Slik bygger du robuste systemer for elektrisk strøm, kommunikasjon og sikkerhet for fabrikkautomasjon

Strøm-, kommunikasjons- og sikkerhetssystemer er viktige elementer i en moderne fabrikk, som muliggjør pålitelig drift av høyt tilkoblede maskiner med verdier på flere titalls millioner kroner. Videre må ledningssystemene for disse viktige elementene være pålitelige i mange år mens de håndterer varme og vibrasjoner og takler utfordringer som svingende inngangsspenninger, fuktighet og høye partikkelnivåer.

Å integrere omfattende ledningsnett i en fabrikk er vanskelig og dyrt, og det er ideelt sett en jobb som kun må gjøres én gang. Derfor er det viktig å sikre at ledningene, kontaktene og distribusjonsboksene som brukes til å utgjøre et system, er robuste, pålitelige og skalerbare slik at de kan oppfylle standardene, protokollene og forskriftene som er aktuelle i dag og i morgen.

Denne artikkelen gir en kort oversikt over kravene til moderne fabrikker. Den introduserer deretter en modulær tilnærming til å bygge og utvikle industrielle automasjonsnettverk ved å bruke virkelige komponenteksempler fra Molex. Den viser hvordan en modulær tilnærming kan forenkle distribusjon og oppfylle sentrale krav til miljø, drift, sikkerhet, pålitelighet og kostnader, samtidig som det er tilstrekkelig fleksibilitet til å utvide og tilpasse seg etter hvert som fabrikken vokser.

Trekke ledninger for morgendagens fabrikk

Industriautomasjon (IA) har forvandlet moderne fabrikker. Kommunikasjon er nå like viktig som elektrisiteten som brukes til drivverk og servomotorer i de store maskinene som produserer varer, og sikkerhet er svært viktig ettersom mennesker og roboter jobber tett på hverandre. Utfordringen til automasjonsteknikere er å velge og installere kabling til strøm, kommunikasjon og sikkerhet som drar nytte av dagens teknologi, samtidig som de har ett øye på fremtiden når det kommer til skalerbarhet.

Dette er en tøff utfordring fordi fabrikker er en stor investering, og de er bygget for å vare. Produksjonsteknologien vil i løpet av levetiden utvikle seg, og ledningssystemer som bare noen få år tidligere var tilfredsstillende, er kanskje ikke lenger tilstrekkelige. Etter hvert som produksjonskapasiteten øker, vil derimot hvert ekstra system kreve sin egen tilkobling, og ny ledningstrekking i en fabrikk er ikke bare dyrt og tidkrevende, det betyr også at dyrt maskineri sitter uten å være i bruk.

Teknikere velger i økende grad å bruke modulære systemer som rommer ledninger for strøm, kommunikasjon og sikkerhet i samme mantel, samtidig som de åpner for fremtidig vekst i form av ekstra reserveledninger. En viktig del av denne tilnærmingen er M23-kontaktsystemet, navngitt slik fordi diameteren på gjengen til kabelkoblingen er 23 millimeter (mm). Systemet er relativt enkelt å montere og teste, og tilbyr en robust og pålitelig strøm- og kommunikasjonsinfrastruktur (figur 1).

Figur 1: Et M23-ledningssett som viser et uttak på 23 mm med en 8-polet hunninnsats. (Bildekilde: Molex)

M23-kontakter og kabling er utviklet for service av de elektriske driverne, servomotorene og pulsgiverne som er felles for industriautomasjon. M23-systemet har en rekke innsatser og hus for data, kommunikasjon og kombinert strøm og data, noe som gjør det godt egnet for konstruksjoner som involverer signal- eller strømoverføring. M23-ledningssett kan bære spenninger på 250, 630 eller 800 volt ved strømverdier på 9, 18 eller 30 ampere (A).

M23-kabling er ikke underlagt noen internasjonale standarder. Produsenter følger imidlertid vanligvis anbefalinger vedrørende produksjon av ledningssettene som muliggjør driftskompatibilitet. Som sådan kan M23 betraktes som en de facto-standard.

En variant av M23-systemet er M12, som har en kontaktgjengediameter på 12 mm. Fordi M12 ikke brukes til strøm, er ledningssettene mer kompakte, noe som reduserer både kostnader og plass (figur 2).

