Paranna teollisten järjestelmien luotettavuutta ja varmista käyttäjien turvallisuus oikeilla liitännöillä ja antureilla

Teollisuuslaitokset lisäävät teollisten esineiden internetin (Industrial Internet of Things, IIoT) avulla automaatiota ja ennakoivaa analysointia sekä parantavat turvallisuutta. Laitteiden ja järjestelmien luotettavat yhteydet ovatkin yhä tärkeämpiä. Olosuhteet ovat kuitenkin joissakin käyttökohteissa poikkeuksellisen vaikeita. Sekä kaapelit että niiden käyttäjät voivat altistua äärimmäiselle kuumuudelle tai kylmyydelle sekä syövyttäville kemikaaleille ja kaasuille.

Laitteista vapautuvan rikkivedyn kaltaiset syövyttävät kaasut vaarantavat käyttäjien turvallisuuden. Lisäksi ne voivat muodostaa vaarallisia reaktiotuotteita, kuten rikkihappoa, kun ne joutuvat kosketukseen kaapelin pinnalla olevan kosteuden kanssa. Kaapelin vaippa voi tällöin syöpyä puhki nopeasti ja jättää suojauksen ja johtimet paljaaksi. Seurauksena on usein oikosulkuja ja järjestelmävikoja.

Tässä artikkelissa käsitellään kaapeloinnin haasteita vaikeissa ympäristöissä. Siinä kerrotaan myös, miten teollisten järjestelmien suunnittelijat voivat varmistaa yhteyksien toimivuuden ja käyttäjien turvallisuuden valitsemalla käyttöön esimerkiksi Molex-yhtiön teollisuusluokan anturikaapeleita. Lisäksi artikkelissa annetaan käytännön esimerkki vaarallisen rikkivetykaasun havaitsemisesta ennen kuin se aiheuttaa vakavaa vaaraa laitteille tai työntekijöille.

Kaapelit erittäin vaikeissa teollisuusympäristöissä

Teollisuusautomaatiojärjestelmät perustuvat siihen, että anturit tunnistavat tehtaan prosessien ja järjestelmien tilan. Käytettävien anturien tyypit vaihtelevat – ne voivat olla esimerkiksi lämpötilatermistoreja, paineantureita, tasoantureita, valoilmaisimia sekä lähestymiskytkimiä. Anturien tuottamia tarkkoja tietoja tarvitaan, jotta päätietokone pystyy päättämään moottorien, kuljetinhihnojen, valojen, nestemittareiden ja vastaavien laitteiden toimilaitteiden käytöstä. Virheelliset tiedot voivat johtaa toimilaitteiden ohjaukseen väärään aikaan tai väärillä parametreilla. Seuraukset voivat vaihdella tehottomasta toiminnasta ja sen aiheuttamasta käyttökustannusten kasvusta koko järjestelmän vikaantumiseen ja kalliiseen käyttökatkoon. Oikeiden kaapelien valinta ja käyttö vaikeisiin ympäristöihin voi parantaa anturidatan ja toimilaitteiden ohjaussignaalien luotettavuutta. Väärä kaapelivalinta voi aiheuttaa ajoittaisia, vaikeasti selvitettäviä yhteysvirheitä, jotka johtavat kalliiseen seisonta-aikaan. Huonosti valittu kaapeli voi ajan mittaan johtaa signaalin heikkenemiseen tai häviämiseen kokonaan.

Monet näistä ongelmista voi välttää käyttämällä kaapeleita, jotka on luokiteltu IP67- tai IP68-luokan teollisuuskaapeleiksi. Huomaa, että pelkkä IP67- tai IP68-merkintä ei tarkoita, että kaapeli olisi tarkoitettu teollisuuskäyttöön. IP-luokitus nimittäin kertoo vain siitä, että kaapeli on suojattu pölyltä ja vedeltä. Tavallisissa kuluttajakäyttöön tarkoitetuissa kaapeleissa voikin olla IP68-luokitus ja ne saattavat vaikuttaa kestäviltä. Ne eivät kuitenkaan aina kestä korkeita lämpötiloja, yleisiä liuottimia ja syövyttäviä aineita tai vaativiin teollisuuskaapeleihin kohdistuvaa vääntelyä ja hankausta.

