Yksinkertaista teollisuuslaitteiden toteuttamista konfiguroitavilla modulaariliittimillä

Kun ajatellaan signaali- ja virtaliitäntöjä teollisuuden käyttökohteissa, niissä on tavallisesti monia virta-, maadoitus- ja signaaliliitäntöjä, jotka täytyy toteuttaa ahtaissa olosuhteissa. Suunnittelijoiden täytyy määritellä monia kaapelityyppejä, ja myös liitännän valmisteluaika, mukavuus ja tila ovat kriittisiä tekijöitä. Näissä tilanteissa monissa teollisuuden laiterakenteissa turvaudutaan yksinkertaiseen, kiinteään pisteestä pisteeseen -johdotukseen, jossa asentaja liittää johdot manuaalisesti yksi kerrallaan.

Todellisuudessa tämä manuaalinen kiinteä johdotus paikan päällä on kuitenkin erittäin aikaa vievää, virhealtista ja siksi kallista. Se on erityisen kallista menetetyn ajan, kunnostuskustannusten ja virheiden vuoksi, jos irtikytkentää/uudelleenkytkentää sekä korjausta, laajennusta tai muutostöitä tarvitaan jostain syystä.

Ratkaisu tähän tehokkuus-, kustannus-, tila- ja luotettavuusongelmaan on modulaariliitinten käyttö, sillä ne ovat joustavia, monipuolisia ja helppoja hallita. Niitä toimitetaan myös monenlaisten liitinkoteloiden ja kiinnityskehysten kanssa, jotka yhdistetään suunnittelijan valittavissa olevien mix and match -inserttien kanssa. Näin voidaan välittää suuri lukumäärä erilaisia sähkösignaaleja – mukaan lukien virta-, signaali- ja datatyypit – käyttäen paljaita johtimia, D-Sub-liittimiä, koaksiaalikaapeleita ja jopa optista kuitua ja paineilmapneumatiikkaa.

Tässä artikkelissa tuodaan käytännön esimerkin kautta esiin eräitä manuaalisen lähestymistavan ongelmia. Sen jälkeen artikkelissa esitellään joustavampi ja tehokkaampi lähestymistapa, joka perustuu Han-Modular -sarjan liittimiin yritykseltä HARTING. Artikkeli myös näyttää miten nämä liittimet ratkaisevat monia johdotusongelmia. Artikkelissa esitellään myös sarjaan liittyvä konfigurointityökalu, joka auttaa suunnittelijoita rakentamaan optimaalinen Han-Modular-järjestelmä nopeasti.

Kiinteä pisteestä pisteeseen -johdotus: nopeaa, helppoa ja usein sotkuista

Vaikuttaa helpolta toteuttaa yksinkertaisia liitäntöjä kiinteällä pisteestä pisteeseen -johdotuksella, mutta monissa tapauksissa tätä päätöstä kadutaan. Tarkastellaanpa esimerkkiä yksinkertaisen yhden vyöhykkeen ”tyhmän” termostaatin johdotuksen päivityksestä älykkääksi, joka vaati välireleen äly-yksikön ja lämmitysjärjestelmän ohjaimen välille. Kyseisen ensimmäisen vyöhykkeen johdotus oli hieman umpimähkäinen ja näytti sotkuiselta, mutta se oli helppo asentaa ja se toimi. Koska kaikki myös käytti 24 V:n vaihtovirtaa, paljaaseen johdotukseen ja turvallisuuteen liittyviä ongelmia ei ollut.

Kodin omistaja päätti kuitenkin seuraavana vuonna päivittää kaksi muuta lämmitysvyöhykettä älytermostaatteihin. Myös lisätty pisteestä pisteeseen -johdotus tehtiin nopeasti ja tuloksena oli sekasotku, joka yllättäen kuitenkin toimi (kuva 1). Vaikka ratkaisu toimi, se ei ollut hyvä pitkän aikavälin lähestymistapa, sillä vianetsintä olisi hyvin hankalaa myöhemmin, mikäli ilmenisi ongelmia. Myös järjestelmän uudistaminen olisi painajaista.

