Kaapeliliitin-, läpivienti- ja vedonpoistinvaihtoehdot teollisuusautomaatiossa käytettäville kaapeleille

Teollisuusautomaatiossa käytettävien kaapelien ja komponenttien yhdistämiseen on tarjolla erilaisia liittimiä. Näiden liittimien on siirrettävä kaikki kaapeleiden kautta kulkevat virrat ja datasignaalit sekä päätettävä johto siten, että johtimet pysyvät tiukasti liitettyinä ja suojattuina. Haasteena on, että teollisuusautomaatioon liittyvät laitteet sijaitsevat usein likaisissa, kuumissa, liikkuvissa ja sähköisesti meluisissa ympäristöissä. Siksi teollisuuskaapelien liittimiltä vaaditaan korkeampaa kestävyyttä ja luotettavuutta kuin muissa sovelluksissa.

Tarkastellaanpa ensin joitakin teollisuusliittimien perusteita: liittimiin kuuluu komponentteja, jotka luokitellaan suoriksi liittimiksi (jotka yhdistävät kaksi kaapelia), sekä järjestelmiä, jotka sisältävät liitinkokoonpanon uros- ja naaraspuolen (tai vastakkeen). Joissakin yhteyksissä termi ”liitin” voi viitata myös kaapeliläpivienteihin - liitäntöihin, jotka kulkevat koteloiden läpi – usein vapaasti pyörivällä alikomponentilla, joka puristaa O-rengastiivisteen kaapelin pään ympärille sen suojaamiseksi kemikaaleilta, liekeiltä, lialta ja ulkopuolisilta virroilta.

Teollisuuskaapeliliittimet yhdistävät kaapelit (yleisemmin) etu- ja takapuolella oleviin laiteliitäntöihin. Kaikilla liittimillä ja kaapeliläpivienneillä on IEC 60529 -standardin mukaiset suojausluokitukset (IP), jotka määrittelevät niiden kestävyyden likaa ja kosteutta vastaan. Nämä luokitukset ovat samat, joiden avulla kuvataan sekä komponenttikoteloiden että teollisuuslaitekoteloiden kestävyyttä. IP-koodi on kaksinumeroinen, ja korkeammat arvot merkitsevät korkeampaa suojaustasoa molemmille.

Ensimmäinen IP-luokituksen numero määrittelee suojaustason kiinteitä esineitä, kuten pölyä, vastaan: 0 tarkoittaa, että laitetta ei ole suojattu, ja 6 tarkoittaa, että se on pölytiivis.

Toinen IP-luokituksen numero määrittelee suojaustason nesteitä vastaan: 0 tarkoittaa, että laitetta ei ole suojattu, ja 8 tarkoittaa, että laitteella on jatkuva suojaus vedeltä 1 metrin syvyydessä.

Kuva 1: Tässä on kuvailtu, mitä standardin IEC 60529 erinäiset IP-luokitukset ilmaisevat. Kaapeliliittimien IP-luokitukset ovat erittäin tärkeitä. (Kuvan lähde: connectortips.com)

Automaatiokäyttöön tarkoitettujen RJ- ja M12 Ethernet -liitinten välinen vertailu

IEEE 802.3 -standardissa määritelty Ethernet on edelleen laajimmin käytetty lähiverkkotekniikka (LAN). Teollisuusautomaation Ethernet-pohjaisiin tiedonsiirtostandardeihin kuuluvat ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP ja Profinet. Ethernet-kaapeleissa käytetään yleisesti ubiikkeja RJ (Registered Jack) -liittimiä. Useimmissa RJ-liittimissä on pistoliitin ja yksinkertainen muovinen kieleke, joka napsahtaa vastaavaan kohtaan RJ-naaraliittimessä ja kiinnittää nämä kaksi turvallisesti yhteen. Uros- ja naarasliittimet on helppo asentaa kaapeleihin – ja asennushenkilöstö voi samanaikaisesti kiinnittää ne ja muodostaa sähköiset kontaktit käyttämällä erityistä puristustyökalua. Puristusliittimillä voidaan tehdä mittatilaustyönä leikattuja kaapeleita (jotka asennetaan paikan päällä), jotka ovat kohtuullisen luotettavia. Tällaista paikan päällä tapahtuvaa asennusta varten suunnitelluissa alikomponenteissa on usein läpinäkyvät rungot, jotta asennushenkilöstö voi tarkastaa kaikki sisäiset koskettimet ennen niiden käyttöönottoa. Tästä huolimatta tehdasvalmisteisten kaapeleiden luotettavuus on lyömätön.