Figur 2: M12-ledningssettet brukes kun til kommunikasjon og sikkerhet, og det har et mer kompakt format enn M23. (Bildekilde: Molex)

Hovedgrunnen til M23/M12 sin suksess, er fleksibilitet. For det første kan konstruktører velge å lage sine egne tilpassede systemer ved å spesifisere kabler, koblinger, uttak, innsatser, kontakthus og til og med diameteren på sammenkoblingsboltene. Koblingene er tilgjengelige i rette og vinklede versjoner, og innsatsene kan anskaffes med flere pinneantall og mønstre. Resultatet er et bredt spekter av varianter som kan tilpasses til praktisk talt alle bruksområder.

Alternativt kan konstruktøren velge mellom en rekke fabrikkleverte sammensetninger med kabler/koblinger eller kabler/uttak. Fordelen med å velge ferdigbygde produkter er tidsbesparelsen ved montering og forsikringen om at integriteten til kabelen og kontakten allerede er fabrikktestet. Ulempen er et relativt begrenset utvalg av løsninger sammenlignet med å bygge fra bunnen av. Det ferdigbygde sortimentet er imidlertid fortsatt bredt og dekker kontaktalternativer og kabellengder for de fleste fabrikkautomasjonsbehovene, deriblant roterende maskiner, sveiseroboter eller automatisert monteringsutstyr.

Beskyttelse mot forurensning, vibrasjoner og EMC

Med noen unntak, for eksempel produksjon av mat, legemidler og høyteknologisk elektronikk, er fabrikkmiljøet vanligvis fullt av fuktighet, støv, fett og andre forurensninger, og dette er fienden til elektriske systemer. I andre bruksområder kan det være nødvendig at kabel- og kontaktløsningen er motstandsdyktig mot syrlige og alkaliske løsninger som brukes under produksjon og rengjøring, noe som gjør det viktig at de motstår inntrengning av alle typer væsker, partikler og andre stoffer.

Den bestemte motstandsdyktigheten mot forurensninger som kreves, vil endres avhengig av fabrikkens krav. Produsenter kategoriserer produktene sine i henhold til IP-klassifiseringssystemet. IP-klassifiseringen angir graden av beskyttelse som produktet tilbyr, og er definert av den internasjonale standarden EN 60529.

Skjemaet består av to sifre, der det første representerer beskyttelsesnivået mot faste gjenstander, for eksempel verktøy eller fingre som kan være farlig hvis de kommer i kontakt med elektriske ledere, til luftbåren smuss og støv som kan skade kretser. Det andre sifferet definerer beskyttelsen mot ulike drypp, sprayer eller nedsenking. Området strekker seg fra IP00 (ingen beskyttelse mot støv eller vann) til IP69 (total beskyttelse mot støv og kraftige vannstråler med høy temperatur).

Det er ikke bare forurensende stoffer som kan skape problemer for dårlig konstruerte elektriske anlegg i fabrikken. Kabelmodulene kan også potensielt utsettes for termisk stress, vibrasjoner og mekanisk bøying (spesielt hvis de brukes i en robotkonstruksjon der kablene kan være i konstant bevegelse). I tillegg rommer fabrikker vanligvis store elektriske motorer som trekker store startstrømmer, noe som skaper strøm- og spenningsstøt og elektromagnetisk interferens (EMI) som kan forstyrre følsomme kommunikasjonssystemer.

M23- og M12-kabelmoduler er spesialutviklet til å håndtere fabrikkmiljøer, og skruekoblingene deres motstår vibrasjoner og mekanisk belastning. Kabelsettprodusenter tilbyr vanligvis alternativer med integrert skjerming ment for utfordrende EMI-omgivelser.

For eksempel tilbyr Molex en rekke svært robuste strømkabler med sitt Brad^® 120480 M23 overstøpte strømledningssett. Disse kabelmodulene er laget for krevende omgivelser med funksjoner som plastoverstøpte mantlinger for å beskytte kabelen/kontaktleddet og valgfri EMI-skjerming. De er tilgjengelige i diskrete lengder fra 1 meter (m) opp til 20 m og farget oransje for å gi høy synlighet (figur 3).

