Olika alternativ för kontaktdon, förskruvningar och grepp för kablar till industriell automation

Det finns olika kontaktdon för att ansluta kablar och komponenter som används inom industriell automation. Dessa kontaktdon måste kunna överföra alla strömmar och datasignaler som kablarna bär samtidigt som ledningen termineras på ett sätt som håller ledarna ordentligt anslutna och skyddade. Utmaningen är att utrustning som förknippas med industriell automation ofta finns i smutsiga, heta, mobila och elektriskt brusiga miljöer, så industriella kabeldon kräver en nivå av robusthet och tillförlitlighet som inte behövs inom andra tillämpningar.

Låt oss först titta på några fundamentala fakta för industriella kontaktdon: Kontaktdon innehåller komponenter som klassificeras som kopplingar (som förenar två kablar) samt system som innehåller både stickdonet (eller stickkontakten) och uttaget (eller uttagskontakten) i ett sammansatt kontaktdon. I vissa sammanhang kan termen kontaktdon också avse kabelförskruvningar - termineringar som passerar genom höljesväggar, ofta med en fritt roterande underkomponent som fungerar för att komprimera en O-ringstätning runt kabeländen för att täta den mot kemikalier, öppna lågor, smuts och externa strömmar.

Industriella kabeldon sammanfogar kablar (oftast) vid front- och bakmonterade suttag på utrustningar. Alla kontaktdon och kabelförskruvningar har inträngningsskydd (IP) enligt IEC 60529 som reglerar deras motståndskraft mot smuts och fukt. Dessa klassificeringar är desamma som de som används för att beskriva robustheten hos komponenthöljen och kapslingar för industriell utrustning. En IP-kod har två siffror där högre värden indikerar en högre skyddsnivå i båda aspekterna.

Den första IP-klassificeringssiffran anger skyddsnivån från fasta föremål som damm - från 0 för inget skydd till 6 för dammtät tätning.

Den andra IP-klassificeringssiffran anger skyddsnivån mot vätskor - från 0 för inget skydd till 8 för kontinuerligt skydd mot vatten på 1 m djup.

Figur 1: Här illustreras vad de olika IP-klassningarna enligt IEC 60529 betyder. Kabeldonens IP-klassificering är ytterst viktig. (Bildkälla: connectortips.com )

Jämför RJ och M12 Ethernet-kontaktdon för automation

Ethernet, som definieras av IEEE 802.3, är fortfarande den mest använda LAN-tekniken (Local Area Network) överallt. Ethernet-baserade kommunikationsstandarder för industriell automation inkluderar ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP och Profinet. Kontaktdonen som vanligtvis förknippas med Ethernet-kablar är de ständigt närvarande RJ-donen - Registered Jack. De flesta RJ-kontaktdonen har ett kontaktdon som har en enkel plasttunga som klickas in en passande geometri på ett RJ-uttag för att hålla ihop de två ordentligt. Stickdonen och uttagen monteras enkelt på kablarna, och installationspersonal kan samtidigt klämma fast dem och skapa elektriska kontakter med hjälp av ett speciellt krimpverktyg. Krimpade kontakter möjliggör konstruktion av skräddarsydda kablar (som monteras på plats) som är rimligt tillförlitliga. Underkomponenter till stickdon som är utformade för sådan installation på plats har ofta transparenta kroppar för att installationspersonal ska kunna inspektera alla interna kontakter innan de tas i bruk. Med detta sagt är tillförlitligheten hos fabriksmonterade kablar oslagbar.

Figur 2: Detta är ett TL2253-ND-handkrimpningsverktyg som gör det möjligt att terminera RJ-stickdonet i fält med fyra, sex och åtta ledningars Ethernet-kablar skurna i längd. Med en klämning skalar verktygets knivar av platta eller runda Cat5e och Cat6 och säkrar kontaktstommen. (Bildkälla: Tripp Lite)

Där RJ-kontaktdon inte är tillräckligt robusta för en viss industriell miljö kan M12-kontakter vara bättre. Det beror på att M12-kontakter ger en mer tillförlitlig och fysiskt robust anslutning - med den extra fördelen att skydda mot inträngning av damm och vätskor.

Figur 3: RJ-kontaktdon såsom de som visas här är de vanligaste på Ethernet-kablar. Men med det sagt finns det även andra anslutningstyper tillgängliga som kan användas på Ethernet-kablar. (Bildkälla: Getty Images)

Power over Ethernet (PoE), som definieras av IEEE 802.3, är ett bekvämt sätt att få både data och elektrisk effekt via en enda kabel. PoE-alternativ A (ofta kallat läge A) använder samma två tvinnade par för att bära både data och ström, så att kablar med färre kärnor kan användas, och bandbredden är begränsad till 100 Mbps (100BASE-TX). PoE-alternativ B (ofta kallat läge B) använder en Cat 5 Ethernet-kabel med fyra tvinnade par - två par som bär data och två par som bär effekt. Detta minskar den tillgängliga bandbredden för data - vilket begränsar datahastigheten till 100 Mbit/s även när kablarna är klassade för Gigabit Ethernet.

