Hur man bygger robusta elektriska kraft-, kommunikations- och säkerhetssystem för fabriksautomation

Kraft-, kommunikations- och säkerhetssystem är kritiska delar i en modern fabrik och möjliggör tillförlitlig drift av välanslutna maskiner som kostar flera miljoner dollar. Kabelsystemen måste dessutom vara tillförlitliga under många år för dessa kritiska delar, samtidigt som de tål värme och vibrationer och klarar av utmaningar som varierande inspänning, fukt och höga partikelhalter.

Det är svårt och dyrt att integrera omfattande ledningar i en fabrik, och helst är det ett jobb som bara ska göras en gång. Därför är det viktigt att se till att de kabeluppsättningar, kontakter och fördelningsdosor som används för att bygga upp ett system är robusta, tillförlitliga och skalbara för att uppfylla dagens och morgondagens standarder, protokoll och föreskrifter.

Artikeln ger en kort översikt över kraven i den moderna fabriken. Därefter presenteras ett modulärt tillvägagångssätt för att bygga och utveckla nätverk för industriell automation med hjälp av verkliga exempel på komponenter från Molex. Den visar hur ett modulärt tillvägagångssätt kan förenkla installationen och uppfylla viktiga krav på miljö, drift, säkerhet, tillförlitlighet och kostnader samtidigt som man behåller tillräcklig flexibilitet för utökning och anpassning när fabriken växer.

Inkoppling av morgondagens fabrik

Industriell automation har förändrat den moderna fabriken. Kommunikation är numera lika viktigt som den el som används för drivning och servomotorer i de stora maskiner som tillverkar varor, och säkerheten är avgörande när människor och robotar arbetar nära varandra. Utmaningen för automationsingenjören är att välja och installera kablar för kraft, kommunikation och säkerhet som drar nytta av dagens teknik och samtidigt håller ett öga på framtiden när det gäller skalbarhet.

Det är en tuff utmaning eftersom fabriker är en stor investering och byggs för att hålla länge. Under deras livstid kommer tillverkningstekniken att utvecklas och kabelsystem som var tillfredsställande bara några år tidigare kanske inte längre är lämpliga. När produktionskapaciteten ökar kommer dessutom varje ytterligare system att kräva sin egen anslutning, och det är inte bara dyrt och tidskrävande att dra nya kablar i en fabrik, utan det innebär även att dyra maskiner står stilla.

Ingenjörer vänder sig i allt högre grad till modulära system som rymmer ledningar för ström, kommunikation och säkerhet i samma hölje, samtidigt som de tillåter framtida tillväxt i form av reservkablar. En viktig del av detta tillvägagångssätt är anslutningssystemet M23, som kallas så eftersom kabelkopplingens gänga är 23 mm. Systemet är relativt enkelt att montera och testa och utgör en robust och tillförlitlig infrastruktur för kraftförsörjning och kommunikation (figur 1),

Figur 1: En sladduppsättning för M23 som visar ett 23 mm uttag med en 8-polig honkontakt. (Bildkälla: Molex)

Kontakter och kablage för M23 är utformade för att betjäna elektriska drivenheter, servomotorer och kodare som är vanliga inom industriell automation. Systemet M23 har en rad olika insatser och höljen för data, kommunikation och kombinerad kraft och data, vilket gör det lika lämpligt för tillämpningar med signal- eller kraftöverföring. Kabeluppsättningar för M23 kan hantera spänningar på 250, 630 eller 800 V vid strömmar på 9, 18 eller 30 A.

Kablage för M23 styrs inte av någon internationell standard. Tillverkarna följer dock i allmänhet rekommendationerna för tillverkningen av kabeluppsättningarna, vilket möjliggör kompatibilitet. M23 kan därför betraktas som en de facto-standard.

En variant av M23-systemet är M12, där kopplingen har en gängdiameter på 12 mm. Eftersom M12 inte används för strömförsörjning är sladdarna mer kompakta, vilket sparar kostnader och utrymme (figur 2).

