Vybudování robustních systémů elektrického napájení a komunikačních a bezpečnostních systémů pro tovární automatizaci

Napájecí, komunikační a bezpečnostní systémy jsou kritickými prvky moderní továrny, které umožňují spolehlivý provoz vysoce propojených strojů v hodnotě mnoha milionů dolarů. Kromě toho musí být kabelové systémy pro tyto kritické prvky spolehlivé po mnoho let a zároveň se musí vypořádat s teplem, vibracemi a výzvami, jako je kolísání vstupního napájecího napětí, vlhkost a vysoké koncentrace pevných částic.

Integrace rozsáhlé kabeláže do továrny je obtížná a nákladná. A v ideálním případě je to práce, která by se měla dělat jen jednou. Je proto důležité zajistit, aby kabelové svazky, konektory a rozvodné boxy používané k sestavení systému byly odolné, spolehlivé a škálovatelné a aby splňovaly současné i budoucí normy, protokoly a předpisy.

V tomto článku je uveden krátký přehled požadavků moderní továrny. Poté je zde představen modulární přístup k budování a rozvoji sítí průmyslové automatizace pomocí příkladů komponent z reálného světa od společnosti Molex. Ukážeme si zde, jak může modulární přístup zjednodušit nasazení a splnit základní požadavky na prostředí, provoz, bezpečnost, spolehlivost a náklady, přičemž si zachová dostatečnou flexibilitu pro rozšiřování a přizpůsobování s růstem továrny.

Kabeláž budoucí továrny

Průmyslová automatizace („Industrial Automation“, IA) proměnila moderní továrnu. Komunikace je nyní stejně důležitá jako elektřina používaná pro pohony a servomotory velkých strojů, které vyrábějí zboží, a bezpečnost je zásadní, protože lidé a roboti pracují ve vzájemné blízkosti. Výzvou pro inženýry automatizace je výběr a instalace napájecí, komunikační a bezpečnostní kabeláže, která využívá výhody dnešní technologie a zároveň se, co se týče škálovatelnosti, dívá jedním okem do budoucnosti.

Je to těžká výzva, protože továrny jsou velkou investicí a jsou postavené tak, aby vydržely po dlouhou dobu. Během jejich životnosti se bude výrobní technologie vyvíjet a kabelové systémy, které byly uspokojivé před pouhými několika lety, již nemusí být dostatečné. Navíc se zvyšující se výrobní kapacitou bude každý další systém vyžadovat vlastní konektivitu a výměna kabeláže továrny je nejen drahá a časově náročná, ale také znamená, že drahé stroje mají nečinné prostoje.

Technici stále více využívají modulární systémy, které obsahují kabeláž pro napájení, komunikaci a bezpečnost ve stejném plášti a zároveň umožňují budoucí růst ve formě náhradních kabelů. Klíčovou součástí tohoto přístupu je konektorový systém M23, nazývaný tak proto, že průměr závitu kabelové spojky je 23 mm. Systém se poměrně snadno sestavuje i testuje a vytváří robustní a spolehlivou napájecí a komunikační infrastrukturu (obrázek 1).

Obrázek 1: Kabelový svazek M23 zobrazující 23mm zásuvku s 8pólovou vložkou-zásuvkou. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Konektory a kabeláž M23 jsou určeny pro provoz elektrických pohonů, servomotorů a kodérů běžných v průmyslové automatizaci. Systém M23 obsahuje řadu vložek a krytů pro data, komunikaci a kombinaci napájení a dat, díky čemuž je stejně vhodný pro aplikace zahrnující přenos signálu nebo napájení. Kabelové svazky M23 mohou přenášet napětí 250, 630 nebo 800 V při proudech 9, 18 nebo 30 A.

Kabeláž M23 se neřídí mezinárodním standardem. Výrobci se však obecně řídí doporučeními týkajícími se výroby kabelových svazků, které umožňují interoperabilitu. Systém M23 lze proto považovat za de facto standard.

Variantou systému M23 je systém M12, který má průměr spojkového závitu 12 mm. Vzhledem k tomu, že se systém M12 nepoužívá k napájení, jsou kabelové svazky kompaktnější, což šetří náklady a prostor (obrázek 2).