4PPoE eller 4-parig kabel kräver en kabel med fyra tvinnade par av ledare och alla överför både effekt och data. Detta innebär att högre datahastigheter (Gigabit Ethernet och senare) och strömmar stöds. Enheter som kan drivas med ström över Ethernet måste konfigureras till att fungera med läge A eller läge B på strömmatningen. Med detta sagt kan de använda fast eller varierande resistans över trådparen för att indikera kompatibilitet och begära en specifik effektmatningskonfiguration. Naturligtvis är det PoE-strömförsörjningen (den matande utrustningen eller PSE) som faktiskt avgör systemets PoE-läge.

Figur 4: Kontaktdonets utformning dikteras till stor del av den kabel den terminerar. M12 Ethernet-kabelkontakter, såsom de som visas här, är i allmänhet mer robusta än RJ-kontakter. Vissa tillverkare färgkodar dem för att ange kompatibilitet med vissa PoE-lägen och arrangemangen av ledarna. (Bildkälla: Lumberg Automation )

Terminering av både data- och strömkablar (liksom nätverkskablar såsom industriellt Ethernet, PROFINET och Fieldbus) är M-seriekontakter - runda kopplingskontakter med en gängad honhylsa (för montering på en hankontakt) lindad runt en rad ledande stift. M8- och M12-gängor (8 resp. 12 mm) är vanligast men M5, M16 och M23 är också välkända standarder. Den positiva (påskruvade) förslutningen av M-seriekontakterna säkerställer en mycket tillförlitlig anslutning som minimerar glapp i signalerna och skyddar samtidigt mot skräp i omgivningen som är så vanligt i stänkande och frätande miljöer. Inte konstigt att M-seriens kontakter är en toppstandard för kablar till styrdon, PLC:er, sensorer, strömbrytare och kontroller av industriell automation.

M8- och M12-kontakter kan ha 2, 3, 4, 5, 8 eller 12 stift (även kallat positioner). Sensorer och strömförsörjningar kräver vanligtvis tre eller fyra stift. För kontakter i M-serien på ändarna av Ethernet- och PROFINET-kablar behövs fyra eller åtta stift. Däremot har donen på ändarna av kablar som bär Fieldbus-, CAN-buss- och DeviceNet-data vanligtvis fyra eller fem stift. Självklart kan kablar som bär flera data- och effektkanaler behöva termineras med en kontakt i M-serien som har alla 12 stiften.

Figur 5: Detta rätvinkliga kontaktdon, Brad Ultra-Lock 120108, är en specialanpassning av ett M12-kontaktform för att öka tillförlitligheten. (Källa: Molex)

Faktum är att en besläktad kontaktdonskonstruktion som är tämligen vanlig i branschen är pin-array-and-socket-paret, vilket ursprungligen introducerades av Molex, så det kallas ibland för Molex-kopplingar i dagligt tal. Den egenutvecklade Molex Brad-serien med kontaktdon är baserade på M12-kontaktdon, men ersätter den gängade hylsan med ett mer praktiskt och tillförlitligt system för trycklåsning. Eftersom låset inte är beroende av att operatören drar åt en ledning, garanterar det tillförlitlighet och minimerar risken för glapp i signalen. Olika Brad-kontaktdonsvariationer inkluderar:

• Brad Micro-Push M12-kontakter - en push-on- och pull-off-kontakt som ger IP65-skydd
• Brad MX-PTL M12 push-to-lock-kontakter som erbjuder IP65-skydd
• Brad Micro-Change M12 gängade kontakter som erbjuder IP67-skydd
• Brad Ultra-Lock- och Ultra-Lock EX M12-kontakter med push-to-lock-kopplingar och O-ringar för fullständig IP69K-nivå på inträngningsskyddet.

Koaxiala kontakter för högfrekventa signaler

Koaxialkablar (försedda med koaxialkontakter) används också i industriell automation för sändning av högfrekventa signaler - särskilt de som stöder vibrationsövervakning och analog signalöverföring. Olika standarder finns i överflöd.

BNC-kontakter har en bajonettfästning som anslutas eller kopplas bort med ett kvarts varvs vridning. De kan användas för frekvenser över 12 GHz och i vissa fall upp till 18 GHz. DIN 0.4- till 2.5-kontakter är mycket småpush-fit-kontakter lämpliga för frekvenser upp till 3 GHz. I kontrast till detta är DIN 1.0/2.3-kontakterna små push-fit-radiofrekvenskontakter som används i stor utsträckning inom digital telekommunikation.