USB-anturien ja ‑toimilaitteiden kytkeminen teollisuusympäristöissä

Erilaiset anturit ja toimilaitteet tarjoavat erilaisia rajapintavaihtoehtoja, mutta USB on turvallinen ja kaikkialle sopiva rajapinta. Moderneissa laitoksissa hyödynnetään USB 3.0:n nopeutta, tehokkuutta ja parantunutta luotettavuutta. Molexin tuotteisiin kuuluu USB 3.0 ‑teollisuuskaapeli 0847330005 (kuva 1). Kaapelin pituus on 1,31 metriä (m), sen toisessa päässä on tiivis, pyöreä tyypin A USB 3.0 ‑liitin ja toisessa päässä tyypin A USB 3.0 ‑liitin. Koko kaapelikokoonpanon kotelointiluokka on IP67. Sen datasiirtonopeus on 5 gigabittiä sekunnissa (Gb/s), ja sen kanssa voi käyttää USB 2.0 ‑liittimiä ja ‑pistokkeita. Kaapelin nimelliskäyttölämpötila-alue on -40 °C – 85 °C ja se soveltuu useimpiin vaativiin teollisuusympäristöihin.

Kuva 1: Molex 0847330005 USB 3.0 ‑kaapelin toisessa päässä on pyöreä tyypin A USB 3.0 ‑liitin ja toisessa päässä tyypin A USB 3.0 ‑liitin. Se on vaativiin ympäristöihin sopiva teollisuuskaapeli. (Kuvan lähde: Molex)

Molex 0847330005 USB 3.0 ‑kaapeli kestää turvallisesti enintään yhden ampeerin (A) kosketinta kohden. Se on täysin suojattu sähkömagneettisilta häiriöiltä (EMI), mikä onkin tarpeen, jotta USB 3.0 ‑tiedonsiirto 5 Gb/s nopeudella ei aiheuta häiriötä muihin elektroniikkalaitteisiin.

Tyypin A USB 3.0 ‑liittimen voi kytkeä teollisuustietokoneeseen tai upotettuun järjestelmään, jossa on useimmissa henkilökohtaisissa tietokoneissa käytettävä tavallinen USB 3.0 ‑liitin. Kaapelin toisen pään pyöreä tyypin A USB 3.0 ‑liitin kytketään USB-rajapintaa käyttävään anturilaitteeseen. Pyöreä liitin lukittuu paikalleen kätevästi kiertämällä ja kestää 2,2 Newtonmetrin (Nm) vääntömomentin ja takaa, ettei liitos irtoa anturilaitteesta vahingossa. Koska kumpikin liitin kestää 500 liitos- ja irrotuskertaa, kaapeli soveltuu hyvin säännöllisesti uudelleenkonfiguroitaviin teollisuuslaitteisiin.

Pyöreän liittimen tiiviste on valmistettu mustasta nitriilikumista, joka kestää vettä ja teollisuudessa käytettäviä öljyjä erinomaisesti. Nitriilikumitiivisteet kestävät myös bensiiniä, hydrauliikkanesteitä sekä tavallisimpia liuottimia. Tämä kaapeli soveltuukin erityisen hyvin bensiinikäyttöisten koneiden anturien liittämiseen. Liuottimet tai muut nesteet eivät pääse liittimen sisään häiritsemään tiedonsiirtoa ylivuoto- tai muissa onnettomuustilanteissa.

Auringonvalo ja ultraviolettivalo (UV) voivat aiheuttaa kaapelin vaipan värimuutoksia, mistä voi olla haittaa, jos kaapelit on värikoodattu kunnossapidon helpottamiseksi. Lisäksi auringonvalo voi aiheuttaa kaupallisten kaapelien vaippojen säröilyä, jolloin EMI-suojaus altistuu ympäristön rasituksille. Molex USB 3.0 ‑kaapelin vaippa on valmistettu kestävästä PVC-muovista, joka kestää auringonvaloa ja UV-säteilyä erittäin hyvin. PVC-muovi on myös vedenkestävää, joten se kestää pidempään kuin kuluttajakäyttöön tarkoitetut kaapelit.