Figur 2: Kabeluppsättningen för M12 används endast för kommunikation och säkerhet och har ett mer kompakt format än M23. (Bildkälla: Molex)

Nyckeln till M23/M12:s framgång är deras flexibilitet. För det första kan konstruktörerna välja att skapa sina egna skräddarsydda system genom att specificera kablar, kopplingar, uttag, insatser, kopplingshus och till och med diametern på de sammankopplande stiften. Kopplingarna finns i raka och vinklade utföranden, och insatserna kan fås med flera olika stiftantal och mönster. Resultatet är ett brett utbud av anpassningsbara varianter för praktiskt taget alla tillämpningar.

Eller så kan konstruktören välja mellan ett antal fabrikslevererade kabel-/kopplingsmontage eller kabel-/uttagsmontage. Fördelen med att välja färdiga produkter är att man sparar tid vid monteringen och att kabelns och kontaktens integritet redan har testats i fabriken. Nackdelen är ett relativt begränsat utbud av lösningar jämfört med att bygga från grunden. Det förbyggda sortimentet är dock fortfarande brett och omfattar kontaktalternativ och kabellängder för de flesta fabriksautomationsalternativ, inklusive roterande maskiner, svetsrobotar och automatiserad monteringsutrustning.

Skydd mot föroreningar, vibrationer och EMC

Med vissa undantag, t.ex. vid tillverkning av livsmedel, läkemedel och högteknologisk elektronik, är fabriksmiljön vanligtvis full av fukt, damm, fett och andra föroreningar som är de elektriska systemens fiende. I andra tillämpningar kan det krävas att kabel- och kontaktlösningen är beständig mot sura och alkaliska lösningar som används vid produktion och rengöring, vilket gör det viktigt att de tål inträngning av alla vätskor, partiklar och andra ämnen.

Den specifika motståndskraft mot föroreningar som krävs kommer att ändras beroende på fabrikens krav. Tillverkarna kategoriserar sina produkter enligt klassificeringssystemet IP. IP-klassificeringen anger produktens skyddsnivå och definieras i den internationella standarden EN 60529.

Systemet består av två siffror, varav den första representerar skyddsnivån mot fasta föremål, allt från verktyg eller fingrar som kan vara farliga om de stöter på elektriska ledare, till luftburen smuts och damm som kan skada kretsar. Den andra siffran definierar skyddet mot olika droppar, sprayer eller nedsänkning. Utbudet sträcker sig från IP00 (inget skydd mot damm eller vatten) till IP69 (totalt skydd mot damm och kraftiga vattenstrålar med hög temperatur).

Det är inte bara föroreningar som kan orsaka problem för dåligt utformade elektriska fabrikssystem. De färdiga kablarna kan även utsättas för termisk stress, vibrationer och mekanisk böjning (särskilt om de används i en robottillämpning där kablarna kan vara i ständig rörelse). I fabrikerna finns det dessutom vanligtvis stora elmotorer som drar stora startströmmar, vilket ger upphov till ström- och spänningstoppar och elektromagnetiska störningar (EMI) som kan störa känsliga kommunikationssystem.

Färdiga kablar för M23 och M12 är särskilt utformade för att klara av fabriksmiljöer, och deras skruvkopplingar tål vibrationer och mekanisk belastning. För utmanande EMI-miljöer erbjuder kabeltillverkare vanligtvis alternativ med integrerad skärmning.

Molex har exempelvis ett sortiment med robusta kraftkablar med sina M23-kraftkablar Brad^® 120480 med övergjutna kablage. Dessa kabelmontage är byggda för krävande miljöer med funktioner som övergjutna plasthöljen för att skydda kabelns/kopplingarnas skarv och valfri EMI-skärmning. De finns i olika längder från 1 upp till 20 m och är orangefärgade för att vara väl synliga (figur 3).