Kuva 1: Sotkuinen kiinteä pisteestä pisteeseen -johdotus voi olla tulosta monimutkaisesta projektista tai jopa perusjärjestelmän vaiheittaisesta laajentamisesta lisätoiminnoilla, esimerkkinä releiden johdotus päivitettäessä kolmen vyöhykkeen älytermostaatit. (Kuvan lähde: Bill Schweber)

Tämä tilanne oli käytännön, esteettisten ja dokumentaaristen syiden vuoksi kestämätön, joten koko rakenne päätettiin siistiä ja johdottaa uudelleen kiinteästi haarukkaliittimillä ja ruuviliitinrimoilla (kuva 2). Tämä ratkaisu oli nopeampi toteuttaa ja edellytti vähemmän suunnittelua kuin kolmen dedikoidun liittimen (yksi vyöhykettä kohti) käyttäminen, ja sitä pidettiin hyväksyttävänä kompromissina tässä tapauksessa, yli 50 erillisestä liitännästä huolimatta. Tämä asennus osoitti kiinteästi johdotettavien pisteestä pisteeseen -liitäntöjen ilmiselvät hyödyt: ne edellyttävät suhteellisen vähän suunnittelua (kytkentä- tai liitäntäkaavio riittää usein), hyvin vähän asiaan paneutumista ja liitännät voidaan ottaa käyttöön heti.

Kuva 2: Termostaattiuudistuksen johdotusta parannettiin uudelleenjohdotuksella haarukkaliittimiä ja ruuviliitinrimoja käyttämällä. Yli 50 liitännän uudelleenjohdotuksessa tarvittiin silti äärimmäistä huolellisuutta virheiden välttämiseksi ja tilaa tarvittiin paljon monikosketinliittimien käyttöön verrattuna. (Kuvan lähde: Bill Schweber)

Teollinen maailma on monimutkaisempi

Teollisuusympäristössä jopa tällä parannetulla johdotuksella olisi pitkällä tähtäimellä haitallisia vaikutuksia. Kaikkien näiden yksittäisten johdinten asennus edellyttää moninkertaisia tarkastuksia kunkin johtimen sijoituksessa piirustukseen nähden sekä fyysisen eheyden tarkistuksia. Myös kunkin johtimen merkintä on erittäin tärkeää, ja yleensä ANSI- ja ISO-merkintästandardeja tulee noudattaa. Jos laitteisto täytyy kytkeä irti korjausta tai paikan vaihtoa varten, monimutkaiset liitännät täytyy purkaa ja uudelleenliittäminen edellyttää prosessin toistamista.

Erilliset, esijohdotetut kaapelit ja vastaliittimet tarjoavat luonnollisestikin aluksi houkuttelevan vaihtoehdon. Ne voidaan koota ja testata etukäteen valvotussa ympäristössä ja kiinteä johdotus jää pois, mutta ne aiheuttavat myös uusia huolia. Monissa asennuksissa käytetään samanaikaisesti erilaisia signaalityyppejä kuten alhaisia ja korkeita jännitteitä eri virtaluokitusalueilla, anturisignaaleja, lukemattomia datalinkkityyppejä sekä Ethernetiä, optista kuitua ja jopa matalapaineista ilmaa (pneumatiikka). Tuloksena on kaapeleiden ja johdinten vaihteleva kokoelma, joka kuluttaa huomattavasti paneelitilaa ja saattaa edellyttää koodausta, jos useissa kaapeleissa on sama liitintyyppi. Lisäksi niiden liitäntä/irtikytkentä vie aikaa.

On olemassa ratkaisu, joka vaikuttaa ratkaisevan monen kaapelin/liittimen dilemman ainakin ensi katsauksella. Perusliittimiä on saatavilla monilla virta- ja signaalikoskettimilla yhteisessä kotelossa. Ne tarjoavat kahdesta syystä oikeastaan vain osittaisen ratkaisun. Ensinnäkin niitä on saatavilla vain ennalta määritettyinä kiinteinä kosketinlukumäärinä ja -tyyppeinä, esimerkkinä kaksi paikkaa virransyöttöä ja kuusi signaalia varten. Toiseksi niitä on saatavilla vain yksinkertaista alhaista/korkeaa signaali- ja tehotasoa ja joitakin datasignaaleja varten, muttei gigabitin Ethernetin (GbE), lasisen tai muovisen optisen kuidun liitännöille eikä myöskään matalapaineisille pneumaattisille (ilma) liitännöille.

