Cum să construiți sisteme robuste de alimentare electrică, de comunicații și de siguranță pentru automatizarea fabricilor

Sistemele de alimentare, de comunicații și de siguranță sunt elemente critice ale unei fabrici moderne, care permit funcționarea fiabilă a unor utilaje de milioane de dolari foarte bine conectate. În plus, sistemele de cablare pentru aceste elemente critice trebuie să fie fiabile pentru mulți ani, în timp ce sunt supuse la căldură și vibrații și fac față unor provocări precum fluctuațiile tensiunii de intrare, umiditatea și nivelurile ridicate de particule.

Integrarea unei cablări extinse într-o fabrică este dificilă și costisitoare și, în mod ideal, este o lucrare care ar trebui făcută o singură dată. Drept urmare, este important să ne asigurăm că seturile de cabluri, conectorii și cutiile de distribuție utilizate pentru alcătuirea unui sistem sunt robuste, fiabile și scalabile, pentru a respecta standardele, protocoalele și reglementările actuale și viitoare.

Acest articol oferă o scurtă prezentare generală a cerințelor unei fabrici moderne. Apoi, prezintă o abordare modulară pentru construirea și evoluția rețelelor de automatizare industrială, folosind exemple reale de componente de la Molex. Acesta arată cum o abordare modulară poate simplifica implementarea și îndeplini cerințele de bază în materie de mediu, funcționare, siguranță, fiabilitate și costuri, păstrând în același timp suficientă flexibilitate pentru a se extinde și adapta pe măsură ce fabrica se dezvoltă.

Cablarea fabricii de mâine

Automatizarea industrială (IA) a transformat fabrica modernă. Comunicarea este acum la fel de importantă ca și energia electrică utilizată pentru acționările și servomotoarele utilajelor mari care produc bunuri, iar siguranța este esențială, deoarece oamenii și roboții lucrează aproape unii de ceilalți. Provocarea pentru inginerul de automatizare este selectarea și instalarea cablurilor de alimentare, de comunicații și de siguranță care să folosească tehnologia actuală, privind în același timp spre viitor în ceea ce privește scalabilitatea.

Este o provocare dificilă, deoarece fabricile reprezintă o investiție mare și sunt construite pentru a dura. Pe parcursul duratei lor de viață, tehnologia de fabricație va evolua, iar sistemele de cablare care erau satisfăcătoare cu doar câțiva ani înainte ar putea să nu mai fie adecvate. În plus, pe măsură ce capacitatea de producție crește, fiecare sistem suplimentar va necesita propria conectivitate, iar recablarea unei fabrici nu numai că este costisitoare și necesită mult timp, dar înseamnă și că utilajele scumpe rămân nefolosite.

Inginerii se orientează din ce în ce mai mult către sisteme modulare care găzduiesc cablajul pentru alimentare, comunicații și siguranță sub aceeași carcasă, permițând în același timp o creștere viitoare sub forma unor cabluri de rezervă. O parte esențială a acestei abordări este sistemul de conectori M23, denumit astfel deoarece diametrul filetului cuplajului de cablu este de 23 de milimetri (mm). Sistemul este relativ ușor de asamblat și de testat și constituie o infrastructură robustă și fiabilă de alimentare și de comunicații (Figura 1),

Figura 1: un set de cabluri M23 care prezintă un soclu de 23 mm cu o inserție cu 8 poli tip mamă. (Sursă imagine: Molex)

Conectorii și cablurile M23 sunt concepute pentru întreținerea acționărilor electrice, a servomotoarelor și a codificatoarelor obișnuite pentru automatizarea industrială. Sistemul M23 dispune de o gamă de inserții și carcase pentru date, comunicații, precum și pentru putere și date combinate, ceea ce îl face la fel de potrivit pentru aplicații care implică transmiterea de semnal sau de putere. Cablurile M23 pot transporta tensiuni de 250, 630 sau 800 de volți la curenți de 9, 18 sau 30 de amperi (A).

Cablarea M23 nu este reglementată de un standard internațional. Cu toate acestea, producătorii respectă în general recomandările privind fabricarea seturilor de cabluri, ceea ce permite interoperabilitatea. Drept urmare, M23 poate fi considerat un standard de facto.

O variantă a sistemului M23 este M12, care are un diametru al filetului de cuplare de 12 mm. Deoarece M12 nu este utilizat pentru alimentare, seturile de cabluri sunt mai compacte, economisind costuri și spațiu (Figura 2).

