Rätt kabel för industritillämpning: Välja rätt och använda på rätt sätt

Industriell sakernas internet (IIoT) förlitar sig på kablar för att överföra data, kommandon och ström mellan industrimaskiner samt mellan fabriksgolvet, IT-systemet och molnet. För anslutningar på verkstadsgolvet krävs det hur som helst mycket noggranna överväganden när det gäller val och dragning av kabel, på grund av fysiska, miljömässiga och elektriska risker: konstruktören måste ta hänsyn till många ofta motstridiga prioriteringar när det gäller prestanda och kostnad.

I denna artikel tar vi en närmare titt på utmaningar vid användning av kablar i industriell miljö och för industriell sakernas internet (IIoT). Vi diskuterar skillnaden mellan COTS-lösningar (commercial off-the-shelf) och lösningar för industrikablar. Vi kommer att visa hur du genom att specificera korrekt kabel kan öka prestandan och sänka den totala ägandekostnaden (TCO), en mycket viktig parameter vid planering av industriell sakernas internet (IIoT).

Vi kommer att se närmare på två olika tillämpningar: kablar i drivsystem med variabel frekvens (variabel frekvensomriktare) för industrimotorer och nätverk för industriell Ethernet. Vi valde ut dessa områden för att de illustrerar de olika aspekterna vid kabelanvändning på fabriker: drift med hög strömstyrka och datanätverk med hög hastighet.

Industrimiljö är mycket krävande för kablar

Industriella installationer omfattar tillverkningsanläggningar, olje- och gasförädlingsanläggningar, kolgruvor, avloppsreningsverk och transportsystem som tunnlar och tunnelbanor. I dessa miljöer utsätts kablar för tuffa förhållanden. De utsätts för kemikalier, ultraviolett ljus, fuktinträngning, slag och stötar, extrema temperaturer och vibrationer (figur 1). Förutom detta måste kablarna säkerställa signalintegritet och minimera signalförluster och elektromagnetiska störningar (EMI).

Figur 1: Industriklassade kablar måste upprätthålla signalintegriteten på fabriker där de utsätts för många risker. (Bildkälla: Belden)

Fel kan försämra säkerheten för operatörer, orsaka kvalitetsproblem och leda till stora kostnader – varje minut som produktionen står stilla kan kosta åtskilligt.

Mekaniska risker som kablar utsätts för på fabriker är bland annat slag och stötar, nötning, dragbelastningar och vibrationer. Dessutom är många industriella tillämpningar i kontinuerlig rörelse: till exempel fleraxliga verktygsmaskiner, robotar, vindturbiner, plockmaskiner, automatiska hanteringssystem och transportörsystem. Kablar som används för dessa tillämpningar måste kunna stå emot repetitiv böjning flera hundra tusen gånger.

Risk för inträngning av bland annat fukt, kemikalier och damm. Många industrier använder starka kemikalier, och kabeln måste stå emot långvarig exponering utan att dess egenskaper försämras. I till exempel livsmedels- och dryckindustrin måste utrustningen rengöras regelbundet med högtrycksvatten och frätande kemikalier för att leva upp till högt ställda hygienkrav. En dåligt utformad kabel kan släppa in vatten som kommer i kontakt med dess ledare.

Industrikablar exponeras ofta för elementen i installationer både inomhus och utomhus. De utsätts bland annat för extrema temperaturer (både höga och låga), UV-strålning (solljus), fukt och även gnagare eller inträngande trädrötter.

Elektricitet i industrimiljö innebär hög strömstyrka, hög spänning, otillräcklig jordning och elektromagnetiska störningar från bågsvetsar, ugnar och HVAC-utrustning. Vid uppgraderingar på fabrik kan utrymmesbrist göra att nya kablar dras nära bullerkällor som motorer och generatorer.

Jämför de industririsker som diskuteras ovan med de som gäller för en typisk kommersiell miljö. I kommersiella installationer, inklusive kontor, serverrum och hem regleras klimatet vanligtvis med HVAC-system, vilka säkerställer att kablarna alltid håller jämn temperatur och fuktighetsnivå. Stora delar av kabelinfrastrukturen är dragen i tomrummet ovanför takplattor (plenum) eller inuti väggar, där de kan ligga orörda i många år. Vanlig kommersiell miljö är generellt fri från fina partiklar, vätskor och mycket hög temperatur. Därför utsätts inte kommersiella kablar för damm, fukt, kemikalier, extrema temperaturer eller UV-strålning.

COTS-kablar är utformade att klara av de förhållanden under vilka de kommer att användas. Om kommersiell kabel används i industritillämpningar blir följden återkommande fel, produktionsförluster, ökade kostnader och försämrad säkerhet. En jämförelse mellan två kabeltyper i en serie standardiserade tester visar att industriklassade produkter har överlägsen prestanda (figur 2).