Figur 3: M23-kabeluppsättningarna 120480 har övergjutning för ytterligare skydd och ett antal olika insatser; här visas sex- och åttapoliga varianter. (Bildkälla: Molex)

Kablarna finns i varianter med sex eller åtta poler (kabel). Den maximala spänningen och strömmen är 800 V och 18 A, med ett kontaktmotstånd på 3 Ω och ett isoleringsmotstånd på 100 MΩ. Sladdarna kan användas i ett temperaturområde på 25 till +85 °C och har en IP67-klassning för damm- och vattenskydd när de väl är sammankopplade.

Fördelen med ett modulsystem som M23 är att fabrikskablage kan byggas upp och anpassas snabbt i takt med att fabriken växer. Systemet gör det möjligt för ingenjören att enkelt koppla ihop ledningsnätverk och koppla ihop kabeländarna direkt med maskiner som är utrustade med M23-uttag. Ledningarna har inte bara den höga spänning och ström som krävs för fabriksautomatisering, utan kan även stödja fabrikskommunikationssystem som Ethernet, EtherCAT, Modbus och PROFINET (figur 4).

Figur 4: M23-kablage gör det enklare att utöka det kabelanslutna fabriksnätverket när nya tillverkningsceller läggs till. (Bildkälla: Molex)

Garantera fabrikens säkerhet

Uppkoppling spelar en viktig roll i den moderna fabriken. Styrning och uppdatering av utrustning är en stor del av nätverkets arbete, men säkerheten vid fabriksautomation är också viktig, särskilt när människor och robotar befinner sig nära varandra. Roboten är vanligtvis utrustad med flera sensorer som stoppar rörelsen om personal kommer in i arbetsområdet, och säkerhetscellen kompletteras av låsta grindar och åtkomstpaneler. Alla dessa system kräver uppkoppling, och det kabelanslutna nätverket kan snabbt bli komplicerat och otympligt om varje sensor ska betjänas av en gren av fabrikens huvudnätverk (figur 5).

Figur 5: Arbetsceller med robotar kräver viktiga säkerhetssystem för att skydda mänsklig personal i fabriksautomationsmiljöer. (Bildkälla: Molex)

Istället förenklar ingenjörerna saker och ting genom att använda MPIS-distributionsdosor (Multiport Interconnection System) som är anslutna till fabrikens huvudnätverk. Därefter ansluts styrkablar för M12 till dosornas utgångar för att ansluta tillverkningsprocessens säkerhetssystem. Ett exempel är den robusta, IP67-klassificerade MPIS-distributionsdosan 1202480510 för säkerhet från Molex som underlättar hanteringen av säkerhetsanordningar som installerats runt maskiner (figur 6).

Figur 6: MPIS-fördelningsdosor för säkerhet förenklar säkerhetskablaget samtidigt som de sparar utrymme och kostnader. (Bildkälla: Molex)

1202480510 har en 5 m lång inbyggd kabel för anslutning till fabrikens huvudnätverk, fyra M12-portar med åtta stift och fyra M12-portar med fyra och fem stift i samma kapsling. Fördelningsdosan gör det möjligt att installera standard I/O-ledningsystem på begränsat utrymme samtidigt som den maximerar flexibiliteten i säkerhetsdesignen. Varje port kan hantera upp till 30 V DC med en maximal strömstyrka på 4 A (12 A total strömstyrka för fördelningsdosan). Fördelningsdosan är utformad för användning med sladduppsättningar såsom Molex serie Micro-Change 1200652383 för M12 på 1 m med åtta poler, samt varianten 1200652378 för M12 på 1 m med fyra poler.

Sammanfatttning

Fabriksautomatisering kräver robusta, tillförlitliga och skalbara kabelnät för kraft, kommunikation och säkerhet. Modulära system som bygger på de facto-standarderna M23 och M12 förenklar den första installationen och uppfyller dessa krav. De kabeluppsättningar och fördelningsdosor de använder är byggda med tanke på den hårda fabriksmiljön, vilket gör dem beständiga mot smuts och fukt, och att de klarar extrema temperaturer, vibrationer och mekaniska påfrestningar.