Opzioni di connettori, passacavi e impugnature per il cablaggio dell'automazione industriale

Vi sono vari connettori per unire cavi e componenti utilizzati nell'automazione industriale. Questi connettori devono trasmettere tutti i flussi di potenza e di segnale dati trasportati sui cavi mentre terminano la linea in un modo che mantiene i conduttori saldamente collegati e protetti. I lproblema è che le apparecchiature associate all'automazione industriale si trovano spesso in ambienti sporchi, caldi, movimentati ed elettricamente rumorosi... quindi i connettori per cavi industriali richiedono un livello di robustezza e affidabilità non necessario per altre applicazioni.

Per prima cosa, consideriamo alcune nozioni di base sui connettori industriali: questi includono i componenti classificati come accoppiatori (che uniscono due cavi) così come i sistemi che includono entrambe le metà della spina e della presa di un connettore assemblato. In alcuni contesti, il termine connettori può anche riferirsi ai premitreccia - terminazioni che passano attraverso gli involucri ... spesso con un sottocomponente a rotazione libera che comprime una tenuta ad anello toroidale all'estremità del cavo per proteggerlo da sostanze chimiche, fiamme, sporcizia e correnti estranee.

I connettori per cavi industriali uniscono i cavi (più comunemente) alle prese dell'apparecchiatura montate anteriormente e posteriormente. Tutti i connettori e i premitreccia hanno un grado di protezione dalle infiltrazioni (IP) definito dalla norma IEC 60529 che quantifica la loro resistenza alla sporcizia e all'umidità. Queste classificazioni sono le stesse utilizzate per descrivere la robustezza degli alloggiamenti dei componenti e degli involucri delle apparecchiature industriali. Un codice IP ha due cifre, dove i valori più alti indicano un livello più alto di protezione per entrambi.

La prima cifra della classificazione IP specifica il livello di protezione da particelle solide come la polvere - da 0 per nessuna protezione a 6 per la tenuta alla polvere.

La seconda cifra della classificazione IP specifica il livello di protezione dai fluidi - da 0 per nessuna protezione a 8 per una protezione continua dall'acqua a 1 m di profondità.

Figura 1: Qui è spiegato cosa indicano i vari gradi di protezione IP della norma IEC 60529. I gradi di protezione IP dei connettori dei cavi sono molto importanti. (Immagine per gentile concessione di connectortips.com)

Confronto tra i connettori Ethernet RJ e M12 per l'automazione

Ethernet definita da IEEE 802.3 rimane la tecnologia di rete locale (LAN) più utilizzata ovunque. Gli standard di comunicazione basati su Ethernet per l'automazione industriale includono ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP e Profinet. I connettori comunemente associati ai cavi Ethernet sono gli onnipresenti connettori RJ (registered jack). La maggior parte dei connettori RJ include una spina dotata di una semplice linguetta plastica che scatta nella geometria di accoppiamento su una presa RJ per tenere saldamente insieme i due elementi. Le spine e le prese si adattano facilmente ai cavi - e gli installatori possono contemporaneamente bloccarle ed eseguire i contatti elettrici usando una pinza speciale. I terminali a crimpare permettono la costruzione di cavi tagliati su misura (montati in loco) che sono ragionevolmente affidabili. I sottocomponenti delle spine progettati per questo tipo di installazione in loco hanno spesso corpi chiari per permettere al personale di ispezionare tutti i contatti interni prima di metterli in servizio. Detto questo, l'affidabilità dei cavi assemblati in fabbrica è imbattibile.

Figura 2: La pinza a crimpare TL2253-ND permette la terminazione sul campo della spina RJ di cavi Ethernet a quattro, sei e otto fili tagliati su misura. Con una sola pressione, le lame dell'utensile spellano il Cat5e e Cat6 piatto o tondo e fissano il corpo del connettore. (Immagine per gentile concessione di Tripp Lite)

Dove i connettori RJ non sono abbastanza robusti per un particolare ambiente industriale, vengono in soccorso i connettori M12. Questo perché i connettori M12 forniscono una connessione più affidabile e fisicamente robusta - con l'ulteriore vantaggio della protezione contro l'ingresso di polvere e fluidi.

Figura 3: I connettori RJ come quelli mostrati qui sono i più comuni sui cavi Ethernet. Detto questo, vi sono altri tipi di connettori disponibili per l'uso sul cavo Ethernet. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

Power over Ethernet (PoE) definito da IEEE 802.3 è un modo pratico per trasportare dati e potenza elettrica su un unico cavo. L'alternativa A di PoE (spesso chiamata modalità A) usa gli stessi due doppini per trasportare sia i dati che l'alimentazione, quindi si possono usare cavi con un numero inferiore di anime - e la larghezza di banda è limitata a 100 Mbps (100BASE-TX). L'alternativa B di PoE (spesso chiamata modalità B) utilizza un cavo Ethernet Cat5 con quattro doppini intrecciati - due che trasportano i dati e due che trasportano l'alimentazione. Questo riduce la larghezza di banda disponibile per i dati - limitando la velocità dei dati a 100 Mbps anche quando i cavi sono classificati per Gigabit Ethernet.

