Jste zde

Kabely pro průmyslovou automatizaci – jak vybrat ten pravý?

Lisa Eitel, Digi-Key, 8. Červenec 2020 - 7:51

Potenciální zranitelnost automatizace spočívá v kabelových rozvodech, kde proudí kvanta dat. Jakékoli narušení komunikace může vést k přerušení výroby, nákladnému poškození stroje nebo koncového produktu. Proto je nutné mít kvalitní kabely, které jsou přizpůsobeny dané aplikaci.

Spolehlivost přenosu dat všech ovládacích prvků, senzorů a akčních členů v systému je nutná pro bezproblémový chod celého výrobního závodu. Kvalitní kabel zaručuje bezproblémový chod bez neplánované údržby a zbytečných prostojů.

Obrázek 1: Průmyslové kabely se používají pro distribuci elektrické energie i pro přenos řídicích signálů (sběr a monitorování dat). Kabelové sestavy ÖLFLEX CONNECT od společnosti Lapp Group ) se přizpůsobí požadavkům zákazníka. (Zdroj obrázku: Lapp Group)

Spolehlivé kabely musí mít robustní uzemnění i konektory a kvalitní vodivé vlákna. Stínění proti elektromagnetickému rušení (EMI) je nutností pro zajištění spolehlivého přenosu dat. U pohyblivých částí stoje musí být kabely dostatečně flexibilní, aby vydržely tisíce cyklů ohybu. Izolace kolem každého vodivého pramene musí být také robustní a odolná proti oděru.

Pro průmyslové aplikace s náročnými požadavky je nutné vyrobit kabel na míru. Nové technologie v oblasti stínění, izolace a robustnosti pláště pomáhají přizpůsobit kabely dané aplikaci.

Modulární kabely pro průmyslovou automatizaci

Modulární kabely se skládají z precizně vyrobených komponentů, které se ve výrobním závodu sestavují dle parametrů zákazníka. Takto vyrobený kabel je robustní, a tím zaručuje rychlý a spolehlivý provoz výrobní linky. Modulární kabely ve srovnání s běžně dostupnými kabely dokáží snížit náročnost instalace přibližně o 60% až 70%.

Eliminují se rizikové situace, kdy může dojít k poříznutí kabelu při odizolování pláště. Technik nemusí ztrácet čas při upravování délky kabelu a opětovnému připojení konektoru. Všechny tyto úpravy kabelů jsou součástí výrobního procesu včetně testování, a to eliminuje poruchovost sestavy. Není divu, že tyto modulární kabely se v průmyslové automatizaci objevují stále častější.

Obrázek 2: Kabelové sestavy na míru pomáhají technikům ušetřit čas při instalaci a testování na místě.

Stíněné kabely chrání kvalitu přenosu

Složitější systémy, které zahrnují přenos výkonových, řídicích a datových signálů jsou v průmyslovém prostředí vystaveny elektromagnetickému rušení (EMI). Proto je nutné zajistit ochranu citlivých částí systému před EMI. Jednou z ochran je použití stíněných kabelů, které zabraňují šíření EMI dále do systému.

Proč je vhodné použít stíněný kabel?

Kabely mohou být rušeny elektromagnetickým rušením z jiných zdrojů
Samotné průmyslové kabely mohou být zdrojem EMI
Kabely bez stínění mohou fungovat jako anténa pro vyzařování rušení

Motory, generátory, transformátory, indukční zařízení, ohřívací zařízení mohou být zdrojem vysoké úrovně EMI. Řídicí a datové kabely v těsné blízkosti těchto zdrojů je nutné chránit stíněním. Velmi citlivé signály je nutné stínit, i když jsou v dostatečné vzdálenosti od potenciálního zdroje rušení.

Ve skutečnosti může být stínění kabelu provedeno dvojím způsobem:

Faradayovým štítem (celkové zakrytí vodivého materiálu (fólie) kolem kabelových vodičů)
Faradayovou klecí (vodivá síť (pletený drát) kolem kabelových vodičů).

Faradayový štít je často realizován pomocí fólie z tenkého hliníku. Levné a flexibilní řešení, ale je obtížnější provést uzemnění.

Faradayova klec je realizována pomocí pleteného měděného pletiva, které se snadno připojuje k zemi, ale v některých případech neposkytuje 100% ochranu. Malé otvory mohou umožnit pronikání vysokofrekvenčních signálů. Aby Faradayova klec byla stoprocentně funkční, musí být všechny otvory nebo mezery v síti výrazně menší než vlnová délka potenciálního rušení.

Někteří výrobci pocínují pletené stíněné dráty, aby byla dosažena lepší ochrana před EMI. Další možností, jak zvýšit ochranu před rušením, je použití více vrstev stínění - například mezi jednotlivými páry i kolem celého kabelu. Takové stínění bývá dražší a je méně flexibilní.

Obrázek 3: Kabely ÖLFLEX CONNECT SERVO od společnosti Lapp Group obsahují vodiče pro napájení i data pro pohony a servomotory Siemens, Rockwell / AB, Indramat, Lenze a SEW. Stínění EMC v těchto kabelech se provádí v automatizovaném procesu, kde dochází k odstranění izolace a připojení kabelu ke konektoru. Stínění kabelu je precizně spojeno se stíněním konektoru po celém obvodu. Zde dochází při manuální montáži k největším chybám. (Zdroj obrázku: Lapp Group)

Možnosti průmyslové izolace kabelů

Izolace je nevodivý materiál obklopující elektrický vodič. Kromě toho, že brání vodičům, aby se navzájem dotýkaly, často také slouží k ochraně proti oděru a vniknutí tekutin. Je důležité si uvědomit, že izolace sama o sobě neposkytuje ochranu vůči elektromagnetickému záření či magnetickému poli.