Kuva 2: Tämä on TL2253-ND-käsipuristustyökalu, joka mahdollistaa neljä-, kuusi- ja kahdeksanjohtimisen halutun pituiseksi leikatun Ethernet-kaapelin liittämisen RJ-urosliittimeen paikan päällä. Yhdellä puristuksella työkalun terät kuorivat litteän tai pyöreän Cat5e- ja Cat6-kaapelin ja kiinnittävät sen liittimen rungon. (Kuvan lähde: Tripp Lite)

Jos RJ-liittimet eivät ole riittävän kestäviä tiettyyn teollisuusympäristöön, M12-liittimet voivat olla parempia. Tämä johtuu siitä, että M12-liittimet tarjoavat luotettavamman ja fyysisesti kestävämmän liitännän, jonka lisäetuna on suojaus pölyä ja nesteitä vastaan.

Kuva 3: Kuvan kaltaiset RJ-liittimet ovat kaikkein yleisimpiä Ethernet-kaapeleissa. Ethernet-kaapeliin on kuitenkin saatavilla muitakin liitintyyppejä. (Kuvan lähde: Getty Images)

Standardin IEEE 802.3:n määrittelemä Power over Ethernet (PoE) on kätevä tapa siirtää sekä dataa että sähkövirtaa yhden ainoan kaapelin kautta. PoE-vaihtoehto A (kutsutaan usein tilaksi A) käyttää samaa kahta kierrettyä paria sekä datan että virran siirtoon, joten voidaan käyttää kaapeleita, joissa on vähemmän ytimiä – ja kaistanleveys on rajoitettu arvoon 100 Mbps (100BASE-TX). PoE-vaihtoehto B (kutsutaan usein tilaksi B) käyttää Cat5-Ethernet-kaapelin neljää kierrettyä paria, niin että kaksi paria siirtää dataa ja kaksi paria virtaa. Tämä laskee tiedonsiirtoon käytettävissä olevaa kaistanleveyttä ja rajoittaa tiedonsiirtonopeuden arvoon 100 Mbps, vaikka kaapelit on luokiteltu Gigabit Ethernetille.

4PPoE eli neliparikaapeli edellyttää kaapelia, jossa on neljä kierrettyä johdinsäieparia ja kaikki niistä siirtävät sekä virtaa että dataa. Tämä tarkoittaa, että korkeammat tiedonsiirtonopeudet (Gigabit Ethernet ja nopeammat) ja virrat ovat tuettuja. Laitteet, joille syötetään virtaa PoE:n kautta, on konfiguroitava hyväksymään tila A tai tila B syötteestä riippuen. Niissä voidaan kuitenkin käyttää kiinteää tai vaihtuvaa resistanssia johdinparien välillä ja indikoida tällä tavoin yhteensopivuus ja pyytää tiettyä tehokonfiguraatiota. PoE-virtalähteet (lähdelaitteet tai PSE) määrittelevät tietenkin järjestelmän PoE-tilan.

Kuva 4: Liittimen rakenne määräytyy pitkälti liitettävän kaapelin mukaan. M12 Ethernet-kaapeliliittimet, kuten tässä näkyvät liittimet, ovat yleensä RJ-liittimiä kestävämpiä. Jotkut valmistajat käyttävät värikoodia ilmaistakseen yhteensopivuuden PoE-tilojen ja johdinsijoitteluiden kanssa. (Kuvan lähde: Lumberg Automation)

Sekä data- että virtakaapelien (kuten myös verkkokaapelien, kuten teollisen Ethernetin, PROFINETin ja kenttäväylän) päissä käytetään M-sarjan liittimiä. Ne ovat pyöreitä pariliittimiä, joissa on naaraskierreholkki (urosliittimeen kiinnitettäväksi) kierrettynä johtavien nastojen ympärille. M8- (8 mm) ja M12 (12 mm) -kierteet ovat kaikkein yleisimpiä, mutta myös M5, M16 ja M23 ovat käytettyjä standardeja. M-sarjan liittimien positiivinen (kiinniruuvattava) kiinnitys takaa erittäin luotettavan yhteyden, joka minimoi katkonaiset signaalit. Se suojaa samalla liitosta ympäristön lialta, joka ovat hyvin yleistä pesu- ja syövyttävissä ympäristöissä. Ei ihme, että M-sarjan liittimet ovat teollisuusautomaatiossa käytettävien aktuaattoreiden, PLC-piirien, antureiden, kytkimien ja ohjauslaitteiden kaapeleiden huippustandardi.

