variabel tilkoblingskvalitet. Derfor er trenden nå å kjøpe modulære kabel- og tilkoblingssystemer som består av standardkabler og fabrikkmonterte kontakter. Nødvendige kabellengder bestemmes under konstruksjonen og leveres klar til installasjon.

Noen anslår at modulære kabler reduserer installasjonstiden på stedet med 60 til 70 % samtidig som påliteligheten til de elektriske tilkoblingene forbedres.

Det spesielle tilfellet med kabelgjennomføringer

Kabelkontakter kalt kabelgjennomføringer brukes overalt hvor kabler passerer gjennom (veggen på) et kabinett. Kabelgjennomføringer tjener tre formål – å feste kabelen, hindre kabelslitasje og sørge for en tetning rundt kabelen for å skjerme komponenter inne i kabinettet fra miljøavfall. Måten kabelgjennomføringene fester kabelen på forhindrer hovedsakelig skade på elektriske kontakter fra å rykke eller andre forstyrrelser. Det forhindrer også at kabelen skraper eller gnir mot den skarpe platekanten av boksen. Det er viktig fordi platemetall lett kan sees gjennom kabelhylser og til slutt føre til at kabelkjernene kortsluttes.

Mindre krevende applikasjoner bruker ofte gjennomføringer med lameller, med flere «fingre» som klemmer seg rundt kabelen. Denne typen gjennomføring er mindre kostbare, men krever regelmessig etterstramming for å opprettholde inntrengningsbeskyttelse. Høyere kvalitet gjennomføringer bruker en kontinuerlig tetning som klemmer seg rundt kabelen. Denne typen gjennomføring er mye mindre sannsynlig å løsne over tid.

Konstruksjon av dagens industrielle strømkontakter

Enheter som brukes til industriautomasjon krever ofte en kablet strømforsyning i tillegg til en datatilkobling. Den relativt nye teknologien til PoE nevnt tidligere er å foretrekke der det er mulig å bruke fordi den holder kablingen så enkel. Imidlertid krever de aller fleste automatiseringskomponenter og -systemer tradisjonelle strømkabler.

Kontakter standardisert av IEC (International Electrotechnical Commission) er vanlige på strømkabler for forbruker- og kontorbruk samt industrielle bruksområder. IEC definerer en rekke ikke-låsende kontakter i IEC 60320-standarden med spenninger til 250 V og strøm som ikke overstiger 16 A. Her brukes C13/C14-kontakten vanligvis til elektronisk utstyr – inkludert strømforsyninger til datamaskiner. Større C19/C20-koblinger (kontakter/støpsler) brukes på endene av kabler som fører høyere strøm — inkludert serverkabinetter, for eksempel.

Figur 6: Generelle strømkabler inkluderer en rekke IEC- og andre standardkontakter. (Bildekilde: Getty Images)

For mer kritiske eller krevende applikasjoner foretrekkes ofte IEC 60309-kontakter. Disse pluggene/støpslene, stikkontaktene og koblingene er uttrykkelig beregnet for industriell bruk og kan føre spenninger opptil 1000 V, strøm opptil 800 A og frekvenser opptil 500 Hz. Alle disse kontaktene gir et visst nivå av motstand mot vanninntrengning: IP44-kontakter er støvsikre, IP67-kontakter er vanntette, og IP66/67-kontakter kan pålitelig hindre inntrengning, selv ved trykksatte vannstråler. Stikkontaktene kan også være låst slik at stikkontakten ikke kan aktiveres med mindre den er koblet til en stikkontakt – og stikkontakten kan ikke fjernes før strømmen er slått av.

Figur 7: Legg merke til fargekodingen (festet til IEC 60309) til kabelkontakten for høy effekt (stor strøm). (Bildekilde: Railway Tech)

Forskjellige størrelser på IEC 60309-kontakter brukes for forskjellige strømklassifiseringer. Kontaktene er også tastet og fargekodet for å indikere spenning og frekvensområde:

• Gul indikerer kapasitet på 100 til 130 V ved 50 til 60 Hz
• Blå indikerer kapasitet på 200 til 250 V ved 50 til 60 Hz
• Rød indikerer kapasitet på 380 til 480 V ved 50 til 60 Hz – ofte i en trefaset konfigurasjon

Konklusjon

Det er mange geometri- og integrasjonsalternativer når det kommer til å velge koblinger og gjennomføringer for industriautomasjon / industriell automatisering. Under spesifikasjonen av en kabel for en gitt automatisert maskindel, må den første vurderingen for konstruksjonsingeniører og designingeniører være kabelkjernetellingen og kjernemålerne. Beskyttelse mot inngrep og behovet for en positiv lås for å hindre periodiske signaler er de nest viktigste hensyn.