Vad är ett kontaktdon för tung drift och var används de i industriella installationer?

Av Jody Muelaner

Bidraget med av Digi-Keys nordamerikanska redaktörer

Ett mångd olika kontaktdon används i industriella tillämpningar för att överföra effekt, sensorsignaler och styrdata i kablar genom anslutningar ut ur och in i automationsutrustningar. Vad som utgör ett kontaktdon för tung drift (ibland förkortat HDC i produktnamn för kontaktdon) beror på tillämpningen - det är alltså ett relativt begrepp. Det finns dock en tydlig skillnad mellan stryktåliga industriella kontaktdon och de lätta RJ- och IEC-kontaktdon som finns i rena automationsanläggningar inomhus med enkelt Ethernet och svaga strömmar.

Kontaktdon för tung drift, eller benämnt bara kraftiga kontaktdon, har en högre total robusthet samt förbättrat inträngningsskydd, lägre brandrisk, bredare arbetstemperatur, förreglingar, jordskärmningar eller helt enkelt en mer tillförlitlig anslutning med positiv låsning.

Kraftiga kabelgenomföringar jämfört med kraftiga kontaktdon

Kabelgenomföringar (ibland kallade sladdgrepp) är mestadels mekaniska komponenter som omsluter kablar när de senare passerar genom industriella kontrollpaneler och andra höljen, kontaktdonsväggar och styrenheter av plåt och hårdplast. Kabelgenomföringar har tre syften. De:

  • Fixerar kabeln
  • Förhindrar att kabeln skavs och skyddar mot annat slitage
  • Skapar en tätning runt kabeldelen för att skydda mot fuktinträngning och insugning i höljet

Det sätt som kabelgenomföringar fixerar kablar på förhindrar skador på de elektriska kontaktdonen om kabeln dras i eller på annat sätt påverkas. Kabelgenomföringar förhindrar också att kabelns mantlingar gnids mot de vassa kanterna runt hål i höljen när kabelgenomföringarna fyller ut och utvidgas runt dessa kanter. Utan kabelgenomföringar kan kablar som utsätts för minsta rörelse snabbt skäras upp av de skarpa kanterna i vägghålen tills deras yttre isolering är helt genomskuren... och kabelns ledare kortsluts.

I motsats till dessa kabelgenomföringar (som omsluter kablar) har vi kontaktdonen som terminerar kablarna - och som i allmänhet gör det lättare att koppla bort och återkoppla samt att sammanfoga flera komponenter och kabeldelar. Typiskt sett har tunga varianter av dessa kontaktdon en eller flera stryktåliga egenskaper.

Kraftiga kabelkontaktdon kan ha ett skydd för kabelgenomföringen i form av en universell kabelgenomföring, kabelklämma eller tätning och vridskydd. Oavsett den mekaniska formen, fixerar de kabeln och förhindrar att den dras lossnar från kontaktstiften. Skyddet för kabelgenomföringen kan också förhindra slitage av kablar, precis som lösa kabelgenomföringar gör. Observera att lamellära insatser (packningar med flera fingrar) är vanliga på medelkraftiga kontaktdon, men insatserna kräver regelbunden åtdragning för att hålla inträngningsskyddet intakt. Genomföringar med en kontinuerlig tätning som klämmer runt kabeln är ofta ett mer tillförlitligt val för tunga tillämpningar.

Höljet runt vissa kraftiga kabelkontaktdon omsluter de elektriska ledarna i kontakten samtidigt som det ger isolering och inträngningsskydd - samt någon form av låsande hylsa eller spak för att hålla ihop kontakthalvorna.

På många kraftiga kabelkontaktdon innehåller haninsatsen både hanstift och skruvar eller crimpkontakter där ledarkärnorna är i kontakt med stiften. I sådana kontaktdon innehåller honinsatsen de kompletterande socklarna samt uttag eller crimpterminaler där ledarkärnorna är i kontakt med uttagen.

De stryktåliga höljena för tunga kabelkontaktdon är kanske deras mest iögonfallande egenskap - ofta med isolering och skydd mot inträngning. Som tillbehör finns ytterligare skyddshöljen och guider till stiftkoderna.

Figur 1: Han®-seriens kontaktdon har flera kompletterande funktioner för att klara ganska brutala miljöförhållanden. (Bildkälla: Harting)

IP-koder för inträngningsskydd i tunga kontaktdon

Det är också ganska vanligt att tunga kontaktdon har ett inträngningsskydd mot vätskor och fasta partiklar. Kontaktdonens inträngningsskydd klassificeras enligt samma IP-koder (Ingress Protection) som används för höljen. Den första siffran i en IP-kod anger skyddet mot fasta föremål, med värden från 0 (inget skydd) till 6 (helt dammtät konstruktion). Den andra siffran i IP-koden indikerar skyddet mot vätskor, med värden från 0 (inget skydd) till 8 (kontinuerligt skydd mot vatten på 1 m djup) eller till och med 9K - som anger skydd mot högtrycksstrålar. Ett IP67-klassat kontaktdon kan exempelvis motstå damm och tillfällig nedsänkning i vatten.

