Miten rakentaa robusteja sähkö-, tietoliikenne- ja turvajärjestelmiä tehdasautomaatiota varten?

Virransyöttö-, tietoliikenne- ja turvajärjestelmät ovat kriittisiä elementtejä nykyaikaisessa tehtaassa. Ne mahdollistavat useita verkkoyhteyksiä käyttävien ja miljoonien dollarien arvoisten koneiden luotettavan toiminnan. Lisäksi näiden kriittisten elementtien johdotusjärjestelmien on säilyttävä luotettavina useita vuosia. Niiden on kestettävä kuumuutta ja tärinää sekä vastattava sellaisiin haasteisiin kuten vaihteleva syöttöjännite, kosteus ja korkeat hiukkaspitoisuudet.

Kattavan johdotuksen asennus tehtaaseen on vaikeaa ja kallista. Oikeastaan se on työvaihe, joka tulisi tehdä vain yhden kerran. Tästä syystä on tärkeää varmistaa, että järjestelmässä käytettävät kaapelisarjat, liittimet ja jakorasiat ovat lujatekoisia, luotettavia ja skaalautuvia, niin että ne voivat vastata sekä nykypäivän että tulevaisuuden standardeihin, protokolliin ja säädöksiin.

Tässä artikkelissa luodaan lyhyt katsaus nykyaikaisen tehtaan vaatimuksiin. Tämän jälkeen siinä esitellään modulaarinen tapa muodostaa ja kehittää teollisuusautomaatioverkkoja käyttäen esimerkkeinä reaalimaailman komponentteja Molexilta. Artikkelissa näytetään miten modulaarinen tapa voi yksinkertaistaa käyttöönottoa ja täyttää tärkeät ympäristö-, käyttö-, turvallisuus-, luotettavuus- ja kustannusvaatimukset sekä samalla tarjota riittävä joustavuus, joka mahdollistaa järjestelmän laajentamisen ja muokkaamisen tehtaan kasvaessa.

Johdotus huomispäivän tehtaassa

Teollisuusautomaatio (IA, Industrial Automation) on muuttanut nykyaikaisen tehtaan. Kommunikointi on nykyään yhtä tärkeää kuin tuotteiden valmistuksessa käytettävien suurien koneiden ja servomoottorien vaatima virransyöttö. Lisäksi turvallisuus on ratkaisevan tärkeää kun ihmiset ja robotit työskentelevät lähekkäin. Automaatioinsinöörin haasteena on valita ja asentaa kaapelointi virransyöttöä, tietoliikennettä ja turvallisuusominaisuuksia varten hyödyntäen samalla sekä nykypäivän tekniikkaa että ottaen huomioon tulevaisuuden laajennustarpeet.

Tämä on kova haaste, koska tehtaat ovat suuri investointi, ja ne on rakennettu kestämään. Tehtaiden eliniän aikana valmistusteknologia kehittyy ja johdotusjärjestelmät, jotka olivat riittäviä vain muutama vuosi sitten, eivät enää riitäkään. Lisäksi tuotantokapasiteetin kasvaessa jokainen lisäjärjestelmä vaatii oman verkkoyhteytensä. Ja paitsi että tehtaan uudelleenkaapelointi on kallista ja vie aikaa, se tarkoittaa myös sitä, että kalliit koneet seisovat käyttämättöminä.