Täysi modulaarisuus: parempi ratkaisu

Suunnittelijat voivat kiertää nämä kosketinrajoitteet käyttämällä HARTING Han-Modular- sarjan liittimiä. Ne ovat alansa huippua mix-and-match-joustavuudessa kosketinten lukumäärän ja tyyppien ansiosta. Suunnittelija voi valita lähes minkä tahansa liitin- ja kosketinyhdistelmän ja poimia sitten liitinkehyksen, joka pitää ne paikallaan sopivassa kotelossa (kuva 3 ja kuva 4).

Kuva 3: Käyttäjän määrittämällä modulaarisuudella luodaan asiakaskohtainen, peruskomponentteja sisältävä liitin. (Kuvan lähde: HARTING)

Kuva 4: Kuvassa 3 näkyvän prosessin tuloksena on kompakti, täysin asiakaskohtainen koteloitu liitinkokoonpano yhteensopivilla liitäntäpuolilla. (Kuvan lähde: HARTING)

Han-moduulit tukevat liittimiä ja koskettimia (uros ja naaras) virroille muutamista milliampeereista 200 ampeeriin (A), jännitteitä enintään 5 000 V, paineilmaletkuja, datalinjoja, häiriösuojattuja väyläsignaaleita ja jopa muovisia tai lasisia kuituoptiikkakaapeleita. Näin kattavaa sähköistä ja mekaanista valikoimaa ei löydy muista liitinten/kosketinten monitoimikokoonpanoista.

Näitä liittimiä käyttämällä kaapeli ja johdotus voidaan suunnitella, koota ja testata valmiina kaapelisarjana muualla kuin asennuspaikassa. Sen jälkeen ne voidaan liittää ja kytkeä irti helposti ja nopeasti (kuva 5).

Kuva 5: Pistoliittimillä varustetut kaapelit kootaan ja testataan muualla kuin työmaalla, jonka jälkeen ne asennetaan nopeasti asennuspaikassa ja kytketään irti tarvittaessa. Huomaa erityyppiset johtimet, jotka on viety kumpaankin suorakulmaiseen liittimeen ja jotka ovat näkyvissä erityisesti vasemmanpuoleisessa liittimessä. (Kuvan lähde: HARTING)

Tämän sarjan korkealla modulaarisudella ja joustavuudella on toinenkin hyöty. Tuotesuunnittelun reaalimaailmassa vaatimukset muuttuvat ja kehittyvät projektin edetessä. Han-Modular-sarjalla ei tarvitse aloittaa uudelleen alusta ja etsiä halutut lisävaatimukset täyttävää liitintä tai liittimiä. Suunnittelijan tarvitsee vain lisätä perusliittimeen uusi sisämoduuli .

Esimerkit korostavat valinnanvaraa ja monipuolisuutta

Lukuisien Han-Modular-sarjassa saatavilla olevien liittimien ja koskettimien esittelyn sijaan lyhyt katsaus muutamista tuotteista tarjoaa hyvän käsityksen saatavana olevista vaihtoehdoista.

Ensinnäkin niihin kuuluu kehys, johon liitäntämoduulit sijoitetaan. Yksi esimerkki on raskaaseen käyttöön tarkoitettu saranoitu kehys 09140240313 kuudelle moduulille (kuva 6). Yksittäiset liitäntämoduulit sijoitetaan, kiinnitetään ja lukitaan tähän kehykseen.

Kuva 6: Yksi monista saatavilla olevista kehyksistä liitininserttien sijoittamista varten. 09140240313 on raskaaseen käyttöön tarkoitettu saranoitu kehys, jossa on tilaa kuudelle tällaiselle moduulille. (Kuvan lähde: HARTING)

Modernin teollisuusjärjestelmän täytyy mahdollisesti tukea jopa GbE-linkkejä. Tästä syystä liittimeen voidaan lisätä urosliittimiä sisältävä gigabittimoduuli 09140083012 (kuva 7). Suojatun liittimen luokitus on 10 gigabittiä sekunnissa (gbps) ja se tukee myös IEEE 802.3bt (kutsutaan myös nimellä PoE++) -virransyöttöä.