Variationer av egenutvecklade kontaktdon - varför är de så vanliga?

Eftersom kraftiga kontaktdon är starkt beroende av mekanisk förslutning och tätande egenskaper, är många produkter på marknaden idag antingen egenutvecklade konstruktioner eller installationsspecifika kontaktdonsvarianter. Hela industrier har exempelvis standardiserat de kraftiga rektangulära kontaktdonen för effekt- och styranslutningar från Harting Han-serien. Faktum är att detta varumärke inom kontaktdon ibland anses vara synonymt med termen tunga kontaktdon i allmänhet.

Figur 2: Han-seriens kontaktdon (med 4 och 26 stift) är något av en industristandard som uppfyller olika krav på data- och effektanslutningar från 50 till 5 000 V och 3 till 200 A. Låsarrangemangen omfattar ett Han-Easy Lock med ett handtag för enkel manövrering och ett Han-Easy Lock med dubbla handtag - för mer tillförlitlig låsning, högre trycktäthet och användning med kabel-till-kabel-anslutningar. Ytterligare ett robust alternativ är skruvlåsning, för maximal trycktäthet och minskad risk för obehörig användning. (Bildkälla: Harting)

Kontaktdonen i Han-serien har stiften placerade i ett rektangulärt hölje som passar ihop med motsvarande uttag i ett rektangulärt hölje. Kopplingarna är i allmänhet utrustade med låsspakar så att installationspersonalen enkelt och säkert kan ansluta kontaktdonen och se till att de inte kan dras isär, inte ens när avsevärda draglaster är pålagda.

Kåpor (påskruvade täckstycken för kontaktdon) är vanligast vid effektkabeltermineringar och finns i konfigurationer med ingång upptill eller sidan. Höljena kan vara skruvmonterade, ytmonterade eller mellanväggsmonterade för att ge en anslutning till instrument eller maskiner. Alternativt kan donhöljena också fungera som termineringar för kopplingar kabel-till-kabel. Kåpor och höljen tillverkas vanligtvis av gjutna legeringar, men höljen av rostfritt stål och plast är också vanliga. Vissa tillverkare erbjuder konfigurerbara kontaktdon som kan monteras i en enda kåpa eller ett enda hölje. Detta möjliggör ett högre antal stift i alla olika moduler. Sådana kontaktdon finns tillgängliga under varumärkena Molex GWconnect HDC och TE Connectivity HDC.

De stryktåliga kabelkontaktdonen för data- och sensorsignalkablar är lite annorlunda beskaffade. Här är M-seriens kontaktdon ledande. Det är robusta kontaktdon som används i olika dataanslutningar (inklusive sådan som är baserade på Ethernet) och i elektrisk effektöverföring. Robusta kontaktdon i M-serien är vanligast i industriella nätverkstillämpningar med PROFINET, fältbussar och industriell Ethernet för att ansluta sensorer, switchar och PLC:er.

Som vi har beskrivit i tidigare artiklar från Digi-Key består M-seriens kontaktdon av runda han- och honkontaktdon med standardiserade hylsor med metrisk gänga som omsluter och skyddar de interna hanstiften och honuttagen. Standardstorlekarna omfattar kontaktdon med 5 mm M5, 8 mm M8, 12 mm M12, 16 mm M16 och 23 mm M23. Den gängade hylsan ger en mycket robust och tillförlitlig anslutning som inte lätt kan dras isär och som garanterar en mycket tillförlitlig elektrisk anslutning, som minimerar glapp i signalerna. Hylsan ger också M-seriens kontaktdon en hög nivå av inträngningsskydd som i många fall även möjliggör användning i blöta och korrosiva miljöer. De vanligaste storlekarna är M8- och M12-kontaktdon med 2, 3, 5, 6, 7, 8 eller 12 stift. Vanligtvis används 3- eller 4-stiftskontaktdon i M-serien för sensorer och strömförsörjning, 4- eller 8-stiftskontaktdon i M-serien för Ethernet- och PROFINET-enheter och 4-eller 5-stiftskontaktdon i M-serien för Fieldbus-, CAN-buss- och DeviceNet-automationsutrustning.

Figur 3: M-seriens kontaktdon är tillverkade av höghållfast aluminium och har en spärrskruv för snabb och säker kabelhopkoppling med en hand. (Bildkälla: LEMO)

Dataanslutningar som används i industriella tillämpningar inkluderar bl.a. Ethernet, ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP och Profinet, samt olika egenutvecklade format. RJ-kontaktdon är standard för alla Ethernet-installationer - men de ger inget skydd mot inträngning och är inte särskilt robusta. Även om en plasttunga på han-sidan klickar in i uttaget (för att hålla ihop kontakthalvorna) är den ganska ömtålig, och detta gör att kontakten kan dras ur uttaget även vid måttliga dragkrafter. Därför är M-seriens kontaktdon ett utmärkt alternativ om en automatiserad installation utsätts för rörelser och åverkan tidvis.

