Co představuje konektor do náročných podmínek a jak se tyto konektory používají v průmyslové konektivitě

By Jody Muelaner

Contributed By Digi-Key's North American Editors

V průmyslových aplikacích se používá široká škála konektorů k přenosu elektrické energie, signálů senzorů a řídicích dat na kabelech jejich spoji ven z a do automatizačních komponent. Co představuje konektor do náročných podmínek (v názvech produktů s konektory někdy zkráceně označovaný HDC), závisí na aplikaci... takže tato otázka je poněkud relativní. To znamená, že existuje zřetelný rozdíl mezi robustními průmyslovými konektory a těmi lehkými konektory RJ a IEC, které se nacházejí v aplikacích čisté vnitřní automatizace zahrnujících základní ethernetové a světelné napájení.

Konektory do náročných podmínek se mohou vyznačovat větší celkovou robustností a také zvýšenou ochranou proti vniknutí, sníženou hořlavostí, širokou provozní teplotou, blokováním, zemním stíněním nebo jednoduše spolehlivějším spojením s pozitivním zajištěním.

Kabelové průchodky do náročných podmínek v porovnání s konektory

Kabelové průchodky (někdy nazývané kabelové úchytky) jsou většinou mechanické součásti, které obklopují kabely v místech jejich průchodu hranicemi průmyslových ovládacích panelů a dalších krytů, konektorů a těles řídicích jednotek z plechu a tvrdého plastu. Kabelové průchodky slouží třem účelům. Mají za úkol:

  • Zajištění kabelu
  • Zabránění oděru kabelu a jinému opotřebení
  • Poskytnutí utěsnění okolo kabelové části jako ochrany proti průniku vlhkosti a jejímu nasávání do krytu

Způsob, jakým kabelové průchodky ukotví kabely, zabrání poškození elektrických kontaktů, pokud by byl kabel vystaven tahu nebo jinak narušen. Kabelové průchodky také zabraňují tření plášťů kabelů o ostré okraje otvorů skrze kryt, protože tělesa ucpávek těmito okraji a procházejí a vyplňují je. Bez kabelových průchodek by mohly být kabely vystavené i sebemenšímu pohybu rychle proříznuty ostrými hranami otvorů v krytu, dokud by jejich vnější izolace nebyla úplně protržena… a kabelová jádra zkratována.

Rozdíl oproti těmto kabelovým průchodkám (které kabely obklopují) představují konektory, které kabely zakončují - a obecně umožňují pohodlnější odpojení a opětovné připojení, jakož i spojení více komponentů a kabelových částí. Varianty těchto konektorů do náročných podmínek obvykle zahrnují jednu nebo více robustních funkcí.

Kabelové konektory do náročných podmínek mohou být vybaveny ochranou vstupu kabelu v podobě univerzální kabelové průchodky, kabelové svorky nebo těsnění a zařízení proti zkroucení. Bez ohledu na mechanický tvar zajišťují kabel a zabraňují jeho vytažení ze svorek. Ochrana vstupu kabelu může také zabránit opotřebení kabelu, stejně jako samostatné kabelové průchodky. Pamatujte na to, že lamelové vložky (ucpávky s více prsty) jsou běžné na středně robustních konektorech, ačkoli pro zajištění ochrany proti vniknutí vyžadují vložky pravidelné dotahování. Průchodky s průběžným těsněním, které se upíná kolem kabelu, jsou často spolehlivější volbou pro náročné aplikace.

Krytka na některých kabelových konektorech do náročných podmínek obklopuje elektrické vodiče zástrčky a poskytuje izolaci a ochranu proti vniknutí tekutin - jakož i určité zajišťovací nebo západkové pouzdro či páku, které drží poloviny konektoru pohromadě.

Na mnoha kabelových konektorech do náročných podmínek zahrnuje samčí vložka piny, jakož i šrouby nebo lisované svorky, kde se vodivá jádra drátu dotýkají pinů. V takových konektorech zahrnuje samičí vložka doplňkové zásuvky, jakož i zásuvky nebo krimpovací svorky, kde se vodivá kabelová jádra dotýkají zásuvek.