Figur 3: 120480 M23-ledningssettene har overstøping for å gi bedre beskyttelse og en rekke ulike innsatser. Seks- og åttepolede varianter vises her. (Bildekilde: Molex)

Kablene er tilgjengelige i enten seks- eller åttepolede (ledere) versjoner. Maksimal spenning og strøm er 800 volt og 18 A, og de har en kontaktmotstand på 3 ohm (Ω) og en isolasjonsmotstand på 100 megaohm (MΩ). Ledningssettene kan fungere over et temperaturområde på mellom –25 °C og +85 °C, og tilbyr IP67-beskyttelse mot støv og vann når de er sammenkoblet.

Fordelen med et modulært system som M23, er at fabrikkledningene kan raskt bygges opp og tilpasses etter hvert som fabrikken vokser. Systemet gir teknikere muligheten til å enkelt koble sammen ledningsnettverk og pare kabelendene direkte til maskiner som er utstyrt med M23-kontakter. Ledningene leverer ikke bare den høye spenningen og strømmen som kreves for fabrikkautomasjon, de er også i stand til å støtte fabrikkens kommunikasjonssystemer, for eksempel Ethernet, EtherCAT, Modbus og PROFINET (figur 4).

Figur 4: M23-kabling gjør det enklere å utvide fabrikkens kablede nettverk etter hvert som nye produksjonsceller legges til. (Bildekilde: Molex)

Sørge for sikkerhet på fabrikken

Konnektivitet spiller en viktig rolle i moderne fabrikker. Styring og oppdatering av utstyr er en stor del av nettverkets jobb, men sikkerhet for fabrikkautomasjon er også viktig, spesielt der mennesker og roboter jobber i nærheten av hverandre. Roboten har vanligvis flere sensorer for å stoppe bevegelse hvis en arbeider beveger seg inn i robotens definerte arbeidsområde, og sikkerhetscellen fullføres av låste porter og tilgangspaneler. Alle disse systemene krever konnektivitet, og det kablede nettverket kan raskt bli komplekst og tungvint hvis hver enkelt sensor skal betjenes av en gren av fabrikkens hovednettverk (figur 5).

Figur 5: Robotarbeidsceller krever viktige sikkerhetssystemer for å beskytte mennesker i fabrikkautomasjonsmiljøer. (Bildekilde: Molex)

I stedet forenkler teknikere ting ved å bruke MPIS-distribusjonsbokser (MPIS – multiport interconnection system) festet til fabrikkens hovednettverk. Derfra er M12-styringskabler tilkoblet boksenes utganger for å koble opp produksjonscellens sikkerhetssystemer. Et eksempel er Molex sin robuste, IP67-klassifiserte 1202480510 sikkerhets-MPIS-distribusjonsboks som hjelper til med å håndtere sikkerhetsenheter installert rundt maskiner (figur 6).

Figur 6: Sikkerhets-MPIS-distribusjonsbokser forenkler sikkerhetskablingen og reduserer samtidig plass og kostnader. (Bildekilde: Molex)

1202480510 har en 5 m integrert kabel for tilkobling til fabrikkens hovednettverk, fire åttepinners M12-porter og fire fire- og fempinners M12-porter i ett hus. Distribusjonsboksen muliggjør installasjon av standard I/O-ledningssystemer på begrenset plass, samtidig som den maksimerer fleksibilitet når det gjelder sikkerhetsutformingen. Hver port kan håndtere opptil 30 volt DC med en maksimal strøm på 4 A (12 A total strøm for distribusjonsboksen). Distribusjonsboksen er konstruert for bruk med ledningsett som Molex sin åttepolede M12 Micro-Change-serie på 1 m 1200652383 og den firepolede M12-versjonen 1200652378.

Konklusjon

Fabrikkautomasjon krever robuste, pålitelige og skalerbare ledningsnettverk for strøm, kommunikasjon og sikkerhet. Modulære systemer basert på M23 og M12 de facto-standardene forenkler innledende installasjon og oppfyller disse kravene. Ledningssettene og distribusjonsboksene de bruker er utviklet for fabrikkmiljøets røffe omgivelser, noe som gjør dem motstandsdyktige mot smuss og fuktighet, og de i stand til å takle ekstreme temperaturer, vibrasjoner og mekanisk stress.