Det finns dock ytterligare en invändning här. Även om standardkontaktdon i M-serien är ett lämpligt alternativ för industrikontaktdon, är de beroende av att teknikern drar åt kontaktgängorna korrekt för att få en tillförlitlig anslutning (och en klassad skyddsnivå mot inträngning). En del leverantörer av kontaktdon har försökt lösa även denna potentiella felkälla genom att sälja push-fit-kontaktdon som låses automatiskt. Den kanske mest etablerade av dessa är Molex Brad-seriens kontaktdon, som är en direkt ersättning för M12-standardkontaktdon. Dessa saknar den gängade hylsan för en tillförlitlig mekanism för att trycka ihop kontakten, så det räcker att trycka ihop kontakthalvorna för att få en perfekt låsning och en tillförlitlig anslutning utan risk för intermittenta signaler eller avbrott i anslutningen. Dessa kontaktdon finns i olika konfigurationer och inkluderar push-on- och pull-off-kontaktdon med IP65-skydd.

Figur 4: Ultra-Lock-kontaktdonen är ett låsalternativ med O-ringar som ger idiotsäkra anslutningar och IP69K-skydd. (Bildkälla: MOLEX)

När de används i Ethernet-tillämpningar kan M-seriens och Molex Brad-kontaktdonen också överföra effekt med hjälp av PoE-standarderna (Power over Ethernet) i tre konfigurationer - alternativ A, alternativ B och 4PPoE - för att stödja olika nivåer av bandbredd och strömkapacitet.

IEC-effektkontaktdon för höga effektkrav

International Electrotechnical Commission (IEC) definierar olika standarder för effektkontaktdon som används i hushåll, handel och industri. IEC 60320 inkluderar t.ex. ej låsbara kontaktdon med spänningar och strömmar på upp till 250 V och 16 A. Det rör sig bland annat om stora men inte särskilt kraftiga C13/C14- och större C19/C20-kopplingar som är vanliga i elektronisk utrustning i industriella installationer, inklusive nätaggregat för datorer och serverlådor. Dessa kopplingar betraktas normalt inte som kraftiga kontaktdon.

Däremot är de låsbara IEC 60309-kontaktdonen robusta - och avsedda för användning på industrikablar som överför spänningar och strömmar på upp till 1 000 V och 800 A. Alla låsbara IEC 60309-kontaktdon har en viss grad av inträngningsskydd med standardkonfigurationer som ger stänkskydd (IP44), vattentäthet (IP67) eller strålskydd och vattentäthet (IP66/67).

Standarden tillåter även förreglade och samordnade uttag: Uttagskontaktdon med denna funktion kan inte strömsättas om de inte är anslutna till en stickkontakt, och stickkontakten kan inte tas bort förrän strömmen är avstängd. Följande färgkodning anger det tillåtna spännings- och frekvensområdet för kontakten.

  • Gult indikerar att IEC 60309-effektkontakten är lämplig för 100 till 130 V vid 50 eller 60 Hz.
  • Blått indikerar att IEC 60309-effektkontakten är lämplig för 200 till 250 V vid 50 eller 60 Hz.
  • Rött indikerar att IEC 60309-effektkontakten är lämplig för 380 till 480 V vid 50 eller 60 Hz, ofta i en trefaskonfiguration.

Figur 5: Detta röd-färgkodade tunga kontaktdon uppfyller IEC 60309-standarden för att mata 380 till 480 V. (Bildkälla: Wikimedia Commons)

Slutsats

Kraftiga kontaktdon måste uppfylla olika krav. Behöver kontaktdonet tåla stötar och slag - eller att krafter verkar för att dra den isär? Behövs skydd mot damm eller vatten? Vilka temperaturer behöver kontakten klara? Ska den kraftiga kontakten installeras i miljöer där brandfara är ett problem?

Antalet stift och den spänning och ström som ska överföras av varje stift måste också beaktas - tillsammans med riktningen för kabelgenomföringen och graden av kabelskydd. På automatiska maskiner som utsätter kablar och deras anslutningar för rörelser, måste lämpliga kabelförskruvningar och kabelklämmor installeras, och det är även klokt att använda vridningshindrande anordningar.

För elektriska laster som är relativt lätta, men som sker i hårda miljöer är M-seriens kontaktdon och deras syskonprodukter ofta lämpliga val. För högre elektriska laster kan rektangulära kontaktedon vara en bättre lösning, särskilt eftersom de kan konfigureras till att passa nästan alla komplexa krav på olika riktningar på kabelgenomföringar, monteringsalternativ och modulära konstruktioner i allmänhet. För enkla effektanslutningar till en- eller trefasig växelström är låsbara industriella IEC 60309-kontaktdon det främsta (om inte det enda) valet.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner är en ingenjör som har utvecklat sågverk och medicintekniska produkter, hanterat riskbedömningar i flygindustrins tillverkningssystem och skapat innovativa laserinstrument. Han har blivit publicerad i många expertgranskade tidskrifter och offentliga utredningar... samt har skrivit tekniska rapporter för Rolls-Royce, SAE International och Airbus. Han leder för närvarande ett projekt för att utveckla en e-cykel, som finns beskriven på betterbicycles.org. Muelaner har också koll på utveckling kring koldioxidavskiljning.

Om utgivaren

Digi-Keys nordamerikanska redaktörer