Figur 2: Industriklassade kablar som utsätts för samma tester visar överlägsen prestanda. (Bildkälla: Belden)

Kabelns uppbyggnad

En kabel är uppbyggd av flera viktiga komponenter som alla bidrar till kabelns övergripande prestanda (se figur 3). Dessa komponenter är följande:

• Kabelns ledare
• Isolering för kablar och kabelmantel
• EMI-skärmning

Figur 3: DataTuff Ethernet-kablar (Cat 5e) för industrianvändning visar några av de designlösningar som förbättrar tillförlitlighet och prestanda. (Bildkälla: Belden)

Kabelns ledare

Det finns två typer av ledare som vanligtvis används för att överföra kraft eller elektriska signaler: entrådig ledare och flertrådig ledare. Dessa har olika egenskaper.

Som dess namn antyder har en solid kabel strömbana med en enda ledare (vanligtvis av koppar). I allmänhet är en solid kabel billigare än en mjuk kabel, och den har mindre diameter för samma strömstyrka. Den har överlägsna elektriska egenskaper och lägre motstånd, men den är inte lika flexibel. Därför är solid kabel mindre lämplig att använda i rörliga maskiner som robotar.

I en mjuk kabel består ledarna av många trådar som är sammanflätade till en större och tjockare ledare. Flexibiliteten i mjuka kablar gör dem mycket lämpliga för tillämpningar där vibrationer är vanliga eller tillämpningar där de utsätts för frekvent böjning.

Isolering för ledare och kabelmantel

Förutom att ge isolering fungerar plasten som skyddar ledarna även som dielektriskt material. Relativ kapacitivitet och förlustfaktor påverkar signalöverföringen (figur 4). Särskilt relativ kapacitivitet visar kabelns förmåga att lagra elektrisk energi: det är en funktion av hastigheten med vilken energin rör sig genom isoleringen. Förlustfaktorn visar den hastighet med vilken energin förloras till (absorberas av) det dialektriska materialet. Om värdet för någon av dessa parametrar reduceras förbättras signalöverföringen.

Figur 4: Jämförelse av egenskaper för vanliga material som används för kabelisolering. Lägre relativ kapacitivitet och förlustfaktor ger bättre signalöverföring. (Bildkälla: Texas Instruments)

Många industrikablar har skärmning runt ledarna för att minimera elektriskt brus och för att skydda mot störningar. De två vanligaste typerna är flätad skärmning och folieskärmning. Folieskärmning ger 100 % täckning men är svår att avsluta, och dess relativt höga motstånd ger dålig strömbana till jord. Flätad kopparskärmning ger endast 60 till 85 % täckning för skärmningen, men dess större massa ger bättre konduktans och enklare avslutning med god anslutning till jord.

I omgivningar med omfattande elektriska störningar (EMI) kan en kombinerad skärmning (folie/fläta) ge bäst skydd. Exempel: Alpha Wire har kablar med både en tredubbel skärmning (aluminium, polyester, aluminiumfolie) och flätad skärmning av förtent koppar (figur 5).

Figur 5: Skärmningen kan bestå av folie (underst), kopparfläta (mitten) eller (för att uppnå bättre prestanda) en kombination av aluminium/polyester/aluminiumfolie samt en flätad skärmning av förtent koppar (överst). (Bildkälla: Alpha Wire)

Kabelmanteln skyddar underliggande ledare mot mekanisk skada, fukt och kemikaliepåverkan vid installation och under kabelns hela livslängd. Manteln kan också ge bättre flamhärdighet, skydda mot UV-strålning och underlätta installation.

I armerade kablar (förstärkt mantel) skyddas ledare och skärmning mot krosskada. Armeringen är uppbyggd av aluminium och skärmningen av galvaniserad ståltråd. Armerad kabel kan också ha mantel av PVC eller liknande material runt metallen som förseglar kabeln och skyddar mot korrosiv ånga och fukt.

Standard kabelalternativ har sammankopplad armering av aluminium eller stål samt kablar optimerade för användning som jordkabel eller utomhusanvändning, bensinresistent, mycket flexibel eller för användning vid hög eller låg temperatur.

Högprestandakabel från många tillverkare har ytterligare patenterade funktioner. Till exempel använder Belden sin patenterade bundna par-konstruktion (en funktion som eliminerar avståndet mellan ledarpar för att på så sätt uppnå konsekvent tillförlitlig elektrisk propaganda) i sina industriklassade DataTuff Ethernet-kablar (Cat 5e).