4PPoE o cavo a quattro doppini richiede un cavo con quattro coppie di trefoli conduttori intrecciati, dove tutti trasmettono sia potenza che dati. Questo significa che sono supportate velocità di dati (Gigabit Ethernet e oltre) e correnti più elevate. I dispositivi che accettano l'alimentazione tramite PoE devono essere configurati per accettare la modalità A o B come fornita. Detto questo, possono usare una resistenza fissa o alternata attraverso i doppini per indicare la compatibilità e richiedere una specifica configurazione di potenza. Naturalmente, sono gli alimentatori PoE (l'apparecchiatura di alimentazione o PSE) che determinano effettivamente la modalità PoE del sistema.

Figura 4: Il design del connettore è in gran parte dettato dal cavo da terminare. I connettori per cavi Ethernet M12, come quelli in figura, sono generalmente più robusti dei connettori RJ; alcuni produttori li codificano a colori per indicare la compatibilità con le modalità PoE e le disposizioni dei conduttori. (Immagine per gentile concessione di Lumberg Automation)

A terminare i cavi di dati e di alimentazione (così come il cablaggio di rete come Industrial Ethernet, PROFINET e Fieldbus) sono i connettori della serie M - connettori tondi con un manicotto femmina filettato (da montare su una presa maschio) avvolto intorno a una serie di pin conduttori. Le filettature M8 (8 mm) e M12 (12 mm) sono le più comuni, ma anche M5, M16 e M23 sono standard familiari. Il bloccaggio intrinseco (a vite) dei connettori della serie M assicura una connessione altamente affidabile che riduce al minimo i segnali intermittenti anche mentre protegge dai detriti ambientali comuni negli ambienti di lavaggio e corrosivi. Non c'è da stupirsi che i connettori della serie M siano uno standard superiore sui cavi per attuatori, PLC, sensori, interruttori e controlli utilizzati nell'automazione industriale.

I connettori M8 e M12 possono avere due, tre, quattro, cinque, otto o 12 pin (chiamati anche posizioni). I sensori e gli alimentatori richiedono generalmente tre o quattro pin. Per i connettori della serie M alle estremità dei cavi Ethernet e PROFINET, sono necessari quattro o otto pin. Invece, quelli alle estremità dei cavi che trasportano dati Fieldbus, bus CAN e DeviceNet hanno solitamente quattro o cinque pin. Naturalmente, i cavi che trasportano più flussi di dati e di alimentazione possono richiedere la terminazione con un connettore della serie M che abbia tutti i 12 pin.

Figura 5: Il connettore ad angolo retto Brad Ultra-Lock 120108 è un adattamento proprietario di un connettore M12 per aumentare l'affidabilità. (Fonte: Molex)

In effetti, un design di connettore-presa correlato e abbastanza comune è la coppia con array di pin e presa originariamente introdotta da Molex, per questo a volte si parla di interconnessioni Molex nel gergo tecnico. La serie di connettori proprietari Brad di Molex è basata sui connettori M12 ma sostituisce il manicotto filettato con un sistema dotato di bloccaggio a pressione più comodo e affidabile. Poiché il bloccaggio non dipende dal fatto che l'operatore serri un filo, garantisce l'affidabilità e minimizza il rischio di un segnale intermittente. Le varianti del connettore Brad includono:

• Connettori Brad Micro-Push M12 - un connettore a pressione e sgancio a trazione con protezione IP65
• Connettori Brad MX-PTL M12 con bloccaggio a pressione e protezione IP65
• Connettori filettati Brad Micro-Change M12 con protezione IP67
• Connettori Brad Ultra-Lock e Ultra-Lock EX M12 con raccordi di bloccaggio a pressione e anelli toroidali per un livello di protezione IP69K completo

Connettori coassiali per segnali ad alta frequenza

Anche i cavi coassiali (dotati di connettori coassiali) sono utilizzati nell'automazione industriale per la trasmissione di segnali ad alta frequenza - specialmente quelli che supportano il monitoraggio delle vibrazioni e la trasmissione di segnali analogici. Le norme abbondano.

I connettori BNC hanno un fissaggio a baionetta che richiede un quarto di giro per essere collegato o scollegato. Possono essere utilizzati per frequenze oltre i 12 GHz e in alcuni casi fino a 18 GHz. I connettori DIN da 0.4 a 2.5 sono connettori con fissaggio a scatto molto piccoli adatti a frequenze fino a 3 GHz. I connettori DIN 1.0/2.3 sono piccoli connettori di radiofrequenza con fissaggio a scatto ampiamente utilizzati nelle telecomunicazioni digitali.