Robustní pouzdra kabelových konektorů do náročných podmínek jsou patrně jejich nejnápadnějším prvkem - často včetně izolace a ochrany proti vniknutí tekutin. Příslušenství může zahrnovat další ochranné kryty a vodítka pro kódy PIN.

Obrázek 1: Konektory řady Han® obsahují několik doplňkových funkcí, které odolávají velmi nepříznivým podmínkám prostředí. (Zdroj obrázku: Harting)

IP kódy pro ochranu proti vniknutí vody do konektorů do náročných podmínek

U konektorů do náročných podmínek je také poměrně standardní zajištění ochrany proti vniknutí tekutin a pevných částic. Ochrana konektorů proti vniknutí je hodnocena pomocí stejných kódů ochrany (IP), jaké se používají pro kryty. První číslice kódu IP označuje ochranu před pevnými částicemi, přičemž hodnoty se pohybují od 0 (bez ochrany) do 6 - což znamená plně prachotěsné provedení. Druhá číslice kódu IP označuje ochranu proti tekutinám s hodnotami v rozmezí od 0 (bez ochrany) do 8 (pro trvalou ochranu proti vodě v hloubce 1 m) nebo dokonce 9K - což označuje ochranu proti vysokotlaké stříkající vodě. Například konektor s klasifikací IP67 odolává pronikání prachu a dočasnému ponoření do vody.

Speciální varianty konektorů - proč tak běžné?

Vzhledem k tomu, že konektory do náročných podmínek jsou silně založeny na principech mechanického uzavření a utěsnění, mnoho variant na současném trhu představuje buď patentovanou konstrukci nebo konektory ve specifickém provedení pro konkrétní aplikace. Například celá průmyslová odvětví přijala za standard vysoce výkonné obdélníkové konektory řady Harting Han pro přenos napájení a ovládacích signálů. Tato značka konektoru s ochrannou známkou je často považována za obecné synonymum pojmu konektor do náročných podmínek .

Obrázek 2: Konektory řady Han (se čtyřmi a 26 piny) jsou takřka průmyslovým standardem - splňují různé požadavky na datové a napájecí připojení od 50 do 5 000 V a 3 až 200 A. Uzamykací uspořádání zahrnuje jednopákový zámek Han-Easy pro snadné ovládání jednou rukou a dvojpákový zámek Han-Easy pro spolehlivější zamykání, vyšší tlakovou těsnost a použití s mezikabelovými přípojkami. Ještě další robustní možností je šroubové zajištění pro maximální tlakovou těsnost a snížení rizika neoprávněného použití. (Zdroj obrázku: Harting)

Konektory řady Han mají piny uspořádané uvnitř obdélníkového krytu, který se spojuje s odpovídajícími zásuvkami uvnitř obdélníkového pouzdra. Konektory jsou obecně vybaveny zajišťovacími pákami, které umožňují instalačním pracovníkům snadné a bezpečné uzavření konektoru, což zajišťuje, že jej nelze rozevřít… ani silným tahovým namáháním.

Pro zakončení napájecího kabelu jsou nejběžnější kopulové kryty (šroubovací kryty konektorů), a to v konfiguracích s horním a bočním vstupem. Pouzdra mohou být připevněna šroubem, připevněna na povrchu nebo na přepážce, aby bylo zajištěno připojení na přístrojové vybavení nebo strojní zařízení. Alternativně mohou pouzdra také ukončit kabely pro připojení mezi kabely. Kryty a pouzdra se obvykle vyrábějí z tlakově litého kovu… ale běžná jsou také pouzdra z nerezové oceli a plastu. Někteří výrobci nabízejí konfigurovatelné konektory, které lze spojit uvnitř jednoho krytu nebo krytu. To může umožnit vyšší počet pinů napříč všemi odlišnými moduly. Tyto konektory jsou k dispozici pod značkami MolexGWconnect HDC a TE ConnectivityHDC.