M8- ja M12-liittimissä voi olla kaksi, kolme, neljä, viisi, kahdeksan tai 12 nastaa (kutsutaan myös paikoiksi). Anturit ja virtalähteet tarvitsevat yleensä kolme tai neljä nastaa. Ethernet- ja PROFINET-kaapeleiden päissä oleviin M-sarjan liittimiin tarvitaan neljä tai kahdeksan nastaa. Sen sijaan kenttäväylä-, CAN-väylä- ja DeviceNet-dataa kuljettavien kaapeleiden päissä olevissa liittimissä on yleensä neljä tai viisi nastaa. Useita sähkö- ja datavirtoja kuljettavien kaapeleiden päihin voidaan tietenkin joutua asentamaan M-sarjan liitin, jossa on kaikki 12 nastaa.

Kuva 5: Tämä Brad Ultra-Lock 120108 -suorakulmaliitin on M12-liitinrakenteen valmistajakohtainen versio, joka parantaa luotettavuutta. (Lähde: Molex)

Yksi tällainen uros-naaras-liitinmalli, joka on teollisuudessa varsin yleinen, on itse asiassa kosketinryhmä-ja-kantapari, jonka Molex on alun perin tuonut markkinoille, joten siihen viitataan ammattikielellä toisinaan myös nimellä Molex-liitin. Valmistajakohtaiset Molex Brad -liitinsarjat perustuvat M12-liittimiin, mutta niissä on kierreholkkien sijasta helppokäyttöisempi ja luotettavampi työntämällä lukittava (push-to-lock) järjestelmä. Koska lukitus ei ole riippuvainen siitä, että käyttäjä kiristää kierteen, se takaa luotettavuuden ja minimoi katkonaisen signaalin riskin. Brad-liittimen muunnelmia ovat:

• Brad Micro-Push M12 -liittimet – IP65-suojauksen tarjoava sisäänpainettava ja ulosvedettävä liitin
• Työntämällä lukittavat Brad MX-PTL M12 -liittimet IP65-suojauksella
• Brad Micro-Change M12 -kierreliittimet IP67-suojauksella
• Brad Ultra-Lock- ja Ultra-Lock EX M12 -liittimet työntämällä lukittavilla osilla ja O-renkailla täyttä IP69K-tasoista suojausta varten.

Koaksiaaliliittimet korkeataajuuksisia signaaleja varten

Teollisuusautomaatiossa käytetään myös koaksiaalikaapeleita (joissa on koaksiaaliliittimet) korkeataajuisten signaalien siirtoon – erityisesti tärinänvalvontaa tukevaan ja analogisten signaalien siirtoon. Standardeja riittää.

BNC-liittimissä on bajonettikiinnitys, jonka kiinnitys ja irrotus vaatii neljänneskierroksen kääntämistä. Niitä voidaan käyttää yli 12 GHz:n ja joissakin tapauksissa jopa 18 GHz:n taajuuksilla. DIN 0.4–2.5 -liittimet ovat erittäin pieniä työntämällä kiinnitettäviä liittimiä, jotka soveltuvat 3 GHz:n taajuuksille. DIN 1.0/2.3 -liittimet sitä vastoin ovat pieniä työntämällä kiinnitettäviä radiotaajuusliittimiä, joita käytetään laajalti digitaalisessa tietoliikenteessä.

Modulaaristen ja räätälöityjen kaapelien määrä lisääntyy automaattisissa koneissa

Perinteisissä järjestelmäintegraatiomenetelmissä kaapelit ”valmistetaan” – mitataan, leikataan ja liitetään – paikan päällä automatisoitujen laitteiden asennuksen yhteydessä. Tämä tarkoittaa yleensä sitä, että sähköasentaja leikkaa tarvittavat kaapelit paikan päällä oikean pituisiksi, kuorii niiden kaikkien johtimien herkät vaipat ja asentaa kaapeleihin liittimet, joita tarvitaan komponenttien yhdistämiseen. Tällainen kaapelien valmistelu kentällä on aikaa vievää ja johtaa yhteyden vaihtelevaan laatuun. Siksi nykyään suositaan modulaarisia kaapeli- ja liitinjärjestelmiä, jotka koostuvat standardikaapeleista ja tehdasasennetuista liittimistä. Tarvittavat kaapelipituudet määritellään suunnittelun aikana ja toimitetaan asennusvalmiina.

Jotkut arvioivat, että modulaariset kaapelit lyhentävät asennusaikaa työmaalla 60–70 prosenttia ja parantavat samalla sähköliitäntöjen luotettavuutta.