Figura 2: setul de cabluri M12 este utilizat numai pentru comunicații și siguranță; acesta are un factor de formă mai compact decât M23. (Sursă imagine: Molex)

Cheia succesului M23/M12 este flexibilitatea acestora. În primul rând, proiectanții pot alege să își alcătuiască propriile sisteme personalizate prin specificarea cablurilor, a cuplajelor, a soclurilor, a inserțiilor, a carcaselor conectorilor și chiar a diametrului pinilor de cuplare. Cuplajele sunt disponibile în modele drepte și înclinate, iar inserțiile pot fi achiziționate cu mai multe numere și modele de pini. Rezultatul este o gamă largă de variante personalizabile pentru aproape orice aplicație.

Alternativ, proiectantul poate alege dintr-o gamă de ansambluri de cabluri/cuplaje sau cabluri/socluri furnizate din fabrică. Avantajul alegerii produselor prefabricate constă în reducerea timpului de asamblare și în siguranța că integritatea cablului și a conectorului a fost deja testată în fabrică. Dezavantajul este o gamă relativ limitată de soluții în comparație cu construirea de la zero. Cu toate acestea, gama de produse prefabricate încă este largă și acoperă alternative de conectori și lungimi de cablu pentru majoritatea opțiunilor de automatizare a fabricilor, inclusiv utilaje rotative, roboți de sudură sau echipamente de asamblare automată.

Protecție împotriva contaminării, vibrațiilor și CEM

Cu unele excepții, cum ar fi fabricarea produselor alimentare, farmaceutice și electronice de înaltă tehnologie, mediul din fabrică este, de obicei, plin de umiditate, praf, grăsime și alți contaminanți care sunt inamicii sistemelor electrice. În alte aplicații, ar putea fi necesar ca sistemul de cabluri și conectori să fie rezistent la soluțiile acide și alcaline utilizate în timpul producției și curățării, fiind vital ca acesta să reziste la infiltrarea tuturor lichidelor, particulelor și a altor substanțe.

Rezistența specifică la contaminanți necesară se va modifica în funcție de cerințele fabricii. Producătorii își clasifică în mod util produsele în funcție de sistemul de clasificare IP. Clasificarea IP indică gradul de protecție oferit de produs și este definit de standardul internațional EN 60529.

Schema include două cifre, prima reprezentând nivelul de protecție împotriva obiectelor solide, de la unelte sau degete care ar putea cauza situații periculoase dacă ar intra în contact cu conductori electrici, până la murdărie și praf în suspensie care ar putea deteriora circuitele. Cea de-a doua cifră definește protecția împotriva diferitelor picături, stropiri sau scufundări. Gama se extinde de la IP00 (fără protecție împotriva prafului sau a apei) la IP69 (protecție totală împotriva prafului și a jeturilor de apă puternice, la temperaturi ridicate).

Nu doar poluanții pot cauza probleme în cazul sistemelor electrice prost proiectate ale fabricilor. Ansamblurile de cabluri sunt, de asemenea, potențial supuse la solicitări termice, vibrații și îndoiri mecanice (în special dacă sunt utilizate într-o aplicație robotică în care cablurile pot fi mereu în mișcare). În plus, în fabrici există, de obicei, motoare electrice de mari dimensiuni care absorb curenți de pornire mari, creând creșteri bruște de curent și tensiune, precum și interferențe electromagnetice (EMI) care pot perturba sistemele de comunicații delicate.

Ansamblurile de cabluri M23 și M12 sunt special concepute pentru a face față mediilor din fabrică, iar cuplajele lor cu șuruburi rezistă la vibrații și la solicitări mecanice. De obicei, pentru mediile EMI dificile, producătorii de seturi de cabluri oferă opțiuni cu ecranare integrată.

De exemplu, Molex oferă o gamă de cabluri de alimentare deosebit de robuste cu ajutorul seturilor de cabluri de alimentare supramulate Brad^® 120480 M23. Aceste ansambluri de cabluri sunt construite pentru medii solicitante, cu caracteristici precum învelișuri din plastic supramulate pentru a proteja îmbinarea cablu/conector și ecranare EMI opțională. Acestea sunt disponibile în lungimi discrete de la 1 metru (m) până la 20 m și sunt colorate în portocaliu pentru vizibilitate ridicată (Figura 3).