Kuva 7: Tämä sarjaan kuuluva suojattu GbE-liitin 09140083012 on luokiteltu 10 gbps:n käyttöön ja se tukee myös IEEE 802.3bt (PoE++) -virransyöttöä. (Kuvan lähde: HARTING)

Samanaikaisesti liittimen täytyy ehkä tukea huomattavaa AC- tai DC-tehoa, joten kuusikoskettiminen naaraskotelo 09332062648 puristusinserteille voi olla hyvä vaihtoehto (kuva 8). Se soveltuu puristusinserteille, joiden jänniteluokitus on 500 V ja virtaluokitus 16 A käytettäessä kokojen 0,14–2,5 mm² (AWG 26–AWG 14) yksi- tai monisäikeisiä johtimia.

Kuva 8: Teollisuusasennuksissa edellytetään yleensä huomattavaa AC- ja DC-tehoa, joka voidaan kytkeä tämän kuusikoskettimisen puristusinserteille tarkoitetun naaraskotelon 09332062648 kautta. Se tukee useita yksi- ja monisäikeisten johdinten kokoja. (Kuvan lähde: HARTING)

Liitin 09454001520 on saatavilla asennuksiin, joissa tarvitaan teollisuudessa yleinen 8-napainen ja modulaarinen Cat 6A -luokan RJ45-liitin (kuva 9).

Kuva 9: Han-Modular-järjestelmään voidaan myös liittää laajalti käytetty RJ45-liitin 09454001520-liitintä käyttämällä. (Kuvan lähde: HARTING)

Yksi Han-Modular-järjestelmän poikkeuksellisista ominaisuuksista on mahdollisuus tarjota helposti matalapaineisia ilmaliitäntöjä (pneumatiikka) monipuolisten sähköliitäntävaihtoehtojen lisäksi. Esimerkiksi 09140033501 on monien kehysten kanssa yhteensopiva pneumatiikkamoduuli, joka voidaan sopivat insertit valitsemalla konfiguroida halkaisijoiltaan erilaisille matalapainejohdoille (kuva 10). Niihin kuuluvat metallinen urosinsertti 09140006304 (kuva 11) ja täydentävä metallinen naarasinsertti 09140006404 (kuva 12). Kumpikin on tarkoitettu putkille, joiden sisähalkaisija (ID) on 4 mm.

Kuva 10: Han-moduulit eivät rajoitu vain sähkö- ja datasignaalien sekä virransyötön kytkemiseen, vaan ne soveltuvat myös paineilmaohjaukseen käytettäessä moduuleita kuten 09140033501, joka on tarkoitettu matalapaineisille ilmaliitännöille, ja niihin sopivia inserttejä. (Kuvan lähde: HARTING)

Kuva 11: Metallinen urosinsertti 09140006304 on tarkoitettu paineilmaputkille, joiden sisähalkaisija on 4 mm. (Kuvan lähde: HARTING)

Kuva 12: Metalli-insertti 09140006404 on matalapaineiselle ilmalle tarkoitettu naarasliitin. Se on suunniteltu myös putkille, joiden ID on 4 mm. (Kuvan lähde: HARTING)

Kuten edellä on mainittu, tässä on vain pieni otos monista Han-Modular-sarjan saatavilla olevista inserteistä ja liittimistä.

Konfigurointityökalu on avain helppokäyttöisyyteen

Vaikka Han-Modular-sarja on hyödyllinen liitettäessä erityyppisiä johtimia, toimintoja ja kokoja, valitseminen voi olla hämmentävää ja optimaalinen konfigurointi voi vaikuttaa mahdottomalta. HARTING ratkaisee ongelman tarjoamalla käyttöön ilmaisen Han Configurator Tool -työkalun.

Tämä verkkotyökalu yksinkertaistaa huomattavasti asiakaskohtaisen Han-Modular-liittimen rakentamista haluttuihin käyttötarkoituksiin. Suunnittelija yksinkertaisesti syöttää liitäntävaatimusten tiedot ja työkalu etsii käyttötarkoitukseen parhaiten sopivat modulaariset insertit ja tarjoaa lisäksi tekniset tiedot, 3D-piirustukset ja datatiedostot monia erilaisia liitinvaihtoehtoja varten. Työkalu tarjoaa Han-järjestelmään jo perehtyneille suunnittelijoille mahdollisuuden konfiguroida koko rajapinta suoraan ilman vaiheittaisen ohjatun toiminnon läpikulkua.