Obrázek 2: Kabelový svazek M12 slouží pouze pro komunikaci a bezpečnost a má kompaktnější tvar než svazek M23. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Klíčem k úspěchu systémů M23/M12 je jejich flexibilita. Za prvé se specifikací kabelů, spojek, zásuvek, vložek, krytů konektorů a dokonce i průměru styčných pinů mohou konstruktéři rozhodnout vytvořit si vlastní přizpůsobené systémy. Spojky jsou k dispozici v přímém i úhlovém provedení a vložky lze pořídit s několika možnostmi počtů pinů a vzorů. Výsledkem je široká škála přizpůsobitelných variací pro prakticky jakoukoli aplikaci.

Alternativně si konstruktér může vybrat z řady továrně dodaných kabelových/spojkových nebo kabelových/zásuvkových sestav dodávaných továrnou. Výhodou výběru předpřipravených produktů je úspora času sestavení a jistota, že integrita kabelu a konektoru již byla ve výrobě testována. Nevýhodou je relativně omezená škála řešení ve srovnání se sestavením od nuly. Předpřipravený sortiment je však stále široký a pokrývá alternativy konektorů a délky kabelů pro většinu možností automatizace továren, včetně rotačních strojů, svařovacích robotů nebo automatizovaných sestavujících zařízení.

Ochrana proti znečištění, vibracím a EMC

Až na některé výjimky, jako je výroba potravin, léčiv a pokročilé elektroniky, je prostředí továren obvykle plné vlhkosti, prachu, mastnoty a dalších nečistot, které jsou nepřítelem elektrických systémů. V jiných aplikacích může být vyžadována odolnost kabelů a konektorů vůči kyselým a alkalickým roztokům používaným při výrobě a čištění, takže je životně důležité, aby systémy odolávaly pronikání veškerých kapalin, částic a dalších látek.

Požadovaná specifická odolnost vůči znečišťujícím látkám se bude měnit v závislosti na požadavcích výrobce. Výrobci užitečně kategorizují své produkty podle klasifikačního systému IP. Stupeň krytí IP udává stupeň ochrany poskytovaný produktem a je definován mezinárodní normou EN 60529.

Schéma obsahuje dvě číslice, první představuje úroveň ochrany před pevnými předměty, od nástrojů nebo prstů, jejichž setkání s elektrickými vodiči by mohlo být nebezpečné, až po nečistoty a prach ve vzduchu, které by mohly poškodit obvody. Druhá číslice definuje ochranu před různými kapkami, postříkáním nebo ponořením. Rozsah sahá od stupně IP00 (žádná ochrana proti prachu nebo vodě) až po IP69 (úplná ochrana proti prachu a silným proudům vody s vysokou teplotou).

Není to jen znečištění, které může špatně navrženým továrním elektrickým systémům způsobit problémy. Sestavy kabelů jsou také potenciálně vystaveny tepelnému namáhání, vibracím a mechanickému ohýbání (zejména při použití v robotické aplikaci, kde mohou být kabely v neustálém pohybu). Kromě toho jsou v továrnách obvykle velké elektromotory, které odebírají velké rozběhové proudy, vytvářejí výkonové a napěťové rázy a elektromagnetické rušení („electromagnetic interference“, EMI), které může narušit citlivé komunikační systémy.

Kabelové sestavy M23 a M12 jsou speciálně navrženy pro použití v továrním prostředí a jejich šroubovací spojky odolávají vibracím a mechanickému zatížení. Pro náročná prostředí s EMI výrobci kabelových sad obvykle nabízejí možnosti s integrovaným stíněním.

Společnost Molex například nabízí řadu zvláště robustních napájecích kabelů s napájecími zastřikovanými kabelovými svazky M23 Brad^® 120480. Tyto sestavy kabelů jsou vyrobeny pro náročná prostředí a mají funkce, jako jsou plastové zastřikované pláště pro ochranu spoje kabelu/konektoru a volitelné stínění proti EMI. Jsou k dispozici v samostatných délkách od 1 m do 20 m a k zajištění vysoké viditelnosti mají oranžovou barvu (obrázek 3).