Běžné izolační materiály a jejich vlastnosti:

Polyvinylchlorid (PVC) je levná a běžně používaná izolace. Je vhodný do teplot od -55°C do +105 C. Je odolný vůči běžným rozpouštědlům a palivům.
Polotuhý PVC (SR-PVC) má vyšší odolnost proti oděru. Podobný materiál z polyvinylchloridu (plenum PVC) se také vyznačuje vynikající odolností proti plamenům.
Polyethylen (PE) vykazuje nízkou kapacitou, takže je vhodný pro vysokorychlostní přenos dat. Je nepružný a hořlavý. Je vhodný do teplot od -65°C do +80°C.
Chlorovaný polyethylen (CPE) má vynikající odolnost proti teplu a ohni a často se používá v průmyslových silových a řídicích kabelech.
Silikon je vysoce tepelně odolný (až do 180°C), je nehořlavý a ohebný.
Sklolaminát se běžně používá pro aplikace vyžadující extrémní tepelnou odolnost, jako jsou slévárny a zpracování kovů. Může být použit při trvalých teplotách až do 480°C.

Průmyslová kabelová izolace a opláštění

U některých kabelů je funkce elektrické izolace a vnější ochrany oddělena, přičemž pro každou funkci jsou použity příslušné materiály. Vnitřní vrstva poskytující elektrickou izolaci se označuje jako izolace, zatímco vnější vrstva poskytující mechanickou ochranu je označována jako plášť. Tato kombinace dvou materiálů zlepšuje robustnost i flexibilitu kabelu. K zajištění specializované ochrany před otěry, tekutinami, teplotou, chemikáliemi nebo mikroby, lze použít různé druhy materiálů pláště.

Běžné materiály pláště a jejich vlastnosti:

Polyuretan (PUR) má vysokou houževnatost a flexibilitu, odolnost proti chemikáliím, vodě a otěru. Polyuretan je však hořlavý. Špatné elektrické vlastnosti znamenají, že není vhodný pro použití jako izolaci.
Nylon, který má vynikající houževnatost, pružnost a odolnost vůči otěru a chemikáliím.
Neopren je syntetická termosetová pryž s vynikající odolností proti oděru, průřezu, odolnosti vůči olejům a rozpouštědlům. Má dlouhou životnost a často se používá ve vojenských aplikacích.
Styren butadienový kaučuk (SBR) je termoset s vynikající odolností vůči otěru, olejům a rozpouštědlům. Používá se v kabelech Mil-C-55668.

Uspořádání vodičů v průmyslovém kabelu

Jednotlivé vodiče uvnitř kabelu mohou být uspořádány různými způsoby, které vykazují odlišné vlastnosti ohybu.

Pevné vodiče se skládají z jediného silného drátu. Levný způsob, ale není vhodný pro mechanicky namáhané aplikace a je méně robustní.
Svázaný pramen je relativně jednoduchý způsob provedení kabelu. Všechny prameny jsou krouceny ve stejném směru. Tento typ je robustnější než pevný kabel.
Soustředné splétání má ve středu jediný drát a kolem něj se krouží vrstva drátů. Všechny následné vrstvy jsou zkrouceny střídavě. Tím se vytvoří hladké kabely vhodné pro použití v automatizaci.
Lankové vodiče – jedná se o svazky vodičů spletených různými směry. Tento typ se vyznačuje vysokou flexibilitou.

Konektory pro průmyslové kabely

Kabelové konektory pro průmyslovou automatizaci se mohou také vyrábět na míru stejně jako kabely. Je však třeba poznamenat, že konektory se stále více specializují na konkrétní aplikace. Například konektory pro kabely servomotorů.

Kabelové konektory jsou konstruovány tak, aby byli odolné vůči okolním nepříznivým podmínkám. Odolnost konektoru proti vniknutí předmětu je hodnocen stejným způsobem jako u krytů pomocí kódu Ingress Protection (IP). Tento kód se skládá ze dvou číslic - první číslice označuje úroveň ochrany proti cizím tělesům a prachu a druhá číslice označuje úroveň ochrany před tekutinami. První číslice se pohybuje od 0 - žádná ochrana do 6 - prachotěsné. Druhá číslice se pohybuje od 0 – žádná ochrana až do 8 – ochrana proti nepřetržitému ponoření v hloubce 1 metr.

Tvary jednotlivých konektorů se standardizovali, a to zjednodušilo orientaci při jejich výběru. Modulární konektory pod označením RJ se používají pro přenos dat. Označení RJ - registred jack byl převzat z telefonního systému. Tyto konektory lze rychle a spolehlivě namontovat na kabel pomocí speciálních nástrojů – krimpovaci kleště, které upevňují konektor a vytvoří pevný vodivý spoj v jediné operaci. To umožňuje efektivní a pohodlnou montáž kabelů přímo na místě. Kabely vyrobeny na míru jsou ale mnohem spolehlivější. Konektory typu RJ mají obvykle jazýček, který drží konektor bezpečně v objímce, a často má průhledné plastové tělo umožňující vizuální kontrolu vnitřních kontaktů.