Suunnittelijat suosivatkin yhä enemmän modulaarisia järjestelmiä, joissa virransyötön, tietoliikenteen ja turvallisuusominaisuuksien johdot on sijoitettu samaan vaippaan ja joiden lisäjohdot tarjoavat kasvuvaraa tulevaisuudessa. M23-liitinjärjestelmä on tärkeä osa tätä lähestymistapaa. Järjestelmä saa nimensä siitä, että kaapeliliittimen kierteiden halkaisija on 23 millimetriä (mm). Järjestelmä on suhteellisen helppo koota ja testata, ja se tarjoaa robustin ja luotettavan virta- ja tietoliikenneinfrastruktuurin (kuva 1),

Kuva 1: M23-kaapelisarja ja 23 mm:n naarasliitin 8 tapin insertillä. (Kuvan lähde: Molex)

M23-liittimet ja kaapelit on tarkoitettu kytkettäviksi teollisuusautomaatiossa yleisiin sähkökäyttöihin, servomoottoreihin ja enkoodereihin. M23-järjestelmä tarjoaa valikoiman inserttejä ja koteloita sekä dataa, tietoliikennettä että virransyötön ja datan yhdistelmää varten. Tästä syystä se sopii yhtä hyvin niin signaali- kuin virransyöttösovelluksiin. M23-kaapelisarjan jänniteluokitus voi olla 250, 630 tai 800 volttia ja virtaluokitus 9, 18 tai 30 ampeeria (A).

M23-kaapelointia ei määritetä kansainvälisellä standardilla. Valmistajat noudattavat kuitenkin yleensä johdinsarjojen valmistusta koskevia suosituksia, mikä mahdollistaa yhteentoimivuuden. Tästä syystä M23-järjestelmää voidaan pitää de facto -standardina.

M12 on yksi muunnos M23-järjestelmästä, jossa kierreliitännän halkaisija on 12 mm. Koska M12-järjestelmää ei käytetä virransyöttöön, kaapelisarjat ovat kompaktimpia ja säästävät sekä kustannuksia että tilaa (kuva 2).

Kuva 2: M12-kaapelisarjaa käytetään ainoastaan kommunikointia ja turvallisuusominaisuuksia varten; se on kompaktimpi kuin M23-kaapelisarja. (Kuvan lähde: Molex)

Yksi avaintekijä M23/M12-kaapelisarjojen menestykseen on ollut niiden joustavuus. Suunnittelijat voivat ensinnäkin räätälöidä omat järjestelmänsä määrittelemällä kaapelit, liitännät, liittimet, insertit, liittimien kotelot ja jopa liitäntänastojen halkaisijan. Liitäntöjä on saatavana sekä suorana että kulmamallina, ja inserttejä on saatavana erilaisilla nastamäärillä ja -kuvioilla. Tuloksena on laaja valikoima räätälöitävissä olevia variaatioita lähes kaikkiin sovelluksiin.

Suunnittelija voi myös halutessaan valita suuresta joukosta tehtaalla valmiiksi tehtyjä kaapeli/liitäntä- tai kaapeli/naarasliitin-kokoonpanoja. Valmiiden tuotteiden etuna on se, että ne säästävät kokoonpanoon kuluvaa aikaa ja takaavat, että kaapeli ja liitin on jo testattu tehtaalla. Haittapuolena on se, että ratkaisuvalikoima on pienempi kuin jos kaapelin rakentaa itse alusta lähtien. Valmiita ratkaisuja on kuitenkin tarjolla lukematon määrä ja niistä löytyy liitinvaihtoehtoja ja kaapelipituusvaihtoehtoja useimpiin tehdasautomaation tarpeisiin, mukaan lukien pyörivät koneet, hitsausrobotit ja automaattiset ladontakoneet.

Suojaus likaa, tärinää ja EMC-häiriöitä vastaan

Joitakin poikkeuksia lukuun ottamatta (kuten elintarvikkeiden, lääkkeiden ja hi-tech-elektroniikan valmistus) tehdasympäristö on yleensä aina kostea ja täynnä pölyä, rasvaa ja muita epäpuhtauksia. Nämä ovat sähköjärjestelmien vihollisia. Toisissa sovelluksissa saatetaan vaatia, että kaapeli- ja liitinratkaisu kestää tuotannossa ja puhdistuksessa käytettäviä happoja ja emäksisiä liuoksia. Tällöin on tärkeää, ettei niiden sisään pääse nesteitä, hiukkasia ja eikä muita aineita.