Kaapeliläpiviennit erityistapauksena

Kaapeliliittimiä, joita kutsutaan läpivienneiksi, käytetään kaikkialla, missä kaapelit kulkevat kotelon läpi. Läpivienneillä on kolme tarkoitusta – kaapelin kiinnittäminen, kaapelin kulumisen estäminen ja tiivisteen luominen kaapelin ympärille, joka suojaa kotelon sisällä olevia komponentteja ympäröivältä lialta. Kaapeliläpivientien kiinnitystapa pohjimmiltaan estää sähköisten koskettimien vahingoittumisen nykäisyjen tai muiden häiriöiden vuoksi. Se estää myös kaapelia raapimasta tai hankaamasta kotelon aukon terävää metallilevyreunaa vasten. Tämä on tärkeää, koska ohut metallilevy voi helposti leikata kaapelivaipan läpi ja aiheuttaa mahdollisesti oikosulun kaapelin ytimissä.

Vähemmän vaativissa sovelluksissa käytetään usein lamelliläpivientejä, joissa on useita sormia, jotka kiinnittyvät kaapelin ympärille. Tämäntyyppinen läpivienti on edullisempi, mutta vaatii säännöllistä uudelleenkiristystä kotelon suojauksen ylläpitämiseksi. Laadukkaammissa läpivienneissä käytetään jatkuvaa tiivistettä, joka kiinnittyy kaapelin ympärille. Tämäntyyppisen läpiviennin löystyminen ajan myötä on vähemmän todennäköistä.

Nykypäivän teollisten virtaliittimien rakenne

Teollisuusautomaatiossa käytettävät laitteet tarvitsevat usein datayhteyden lisäksi johdollisen virtalähteen. Edellä mainittu suhteellisen uusi PoE-tekniikka on suositeltavampi silloin, kun sen käyttö on mahdollista, koska se pitää johdotuksen yksinkertaisena. Valtaosa automaatiokomponenteista ja -järjestelmistä vaatii kuitenkin perinteisiä virtajohtoja.

IEC ( International Electrotechnical Commission) -standardoidut liittimet ovat yleisiä kuluttaja- ja toimisto- sekä teollisuussovellusten virtajohdoissa. IEC määrittelee standardissa IEC 60320 lukkiutumattomien liittimien valikoiman, joissa jännite on enintään 250 V ja virta maksimissaan 16 A. C13/C14-liitintä käytetään tällöin yleisesti elektroniikkalaitteissa, myös tietokoneiden virtalähteissä. Suurempia C19/C20-liittimiä käytetään enemmän virtaa siirtävien kaapeleiden päissä, esimerkiksi palvelinkoteloissa.

Kuva 6: Yleiskäyttöisissä virtajohdoissa käytetään erilaisia IEC- ja muita standardiliittimiä. (Kuvan lähde: Getty Images)

Kriittisempiin tai vaativampiin sovelluksiin suositellaan usein IEC 60309 -liittimiä. Nämä urosliittimet, naarasliittimet ja suorat liittimet on tarkoitettu nimenomaan teollisuuskäyttöön, ja ne kestävät jopa 1000 V:n jännitteitä, 800 A:n virtoja ja 500 Hz:n taajuuksia. Kaikki nämä liittimet tarjoavat suojauksen vettä vastaan: IP44-liittimet ovat roiskevesisuojattuja, IP67-liittimet ovat vedenpitäviä ja IP66/67-liittimet estävät luotettavasti veden pääsyn liittimen sisälle jopa painevesisuihkun alaisena. Pistorasiat voidaan myös lukita siten, että rasiaan ei voi kytkeä virtaa, ellei siihen ole kytketty pistoketta, eikä pistoketta voi irrottaa, ennen kuin virta on katkaistu.

Kuva 7: Huomaa tämän korkeatehoisen kaapeliliittimen värikoodaus (standardin IEC 60309 mukaan). (Kuvan lähde: Railway Tech)

Erilaisia IEC 60309 -liitinkokoja käytetään eri virtaluokituksille. Liittimet on myös koodattu ja värimerkitty niiden jännite- ja taajuusalueiden mukaisesti:

• Keltainen ilmaisee 100–130 V:n jännitettä taajuudella 50–60 Hz
• Sininen ilmaisee 200–250 V:n jännitettä taajuudella 50–60 Hz
• Punainen ilmaisee 380–480 V:n jännitettä taajuudella 50–60 Hz – usein kolmivaiheisessa konfiguroinnissa

Yhteenveto

Teollisuusautomaation liittimien ja läpivientien valintaan on tarjolla monia geometria- ja integrointivaihtoehtoja. Kun suunnittelijat määrittelevät kaapelia tiettyä automatisoitua konetta varten, heidän on otettava ensimmäisenä huomioon kaapelin säikeiden lukumäärä ja säikeiden halkaisija. Seuraavaksi tärkeimpiä näkökohtia ovat liittimen suojaus ja positiivisen lukituksen tarve katkonaisten signaalien estämiseksi.