Exempel på tillämpning: Ethernet-nätverk

Ethernet har används på fabriker i många år, men på senare tid har man börjat använda det även i högspänningstillämpningar (> 600 V) för maskinstyrning där säkerheten är mycket viktig. Även om styrkablar för dessa tillämpningar inte transporterar hög spänning lyder de ändå under kraven i NEC (National Electrical Code), vilket leder till ökad tillgänglighet för 600 V Ethernet-kablar.

Kablar i Flamar-serien från Molex är ett bra exempel på detta. Dessa kablar för 600 V är avsedda för industriautomation och finns i versioner för allmänna styrtillämpningar, servomotorstyrning och nätverk. Kablarna är resistenta mot svetsslagg och olja. De uppfyller Ecolab-standarder för livsmedelshygien och standard för oljeresistens II från Underwriters Laboratories® (UL).

För telekomkablar finns en särskild miljöstandard (ANSI/TIA-1005-A) som omfattar industrilokaler. Standarden fastställer fyra nivåer av miljöklassning för tålighet mot mekanisk påverkan, inträngning, klimatpåverkan/kemikalier och elektromagnetiska störningar (MICE). Klassificeringen delas in i allvarlighetsgrader för varje kategori: 1, 2 eller 3. Typisk miljöklassning för kommersiella byggnader är M1I1C1E1. Den tuffaste miljöklassningen i denna standard är M3I3C3E3.

Vid val mellan kablar som nominellt uppfyller de tuffaste kraven (som Ethernet Cat 5e) bör konstruktören jämföra kablarnas specifikationer ingående. Det finns ofta flera kablar i olika prisklass som vid en första granskning verkar uppfylla de högsta kraven för tillämpningen. Men vid en mer ingående jämförelse framträder skillnader i specifikationerna.

Belden 7928 och 7939 är till exempel DataTuff-kablar med 8 ledare som är Cat 5e-klassade för industriell användning, men det finns skillnader i vilka tillämpningar de rekommenderas för. Anledningen till det är små konstruktionsvariationer som gör att 7928 är att föredra framför 7939, men det gör den också dyrare att tillverka (tabell 1).

Tabell 1: Belden 7939 och 7928 är DataTuff-kablar (Cat 5e) med 8 ledare som skiljer sig lite åt i konstruktionen, som gör att 7928 har vissa prestandafördelar. (Datakälla: Belden)

Tack vare dess FEP-isolering kan 7928 användas vid högre temperatur än 7939 (PVC-isolering). Den solida kopparledaren i 7928-kabeln ger bättre likströmsresistens (DCR) och mycket lägre max. kapacitans jämfört med 7939 med dess tvinnade ledare. Dessa skillnader i elektriska egenskaper gör att 7928 har mindre fördröjning och högre löphastighet.

Detta syns också i dess specifikationer för högfrekvent prestanda. Specifikationerna för 7928-kabeln anger att den kan användas för upp till 350 MHz, medan 7939 inte ska användas för frekvenser över 100 MHz. 7928 har också bättre prestanda vid låga frekvenser.

Den stora skillnaden i prestanda syns också på priset. Båda dessa kablar kan uppfylla de grundläggande specifikationerna för en specifik tillämpning, men kabeln med högre kvalitet har en extra marginal vad gäller prestanda och driftsäkerhet.

Tillämpningsexempel: Kabel för variabel frekvensomriktare

En motor omvandlar elektrisk energi till mekanisk rörelse, och motorer har varit en mycket viktig komponent i industrier under många år. Bland motortyperna kan nämnas borstmotorer och borstlösa likströmsmotorer (BLDC), växelströmsmotorer (AC) och stegmotorer – alla med sina egna prestanda- och driftegenskaper.

Karakteristika för pulståg för variabel frekvensomriktare

En variabel frekvensomriktare styr varvtal och moment för AC-motorer med hjälp av pulsbreddsmodulering (PWM). Vanlig användning för variabla frekvensomriktare är tillverkningsprocesser, men egenskaperna för den styrda drivenhetens signal gör att det är kritiskt att korrekt kabel används. Den kan göra skillnaden när det gäller prestanda och lång livslängd. Bland dessa egenskaper kan nämnas följande:

• Stående vågor: Impedansen för kabel för variabel frekvensomriktare är cirka 85 till 120 ohm (Ω).Impedans för en motor som styrs med variabel frekvensomriktare är vanligtvis flera hundra ohm. När pulsviddsmoduleringens pulståg möter motorns högre impedans reflekteras en avsevärd del av energin. Denna stående våg höjer kabelns spänning med faktor 2 eller 3, vilket i sin tur leder till nedbrytning av isoleringen och eventuellt haveri.
• Koronaurladdning: Det starka elektriska fält som omger ledarna joniserar luften mellan dem, vilket leder till energiurladdning. Koronaurladdning bryter ned materialet i kabelisoleringen och skadar skärmningen. Det kan också skada drivenhetens elektronik, orsaka effektförluster och till och med generera tillräckligt hög värme för att smälta isoleringen.
• Harmonisk distorsion: Alla signaler har energi vid driftfrekvens och energi vid multipler av den frekvensen (övertoner), vilket ger vågdistorsion. Energin vid högre övertoner ökar kabelns jouleförluster och genererar värme.
• Inkopplingsström: Vid start kan en motor dra mycket hög ström. De flesta variabla frekvensomriktare begränsar max. startström genom att sakta rampa upp motorvarvtalet, men kabeln måste ändå vara konstruerad för den initiala strömrusningen.
• EMI: Den snabba omkopplingen av digitala pulser genererar elektromagnetiska störningar. Denna energi kan överföras till andra kretsar och orsaka signaldegradering, falska signaler och andra problem.

Vid val av kabel för variabel frekvensomriktare är det mycket viktigt att ta med hela drivsystemet och nödvändig strömkapacitet i beräkningen (och kanske även med marginal för eventuell framtida ökning). Högprestandakablar för variabel frekvensomriktare har överlägsna egenskaper för jordning och skärmning jämfört med konstruktionskabel och ger både tillförlitligare och stabilare anslutningar. Här ger vi några tips och rekommendationer för att uppnå bättre prestanda för variabel frekvensomriktare:

• Jordledarsystemet ska vara utformat för lägsta möjliga impedans för jordströmbanan. En kabel med extra koppar i jordströmbanan (kallad 300 % jordningsdesign) säkerställer att potentiellt skadlig common-mode-ström (CMC) innesluts och returneras till drivenheten utan negativa effekter.
• Välj en ledare som är avsedd för drift med hög frekvens av förtent koppar (korrosionsskydd) med många kardlar för större ytområde.
• Välj kabel med låg kapacitans och hög dielektrisk hållfasthet. Kablar av konstruktionsgrad med THHN-beläggning (termoplast med högtemperatursnylon) för variabel frekvensomriktare har högre laddningsförluster för kabel och bygger snabbare upp spänning med reflekterad våg. Sådana kablar har cirka en tredjedel av isoleringsstyrkan hos en ledare med hög kvalitet med värmehärdande isolering, som till exempel korslänkad polyeten (XLP): XLP ger också bättre motstånd mot koronaurladdningar än THHN.
• Skärmningsmaterialet påverkar brusegenskaperna avsevärt. Skärmning med låg impedans ger mindre strömspegling och bättre tillförlitlighet för systemet. Omvänt kan en oskärmad kabel fungera som antenn och en källa till emission. För att säkerställa bästa möjliga prestanda för hög frekvens ska skärmen ha så stort ytområde som möjligt. Som vi nämnde tidigare har skärmning med dubbla kopparband eller fläta de bästa skärmningsegenskaperna.

Alpha Wire V-Flex-kablar är utformade särskilt för högprestandatillämpningar med variabel frekvensomriktare på robotar, transportörer och andra maskiner med repetitiv eller kontinuerlig rörelse. Dessa kablar har sju ledare, tvinnade förtenta kopparledare från 4 AWG till 16 AWG, TPE-mantel och bättre flexibilitet, vilket underlättar dragning och hantering. Kabeln VF16006 BK005 är exempelvis en kabel med fyra ledare (6 AWG) och folieskärmning/flätad skärmning (figur 6).

Figur 6: Kabeln VF16006 BK005 från Alpha Wire är avsedd för tillämpningar med variabel frekvensomriktare. Den klarar av upp till 52 A per ledare och har folieskärmning/flätad skärmning. (Bildkälla: Alpha Wire)

Kabeln är olje- och UV-beständig, drifttemperatur mellan −40 och +90 °C och kan hantera driveenheter på upp till 50 hk med fullastström på 52 A per ledare.

Slutsatser

För en viss tillämpning måste konstruktören vanligtvis välja bland flera olika kablar i olika prisklasser som samtliga verkar uppfylla högsta möjliga specifikationer. Men då ska man ha klart för sig att skillnaden i driftmiljö för kommersiell användning och industritillämpningar är mycket stor. I denna artikel har vi tittat på konstruktionsskillnader mellan kommersiella kablar och industrikablar, och vi har tittat närmare på kraven för kablar i två vanliga industritillämpningar.

Vi har också sett att industrikablar har både små och ganska avsevärda förbättringar som inte finns i kommersiella kablar som gör det mer än ekonomiskt försvarbart att använda sig av dem ute i fabriken.