Se missä määrin järjestelmän on kestettävä epäpuhtauksia riippuu tehtaan vaatimuksista. Valmistajat luokittelevat tuotteet IP-luokitusjärjestelmän mukaisesti. IP-luokitus kertoo tuotteen suojausasteen ja se määritellään kansainvälisessä standardissa EN 60529.

Luokitus koostuu kahdesta numerosta, joista ensimmäinen kertoo suojaustason kiinteitä esineitä vastaan, esimerkkinä työkalut tai sormet. Nämä saattavat aiheuttaa vaaran, jos ne osuvat sähköjohtimiin. Suojaustaso koskee myös ilman mukana kulkeutuvaa likaa ja pölyä, jotka voivat vahingoittaa virtapiiriä. Toinen numero määrittää suojan erilaisia pisaroita, suihkuja ja upottamista vastaan. Suojausluokat ovat välillä luokasta IP00 (ei suojausta pölyä eikä vettä vastaan) luokkaan IP69 (täysi suoja pölyä ja voimakkaita kuumia vesisuihkuja vastaan).

Epäpuhtaudet eivät ole ainoa tekijä, jotka saattavat synnyttää ongelmia heikosti suunnitellussa tehtaan sähköjärjestelmässä. Myös kaapelikokoonpanot saattavat altistua lämpöjännitykselle, tärinälle ja mekaaniselle taipumiselle (erityisesti robotiikkasovelluksissa, joissa kaapelit saattavat olla koko ajan liikkeessä). Lisäksi tehtaissa käytetään usein suuria sähkömoottoreita, jotka vaativat suuria käynnistymisvirtoja. Tämä synnyttää teho- ja jännitepiikkejä sekä elektromagneettisia häiriöitä (EMI), jotka saattavat häiritä herkkiä kommunikointijärjestelmiä.

M23- ja M12-kaapelikokoonpanot on tarkoitettu erityisesti tehdasympäristöjen haasteita varten ja niiden yhteenkierrettävät liitokset kestävät tärinää ja mekaanista kuormitusta. Haastavissa EMI-ympäristöissä kaapelisarjojen valmistajat tarjoavat vaihtoehtoista integroitua suojausta.

Esimerkiksi Molex tarjoaa erittäin lujatekoista valettua M23-virtakaapelisarjaa Brad^® 120480. Nämä kaapelikokoonpanot on valmistettu vaativia olosuhteita varten ja niissä käytetään mm. valumuovisia suojuksia, jotka suojaavat kaapelia/liitintä. Niitä on saatavana myös EMI-suojauksella. Näitä on saatavana määräpituuksilla 1 metristä (m) aina 20 metriin saakka ja niiden oranssi väri helpottaa niiden näkemistä (kuva 3).

Kuva 3: 120480 M23 -kaapelisarjojen valukuori antaa niille lisäsuojaa ja niissä käytetään erilaisia inserttejä; kuvassa näytetään kuuden ja kahdeksan nastan variantit. (Kuvan lähde: Molex)

Kaapelit on saatavana joko kuuden tai kahdeksan nastan (johdon) versioina. Maksimijännite on 800 volttia ja maksimivirta 18 A. Kontaktin resistanssi on 3 ohmia (Ω) ja eristysresistanssi 100 megaohmia (MΩ). Kaapelisarjoja voidaan käyttää lämpötila-alueella 25 °C ... +85 °C ja ne tarjoavat yhdistettyinä IP67-luokan pöly- ja vesisuojauksen.

M23-järjestelmän kaltaisten modulaaristen järjestelmien etuihin kuuluu se, että tehtaan johdotusta voidaan kehittää ja muokata nopeasti tehtaan kasvaessa. Järjestelmän ansiosta suunnittelijat voivat yhdistää langallisia verkkoja yhteen ja yhdistää kaapeleiden päät suoraan M23-kantaa käyttäviin koneisiin. Johdotus ei ainoastaan tue tehdasautomaation vaatimia korkeita jännitteitä ja virtoja, vaan se voi tukea myös tehtaan kommunikointijärjestelmiä, kuten Ethernet, EtherCAT, Modbus ja PROFINET (kuva 4).