Konfigurointityökalun käyttö aloitetaan valitsemalla signaalityyppi, joka liitetään ensiksi (kuva 13).

Kuva 13: Konfigurointityökalu näyttää luettelon monista Han-Modular-järjestelmän tukemista perusliitintyypeistä. Suunnittelijat aloittavat valitsemalla useista tyypeistä yhden, jonka he haluavat asentaa liitinkokoonpanoon. (Kuvan lähde: HARTING)

Työkalu vastaa pudotusruuduilla, joissa valitaan asiaankuuluvat tiedot. Tässä näytetään sähkösignaaleille koskettimien lukumäärä, virtaluokitus, jänniteluokitus, johtimen paksuus ja liitäntätekniikka. Eri datajoukot näytetään signaalityypin mukaan (kuva 14).

Kuva 14: Seuraavaksi konfigurointityökalu pyytää suunnittelijaa määrittämään signaalityypin pääparametrit. Tässä näytetään vaihtoehto ”Electric”. (Kuvan lähde: HARTING)

Seuraavaksi suunnittelija voi määritellä alas- ja ylösvetovalikoissa käytettävissä oleville liittimille sopivat lisävaatimukset, kuten kotelon materiaali (kuva 15), asennustilanne (kuva 16) ja lukitustyyppi (kuva 17). Tässä näytetään vaihtoehto ”Electric”.

Kuva 15: Aloitusnäytön alaosassa suunnittelijaa pyydetään valitsemaan kotelolle haluttu materiaali. (Kuvan lähde: HARTING)

Kuva 16: Aloitusnäytön alaosassa voidaan valita myös valitun liittimen asennustilanne. (Kuvan lähde: HARTING)

Kuva 17: Myös tarvittavan liittimen lukitusmekanismi on valittava. (Kuvan lähde: HARTING)

Työkalu luo sitten ensimmäisen toteuttamiskelpoisen ratkaisun yhdessä muiden ehdotettujen ratkaisujen kanssa. Konfigurointi näytetään 3D-mallina tuoteluettelon kera (kuva 18).

Kuva 18: Kun kaikki tarvittavat liitäntätyypit, parametrit ja valinnat on tehty, työkalu laatii valmiin liitinkokoonpanon ja tarjoaa siitä yksityiskohtaisen 3D-kuvan, osaluettelon ja muut tarvittavat tiedot. (Kuvan lähde: HARTING)

Suunnittelija voi valita haluamansa konfiguraation tai muokata ehdotettuja ratkaisuja ja vaihtaa yksittäisiä komponentteja.

Han-konfiguraattori tehostaa ja nopeuttaa suunnitteluprosessin kaikkia puolia, koska liittimet määrittelevä insinööri voi täyttää useita tavoitteita:

• Tutkia liittimen rakennetta käyttäen interaktiivista 3D-visualisointia
• Varmistaa, että ratkaisu on toteuttamiskelpoinen
• Tehdä yhteistyötä helposti tiimin muiden jäsenien kanssa
• Tallentaa ja jakaa räätälöidyn liitintiedoston
• Ladata yleiset CAD STP -tiedostot ja tekniset tiedot
• Luoda automaattisesti yksityiskohtaisen osaluettelon (BOM)

Yhteenveto

Sopivan liitinsarjan valinta kaapelin liittämiseen teollisuusympäristössä voi olla turhauttavaa ja haastavaa. HARTING Han -modulaarijärjestelmä helpottaa optimaalisen ratkaisun löytämistä tuotteiden korkean joustavuus-, modulaarisuus- ja konfiguroitavuusasteen ansiosta, ja kaikessa on tukena tehokas ja intuitiivinen konfigurointityökalu. Sen avulla kiinteä pisteestä pisteeseen -lähestymistapa voidaan korvata optimoidulla, asiakaskohtaisella ratkaisulla, joka mahdollistaa mukavan ja helpon liitännän minimitilassa.