Modulära och specialanpassade allt vanligare för automatiserade maskiner

Med konventionella systemintegrationsmetoder ”tillverkas” kablar - mäts, klipps och termineras - på plats under installationen av den automatiska utrustningen. Det betyder vanligtvis att en elektriker på plats skär de nödvändiga kablarna till önskad längd, skalar av ledarnas känsliga isolering och monterar kablarna med de kontaktdon som behövs för att ansluta önskade komponenter. Sådant kabelarbete i fält är tidskrävande och leder till varierande anslutningskvalitet. Därför är trenden nu att köpa modulära kabel- och anslutningssystem som består av standardkablar och fabriksmonterade kontakter. De önskade kabellängderna bestäms under konstruktionen och levereras färdiga att installera.

Vissa uppskattar att modulära kablar minskar installationstiden på plats med 60 till 70 % samtidigt som de elektriska anslutningarna blir mer tillförlitliga.

Det speciella fallet med kabelförskruvningar

Kabeldon som kallas förskruvningar (även packningsringar och genomföringar) används överallt där kablar passerar genom en höljesvägg. Förskruvningar har tre syften - att fixera kabeln, förhindra slitage på kabeln och ge en tätning runt kabeln för att skydda komponenter inuti höljet från skräp i omgivningen. Kabelförskruvningens konstruktion för att fixera kabeln förhindrar i princip skador på de elektriska kontakterna från ryck och andra belastningar. Det förhindrar också att kabeln skrapas eller gnids mot den vassa plåtkanten på höljet. Det är viktigt eftersom plåt lätt kan skära igenom kabelisoleringar och så småningom få ledare att kortslutas.

Mindre krävande tillämpningar använder ofta lamellära förskruvningar med flera tungor som klämmer fast runt kabeln. Denna typ av förskruvning är billigare men kräver regelbunden åtdragning för att behålla inträngningsskyddet. Förskruvningar av högre kvalitet använder en kontinuerlig tätning som klämmer om runt kabeln. Det är mycket mindre troligt att denna typ av förskruvning lossnar med tiden.

Utformningen av moderna industriella effektkontaktdon

Komponenter som används för industriell automation kräver utöver en dataanslutning ofta en kabelansluten strömförsörjning. Den relativt nya tekniken PoE-tekniken som nämnts tidigare är att föredra där det är möjligt att använda, eftersom den håller kabeldragningen så enkel. De allra flesta automationskomponenter och -system kräver dock traditionella effektkablar.

Kontaktdon som är standardiserade av International Electrotechnical Commission (IEC) är vanliga på elkablar för konsument-, kontors- och industritillämpningar. IEC definierar ett antal icke-låsande kontakter i IEC 60320-standarden med spänningar upp till 250 V och strömstyrka på högst 16 A. Här används C13/C14-kontaktdonet vanligtvis för elektronisk utrustning - inklusive datorströmförsörjningar. Större C19 / C20-kopplingar används i ändarna på kablar som bär högre ström - inklusive serverhöljen, till exempel.

Figur 6: Effektkablar för allmänna ändamål innehåller en mängd olika IEC- och andra standardkontaktdon. (Bildkälla: Getty Images)

För mer kritiska eller krävande tillämpningar föredras ofta IEC 60309-kontaktdon. Dessa kontaktdon, uttag och kopplingar är uttryckligen avsedda för industriellt bruk och kan bära spänningar upp till 1000 V, strömstyrkor upp till 800 A och frekvenser upp till 500 Hz. Alla dessa kontakter ger en viss tålighet mot vattenintrång: IP44-kontaktdon är stänksäkra, IP67-don är vattentäta och IP66/67-don kan på ett säkert sätt förhindra inträngning även när de utsätts för vattenstrålar under tryck. Uttag kan också vara förreglade så att uttaget inte får ström om det inte är anslutet till ett kontaktdon - och kontaktdonet kan inte lösgöras förrän strömmen stängs av.

Bild 7: Lägg märke till färgkodningen (följer IEC 60309) på detta kabelkontaktdon för hög effekt. (Bildkälla: Railway Tech)

Olika storlekar på IEC 60309-kontaktdon används för olika strömklassningar. Kontaktdonen är också nycklade och färgkodade för att indikera spännings- och frekvensområde:

• Gult indikerar att kabeln bär 100 till 130 V vid 50 till 60 Hz
• Blått indikerar att kabeln bär 200 till 250 V vid 50 till 60 Hz
• Rött indikerar att kabeln bär 380 till 480 V vid 50 till 60 Hz - ofta i en trefaskonfiguration

Slutsats

Det finns många olika geometrier och integrationsalternativ när det gäller att välja kontaktdon och förskruvningar för industriell automation. När en kabel specificeras för en viss automatiserad utrustning, måste de första parametrarna att ta hänsyn till för konstruktörer vara antalet kabelkärnor och deras dimensioner. Inträngningsskydd och behovet av ett aktivt lås för att förhindra glapp i signalerna är de näst viktigaste parametrarna.