Kuva 4: M23-kaapelointi helpottaa tehtaan johdinverkon laajentamista, kun tehtaaseen lisätään uusia tuotantosoluja. (Kuvan lähde: Molex)

Tehtaan turvallisuuden parantaminen

Verkkoyhteyksillä on tärkeä rooli nykyaikaisessa tehtaassa. Laitteiden ohjaus ja päivittäminen muodostaa suuren osan verkon tehtävistä, mutta myös tehdasautomaation turvallisuus on tärkeää, erityisesti silloin kun ihmisten lähellä on robotteja. Robotit käyttävät tyypillisesti useita antureita, jotka pysäyttävät sen liikkeen, jos robotin työskentelyalueelle tulee ihminen. Turvasolua täydennetään lukittavilla porteilla ja ohjauspaneeleilla. Kaikki nämä järjestelmät edellyttävät verkkoyhteyttä ja johdinverkosta tulee helposti kompleksinen ja hankalakäyttöinen, jos jokainen anturi käyttää omaa haaraansa tehtaan pääverkosta (kuva 5).

Kuva 5: Turvajärjestelmät ovat tärkeitä robotteja sisältävissä työsoluissa ihmistyöntekijöiden suojaamiseksi tehdasautomaatioympäristössä. (Kuvan lähde: Molex)

Suunnittelijat kuitenkin yksinkertaistavat tilannetta käyttämällä tehtaan pääverkkoon kytkettyjä MPIS-jakorasioita (Multiport Interconnection System). Tällöin M12-ohjauskaapelit kytketään rasian lähdöistä tuotantosolun turvajärjestelmiin. Yksi esimerkki tästä on Molexin lujatekoinen IP67-luokitettu 1202480510 MPIS-jakorasia, mikä helpottaa koneiden ympärille asennettujen turvallisuuslaitteiden hallintaa (kuva 6).

Kuva 6: MPIS-jakorasiat yksinkertaistavat turvallisuuskomponenttien johdotusta ja säästävät sekä tilaa että kustannuksia. (Kuvan lähde: Molex)

1202480510 sisältää 5 metrin pituisen integroidun kaapelin, jolla se kytketään tehtaan pääverkkoon, neljä kahdeksannastaista M12-porttia sekä neljä neljä- ja viisinastaista M12-porttia samassa kotelossa. Jakorasiaan voidaan asentaa tavalliset I/O-johtojärjestelmät pieneen tilaan ja maksimoida turvallisuusratkaisun joustavuus. Kunkin portin jänniteluokitus on jopa 30 volttia (DC) ja niiden maksimivirta on 4 A (jakorasian suurin sallittu kokonaisvirta on 12 A). Jakorasia on tarkoitettu käytettäväksi sellaisten kaapelisarjojen kanssa kuten Molexin 1 m, M12, kahdeksannastainen 1200652383 Micro-Change-sarja, sekä 1 m, M12, nelinastainen 1200652378-versio.

Yhteenveto

Tehdasautomaatio vaatii robusteja, luotettavia ja skaalautuvia kytkentäverkkoja virransyöttöä, tietoliikennettä ja turvaominaisuuksia varten. M23- ja M12 de facto -standardeihin perustuvat modulaariset järjestelmät yksinkertaistavat alkuvaiheen asennusta ja täyttävät nämä vaatimukset. Niiden käyttämät kaapelisarjat ja jakorasiat on rakennettu ottaen huomioon tehdasympäristön vaatimukset. Tämän ansiosta ne kestävät likaa ja kosteutta sekä kestävät äärilämpötiloja, tärinää ja mekaanista kuormitusta.