Il proliferare dei cavi modulari e personalizzati per i macchinari automatizzati

Con gli approcci convenzionali di integrazione del sistema, i cavi sono "composti" - misurati, tagliati e terminati - in loco durante l'installazione dell'apparecchiatura automatica. Questo di solito significa che un elettricista taglia i cavi alla lunghezza necessaria, spoglia tutti i conduttori della loro delicata guaina e li inserisce con i connettori necessari per unire i componenti. Questa preparazione dei cavi sul campo richiede tempo e risulta in una qualità delle connessioni variabile. Ecco perché la tendenza attuale è quella di procurarsi sistemi modulari di cavi e connettori composti da cavi standard e connettori montati in fabbrica. Le lunghezze richieste dei cavi sono determinate durante la progettazione e fornite pronte per l'installazione.

Alcuni stimano che i cavi modulari riducono il tempo di installazione in loco dal 60% al 70%, migliorando l'affidabilità dei collegamenti elettrici.

Il caso speciale dei premitreccia

I connettori per cavi, chiamati premitreccia, sono utilizzati ovunque i cavi passino attraverso un involucro. I premitreccia assolvono tre scopi: fissano il cavo, prevengono l'usura del cavo e forniscono un tenuta intorno al cavo per proteggere i componenti all'interno dell'involucro dai detriti ambientali. Il modo in cui i premitreccia fissano il cavo previene essenzialmente i danni ai contatti elettrici dovuti a strattoni o altro. Impediscono anche che il cavo sfreghi contro il bordo di lamiera tagliente di un intaglio dell'involucro. Questo è importante perché la lamiera può facilmente segare le guaine dei cavi e causare un cortocircuito quando le anime sono esposte.

Le applicazioni meno esigenti spesso usano premitreccia lamellari che hanno più contatti che si serrano intorno al cavo. Questo tipo di premitreccia è meno costoso ma richiede un serraggio regolare per assicurare la protezione continua dalle infiltrazioni. I premitreccia di qualità superiore usano una tenuta continua che si blocca intorno al cavo. Questo tipo di premitreccia ha molte meno probabilità di allentarsi nel tempo.

Costruzione dei connettori di potenza industriale oggi

I dispositivi utilizzati per l'automazione industriale spesso richiedono un'alimentazione cablata oltre a una connessione dati. La tecnologia relativamente nuova di PoE menzionata sopra è preferibile dove è fattibile, perché mantiene il cablaggio semplice. Tuttavia, la stragrande maggioranza dei componenti e dei sistemi di automazione richiede cavi di alimentazione tradizionali.

I connettori standardizzati dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) sono comuni sui cavi di alimentazione per i settori consumer e degli uffici, ma anche per le applicazioni industriali. L'IEC definisce una gamma di connettori non bloccanti nello standard IEC 60320 con tensioni fino a 250 V e corrente non superiore a 16 A. Qui, il connettore C13/C14 è comunemente usato per apparecchiature elettroniche - inclusi gli alimentatori per computer. Gli accoppiatori C19/C20 più grandi sono utilizzati alle estremità dei cavi che trasportano una corrente più elevata - compresi gli involucri dei server, ad esempio.

Figura 6: I cavi di alimentazione per uso generale includono una varietà di connettori IEC e altri standard. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

Per le applicazioni più critiche o esigenti, spesso sono preferibili i connettori IEC 60309. Spine, prese e accoppiatori sono espressamente destinati all'uso industriale e possono trasportare tensioni fino a 1.000 V, correnti fino a 800 A e frequenze fino a 500 Hz. Tutti questi connettori forniscono un certo livello di resistenza contro l'ingresso di acqua: i connettori IP44 sono a prova di spruzzi, i connettori IP67 sono impermeabili e i connettori IP66/67 possono prevenire in modo affidabile le infiltrazioni anche se sottoposti a getti d'acqua pressurizzata. Le prese di corrente possono anche essere interbloccate in modo che non possano essere alimentate se non sono accoppiate con una spina - e la spina non può essere rimossa fino a quando non si spegne l'alimentazione.

Figura 7: Si noti la codifica a colori (aderente a IEC 60309) di questo connettore per cavo ad alta potenza. (Immagine per gentile concessione di Railway Tech)

Sono utilizzate varie dimensioni di connettori IEC 60309 per i diversi valori di corrente. I connettori sono anche codificati e colorati per indicare il loro intervallo di tensione e campo di frequenza:

• Il giallo indica da 100 a 130 V a 50-60 Hz
• Il blu indica da 200 a 250 V a 50-60 Hz
• Il rosso indica da 380 a 480 V a 50-60 Hz - spesso in una configurazione trifase

Conclusione

Esistono molte geometrie e opzioni di integrazione quando si tratta di scegliere connettori e premitreccia per l'automazione industriale. Durante la specifica di un cavo per un determinato macchinario automatico, la prima considerazione per i progettisti deve essere il numero di anime del cavo e le sezioni delle anime. La protezione dalle infiltrazioni e la necessità di un bloccaggio intrinseco per evitare segnali intermittenti sono le considerazioni successive più importanti.