Robustní kabelové konektory pro datové a signálové senzorové kabely jsou mírně odlišné. Zde zaujímají přední místo konektory řady M. Jde o robustní konektory, které se používají v různých datových připojeních (včetně těch založených na Ethernetu) i v elektrických přenosech. Robustní konektory řady M jsou nejběžnější v průmyslových síťových aplikacích zahrnujících PROFINET, sběrnici fieldbus a průmyslový Ethernet pro připojení senzorů, přepínačů a jednotek PLC.

Jak je uvedeno v předchozích článcích společnosti Digi-Key, konektory řady M se skládají z kulatých vnějších a vnitřních konektorů se standardními pouzdry s metrickým závitem, které zapouzdřují a chrání vnitřní piny a zásuvky. Standardní velikosti zahrnují konektory 5mm M5, 8mm M8, 12mm M12, 16 mm M16 a 23mm M23. Závitové pouzdro poskytuje velmi robustní a spolehlivé spojení, které nelze snadno oddělit, a které zajišťuje velmi spolehlivé elektrické připojení s minimalizací občasných signálů. Objímka také poskytuje konektorům řady M vysokou úroveň ochrany proti vniknutí, která může v mnoha případech dokonce umožnit použití v prostředí s mytím a korozí. Nejběžnější velikosti jsou konektory M8 a M12 se dvěma, třemi, čtyřmi, pěti, osmi nebo 12 piny. Třípinové nebo čtyřpinové konektory řady M nejčastěji obsluhují senzory a napájecí zdroje; čtyřpinové nebo osmipinové konektory řady M obsluhují zařízení Ethernet a PROFINET; a čtyřpinové nebo pětipinové konektory řady M obsluhují zařízení Fieldbus, CAN bus a zařízení pro automatizaci DeviceNet.

Obrázek 3: Konektory řady M jsou vyrobeny z vysoce pevného hliníku a jsou vybaveny rohatkovým šroubem pro rychlé a bezpečné připojení kabelu jednou rukou. (Zdroj obrázku: LEMO)

Datová připojení používaná v průmyslových aplikacích zahrnují Ethernet, ModbusTCP/ IP, EtherCAT, Ethernet/IP a Profinet… a také různé firemní formáty. Konektory RJ jsou standardem pro všechny implementace Ethernetu - neposkytují však ochranu proti vniknutí a nejsou příliš robustní. Ačkoli plastový výběžek na straně samce zacvakne do zásuvky (a drží tak pohromadě obě poloviny konektoru), řešení je poněkud choulostivé… a umožňuje vytažení zástrček z odpovídajících zásuvek i mírným tahem. Proto jsou konektory řady M vynikající volbou, pokud je automatická instalace vystavena pohybu a náhodnému chybnému používání.

Existuje však ještě další omezení. Zatímco standardní konektory řady M jsou vhodnou volbou pro průmyslové konektory, získání spolehlivého připojení (a jmenovité úrovně ochrany proti vniknutí) závisí na tom, jak technik správně utáhne závit konektoru. Někteří dodavatelé konektorů se zaměřili na řešení tohoto potenciálního problému prodejem konektorů typu push-fit, které se automaticky uzamykají. Snad nejznámější z nich je MolexSérie konektorů Brad , které jsou přímou náhradou za standardní konektory M12. Vynechávají pouzdro se závitem pro spolehlivý mechanismus push-to-lock… jednoduché stlačení polovin konektoru k sobě tak zajišťuje dokonalou aretaci a spolehlivé připojení bez rizika přerušovaných signálů nebo odpojení. Tyto konektory jsou k dispozici v různých konfiguracích a zahrnují konektory push-on a pull-off s ochranou IP65.

Obrázek 4: Konektory Ultra-Lock jsou vybaveny mechanismem push to lock s O-kroužky, které poskytují spolehlivé připojení a ochranu proti vniknutí tekutin IP69K. (Zdroj obrázku: MOLEX)

Při použití pro ethernetové aplikace mohou konektory řady M a Molex Brad přenášet energii také pomocí standardů Power over Ethernet (PoE) ve třech konfiguracích - alternativa A, alternativa B a 4PPoE - pro podporu různých úrovní šířky pásma a výkonové kapacity.