Figura 3: seturile de cabluri 120480 M23 sunt prevăzute cu supramulaj pentru protecție suplimentară și o gamă de inserții; aici sunt prezentate variantele cu șase și opt poli. (Sursă imagine: Molex)

Cablurile sunt disponibile în versiuni cu șase sau opt poli (fire). Tensiunea și curentul maxime sunt de 800 de volți și 18 A, cu o rezistență de contact de 3 ohmi (Ω) și o rezistență a izolației de 100 megaohmi (MΩ). Seturile de cabluri pot funcționa într-un interval de temperatură cuprins între 25°C și +85°C și oferă un grad de protecție IP67 împotriva prafului și a apei, odată ce sunt cuplate.

Avantajul unui sistem modular precum M23 este că există posibilitatea de a construi și adapta rapid cablajul din fabrică pe măsură ce fabrica se dezvoltă. Sistemul permite inginerului să cupleze cu ușurință rețelele de cabluri și să cupleze capetele cablurilor direct la utilajele echipate cu prize M23. Cablajul nu numai că oferă tensiunea înaltă și curentul necesare pentru automatizarea fabricii, dar poate să accepte și sisteme de comunicații din fabrică, cum ar fi Ethernet, EtherCAT, Modbus și PROFINET (Figura 4).

Figura 4: cablajul M23 facilitează extinderea rețelei cablate din fabrică pe măsură ce se adaugă noi celule de producție. (Sursă imagine: Molex)

Garantarea siguranței în fabrică

Conectivitatea joacă un rol esențial în fabrica modernă. Controlul și actualizarea echipamentelor este o mare parte din activitatea rețelei, dar siguranța automatizării fabricilor este, de asemenea, importantă, în special în cazul în care oamenii și roboții sunt apropiați unii de ceilalți. De obicei, robotul dispune de mai mulți senzori care opresc mișcarea în cazul în care un lucrător intră în zona de lucru, iar celula de siguranță este completată de porți și panouri de acces interblocate. Toate aceste sisteme necesită conectivitate, iar rețeaua cu fir poate deveni rapid complexă și greoaie dacă fiecare senzor este deservit de o ramură a rețelei principale a fabricii (Figura 5).

Figura 5: celulele de lucru robotizate necesită sisteme de siguranță vitală pentru a proteja lucrătorii umani în mediile de automatizare a fabricilor. (Sursă imagine: Molex)

În schimb, inginerii simplifică lucrurile prin utilizarea unor cutii de distribuție cu sistem de interconectare cu porturi multiple (MPIS) atașate la rețeaua principală a fabricii. De aici, cablurile de control M12 sunt conectate la ieșirile cutiilor pentru a cabla sistemele de siguranță ale celulei de producție. Un exemplu este cutia de distribuție MPIS de siguranță 1202480510 de la Molex, robustă și cu grad de protecție IP67, care ajută la gestionarea dispozitivelor de siguranță instalate în jurul utilajelor (Figura 6).

Figura 6: cutiile de distribuție MPIS de siguranță simplifică cablarea de siguranță, economisind spațiu și costuri. (Sursă imagine: Molex)

1202480510 dispune de un cablu integrat lung de 5 m pentru conectarea la rețeaua principală a fabricii, patru porturi M12 cu opt pini și patru porturi M12 cu patru și cinci pini într-o singură carcasă. Cutia de distribuție permite instalarea sistemelor de cablare I/O standard în spațiu limitat, maximizând în același timp flexibilitatea de proiectare a siguranței. Fiecare port poate gestiona până la 30 de volți c.c., cu un curent maxim de 4 A (12 A curent total pentru cutia de distribuție). Cutia de distribuție este concepută pentru a fi utilizată cu seturi de cabluri precum seria Micro-Change 1200652383 M12, de 1 m, cu opt poli și versiunea 1200652378 M12 de 1 m, cu patru poli de la Molex.

Concluzie

Automatizarea fabricilor necesită rețele robuste, fiabile și scalabile de cabluri de alimentare, de comunicații și de siguranță. Sistemele modulare bazate pe standardele de facto M23 și M12 simplifică instalarea inițială și îndeplinesc aceste cerințe. Seturile de cabluri și cutiile de distribuție pe care le folosesc sunt construite ținând cont de rigorile mediului din fabrică, ceea ce le face rezistente la murdărie și umiditate și capabile să reziste la temperaturi extreme, vibrații și solicitări mecanice.