Obrázek 3: Kabelové svazky M23 120480 jsou vybaveny zastřikováním pro dodatečnou ochranu a řadou vložek. Zde je uvedena šesti a osmipólová varianta. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Kabely jsou k dispozici v šesti nebo osmipólové (vodičové) verzi. Maximální napětí a proud jsou 800 V a 18 A s odporem kontaktů 3 Ω a odporem izolace 100 MΩ. Kabelové svazky mohou pracovat v teplotním rozsahu 25 °C až +85 °C a po spojení nabízejí ochranu proti prachu a vodě IP67.

Výhodou modulárního systému, jako je M23, je to, že kabeláž továrny může být sestavena a přizpůsobena rychle s tím, jak továrna roste. Systém umožňuje technikovi snadno propojit kabelové sítě dohromady a připojit konce kabelů přímo ke strojním zařízením vybaveným zásuvkami M23. Kabeláž nabízí nejen vysoké napětí a proud vyžadované pro tovární automatizaci, ale je také schopna podporovat tovární komunikační systémy, jako je Ethernet, EtherCAT, Modbus a PROFINET (obrázek 4).

Obrázek 4: Kabeláž M23 usnadňuje rozšiřování tovární kabelové sítě s tím, jak se přidávají nové výrobní buňky. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Zajištění bezpečnosti továrny

Konektivita hraje v moderní továrně klíčovou roli. Řízení a aktualizace zařízení je velkou součástí práce sítě, ale důležitá je také bezpečnost tovární automatizace, a to zejména tam, kde si jsou lidé a roboti nablízku. Robot obvykle obsahuje několik senzorů, které zastaví pohyb, pokud se pracovník dostane do jeho pracovního prostoru. Bezpečnostní buňku doplňují vzájemně propojené brány a přístupové panely. Všechny tyto systémy vyžadují konektivitu a kabelová síť se může rychle stát složitou a nepraktickou, pokud je každý senzor obsluhován odbočkou hlavní tovární sítě (obrázek 5).

Obrázek 5: Robotické pracovní buňky vyžadují k ochraně lidských pracovníků v prostředích automatizace továren životně důležité bezpečnostní systémy. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Místo toho technici zjednodušují věci pomocí rozvodných boxů několikaportových propojovacích systémů („multiport interconnection system“, MIPS) připojených k hlavní tovární síti. Pro připojení bezpečnostních systémů výrobní buňky jsou odtud na výstupy boxů připojeny řídicí kabely M12. Příkladem je odolný bezpečnostní rozvodný box MPIS 1202480510 společnosti Molex s krytím IP67, který napomáhá řízení bezpečnostních zařízení instalovaných kolem strojů (obrázek 6).

Obrázek 6: Bezpečnostní rozvodné boxy MPIS zjednodušují bezpečnostní vedení a zároveň šetří místo a náklady. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Model 1202480510 obsahuje 5 m dlouhý integrovaný kabel pro připojení k hlavní tovární síti, čtyři osmipinové porty M12 a čtyři čtyř- a pětipinové porty M12 v jednom krytu. Rozvodný box umožňuje instalaci standardních I/O kabelových systémů v omezeném prostoru a zároveň maximalizuje flexibilitu bezpečnostního návrhu. Jednotlivé porty zvládnou až 30 V DC s maximálním proudem 4 A (celkový proud pro rozvodný box je 12 A). Rozvodný box je navržen pro použití s kabelovými svazky, jako je 1m osmipólový model M12 1200652383 řady Micro-Change společnosti Molex a 1m čtyřpólová verze M12 1200652378.

Závěr

Automatizace továren vyžaduje robustní, spolehlivé a škálovatelné napájecí, komunikační a bezpečnostní kabelové sítě. Modulární systémy založené na de facto standardu M23 a M12 zjednodušují počáteční instalaci a splňují tyto požadavky. Kabelové svazky a rozvodné boxy, které využívají, jsou vyrobeny s ohledem na přísné podmínky továrního prostředí, díky čemuž jsou odolné vůči nečistotám a vlhkosti a jsou schopné se vyrovnat s extrémními teplotami, vibracemi a mechanickým namáháním.