IEC napájecí konektory pro aplkace s vysokými požadavky na výkon

Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC) definuje různé standardy pro napájecí konektory používané v domácích, komerčních a průmyslových aplikacích. Například IEC 60320 pokrývá konektory bez uzamykání s napětím a proudy do 250 V, respektive 16 A. Patří mezi ně velké, avšak nerobustní konektory C13/C14 i větší spojky C19/C20, které jsou běžné v elektronických zařízeních pro průmyslové aplikace - včetně počítačových napájecích zdrojů a serverových skříní. Tyto spojky se obvykle nepovažují za konektory do náročných podmínek.

Naproti tomu uzamykací konektory IEC 60309jsou robustní - a určené pro použití na průmyslových kabelech, které přenášejí napětí a proudy do 1000 V, respektive 800 A. Všechny uzamykací konektory IEC 60309 poskytují určitý stupeň ochrany proti vniknutí tekutin se standardními konfiguracemi, které prokazují ochranu proti stříkající vodě IP44, vodovzdorné IP67 nebo odolné proti tlakové vodě a vodovzdorné IP66/67.

Standard také umožňuje vzájemně propojené zásuvky: Konektory s touto funkcí neumožňují napájení, pokud nejsou spojeny zástrčkou… a zástrčku nelze vyjmout, dokud není vypnuto napájení. Následující barevné kódování označuje povolený rozsah napětí a frekvence konektoru.

  • Žlutá označuje, že napájecí konektor IEC 60309 je vhodný pro přenos napětí 100 až 130 V při kmitočtu 50 nebo 60 Hz.
  • Modrá označuje, že napájecí konektor IEC 60309 je vhodný pro přenos napětí 200 až 250 V při kmitočtu 50 nebo 60 Hz.
  • Červená označuje, že napájecí konektor IEC 60309 je vhodný pro přenos napětí 380 až 480 V při kmitočtu 50 nebo 60 Hz… často v třífázové konfiguraci.

Obrázek 5: Tento červený barevně značený konektor do náročných podmínek splňuje normu IEC 60309 pro napájení 380 až 480 V. (Zdroj obrázku: Wikimedia Commons)

Závěr

Konektory do náročných podmínek musí splňovat různé požadavky. Bude konektor muset odolávat rozdrcení od nárazové zátěže - nebo roztažení? Je nutná ochrana proti vniknutí prachu nebo vody? Jakým teplotám bude konektor muset odolávat? Bude konektor do náročných podmínek nainstalován v prostředí, kde je problém s hořlavostí?

Je třeba vzít v úvahu také počet pinů a napětí a proud, které mají být přenášeny - společně se směrem vstupu kabelu a úrovní ochrany kabelu. U automatizovaných strojů, které vystavují kabely a jejich konektory pohybu, musí být k dispozici vhodné průchodky a kabelové svorky... a může být též vhodné použití zařízení proti zkroucení.

Pro elektrické zátěže, které jsou relativně nízké, ale jsou provozovány v nepříznivém prostředí, jsou často vhodnou volbou konektory řady M a jejich deriváty. Pro vyšší elektrické zátěže mohou být lepším řešením obdélníkové konektory... zejména proto, že je lze konfigurovat tak, aby vyhovovaly téměř jakémukoli složitému požadavku s různými směry vstupu kabelů, možnostmi montáže a obecně modulárními sestavami. Jinak platí, že pro jednoduché připojení napájení k jednofázovému nebo třífázovému napájecímu zdroji jsou hlavní (ne-li jedinou) volbou uzamykací průmyslové konektory podle normy IEC 60309.

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.

About this author

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner is an engineer who has designed sawmills and medical devices; addressed uncertainty in aerospace manufacturing systems; and created innovative laser instruments. He has published in numerous peer-reviewed journals and government summaries … and has written technical reports for Rolls-Royce, SAE International, and Airbus. He currently leads a project to develop a e-bike detailed at betterbicycles.org. Muelaner also covers developments related to decarbonization technologies.

About this publisher

Digi-Key's North American Editors