Liittäminen mekaanisiin toimilaitteisiin ja solenoideihin

DIN-venttiililiittimien avulla aktivoidaan esimerkiksi venttiilien, painekytkimien, rajakytkimien ja matalaenergisten moottorien ohjaukseen käytettäviä solenoideja. Molex-yrityksen DIN-venttiililiitin 2210503466 5 m kaapelilla (kuva 2) soveltuu DIN-venttilitoimilaitteiden kiinteään liittämiseen teollisissa ympäristöissä. Sen kolmijohtiminen avoin pää soveltuu enintään 24 voltin jännitettä käyttävien toimilaitteiden liittämiseen. Kaapelikokoonpanon nimelliskäyttölämpötila on -40 °C – +90 °C, joten se soveltuu sekä erittäin kylmiin ympäristöihin että joillekin voimakkaasti kuumeneville moottoreille ja laitteille.

Molexin DIN-venttiililiittimen päällä on tiiviisti istuva ja varma IP67-tiiviste. Sen aktivointi kytkee ohjattavan venttiilin joko päälle tai pois päältä ohjattavan DIN-venttiilin tyypistä riippuen. Liittimen varmistusruuvi takaa parhaan mahdollisen suojan tahatonta irtoamista vastaan. DIN-liittimen keltainen ledi ilmaisee, että DIN-venttiili on aktivoitu.

Kuva 2: Molex 2210503466 ‑kaapelin toisessa päässä on DIN-venttiililiitin ja toisessa kolmijohtiminen avoin pää. Keltainen ledi kertoo käyttäjille että venttiili on aktivoitu. (Kuvan lähde: Molex)

Molex 2210503466 ‑kaapelin DIN-venttiililiittimessä ja kaapelissa on polyuretaanivaippa, joka kestää useimpia aggressiivisia kemikaaleja. Se kestää erittäin hyvin myös kiertämistä ja taivutusta. Kaapelin polyuretaanivaippa kestää hyvin myös viiltoja ja puristuskuormia. DIN-venttiilikaapelin vahingoittuminen voi aiheuttaa DIN-venttiililaitteen jaksottaisia häiriöitä tai koko laitteiston vikaantumisen. Tämä kaapeli sopiikin erityisen hyvin liikkuvien raskaiden koneiden toimilaitteisiin, joissa kaapeli saattaa venyä ja supistua nopeasti, sekä käyttökohteisiin, joissa koneen vika tai väärä määritys voi johtaa kaapelin puristumiseen.

Turvallisena käytäntönä on suositeltavaa käyttää riittävän pitkää kaapelia, jotta kaapelin venyminen normaalissa käytössä ei kuormita kaapelin kummankaan pään liitintä. Kaapelissa täytyykin olla riittävästi löysää. Jos kaapeli taas on liian löysä, se saattaa jäädä kiinni tai puristuksiin helpommin. Polyuretaanista valmistettu vaippa onkin sopiva ja kustannustehokas ratkaisu tällaisiin käyttökohteisiin.

Suojaa syövyttäviltä aineilta

Bensiinikäyttöisistä moottoreista ja joistakin teollisuuden kemikaaliprosesseista voi vapautua vaarallista rikkivetykaasua. Teollisuuslaitokset suunnitellaan siten, etteivät kaasut pääse purkautumaan vaarallisesti. Jokainen bensiinikäyttöisiä ajoneuvoja ajanut tietää kuitenkin, että pakosarja voi vuotaa, ja joskus venttiilikin voi jäädä vahingossa auki. Jo pienet määrät rikkivetykaasua ovat ihmisille erittäin myrkyllisiä. Rikkivedyn tunnistaa toisinaan mädän kananmunan hajusta, mutta se on ilmaa painavampaa ja leviää suuren teollisuuslaitoksen lattiatasolla nopeasti laajalle alueelle.

Jos rikkivety joutuu kosketukseen veden kanssa, syntyy syövyttävää rikkihappoa, joka voi syövyttää kupari-, rauta- ja alumiinilaitteita nopeasti. Märän kaapelin kanssa kosketukseen joutuessaan rikkihappo syövyttää nopeasti useimmat kaapelieristeet, kuten polyuretaanin. Vaikka PVC-muovivaippa kestää happoja huoneenlämpötilassa paremmin kuin polyuretaani, kuuma tai kylmä rikkihappo syövyttää myös PVC-vaipan nopeasti äärilämpötiloissa. Rikkivetyä ja rikkihappoa tulisikin materiaalin teknisistä tiedoista riippumatta pitää aina vaarallisina kaikille materiaaleille lukuun ottamatta pakosarjoja ja muita laitteita, jotka on erityisesti suunniteltu kestämään näitä vaarallisia aineita.

Molex Sensorcon tarjoaa kaapelien, laitteiden ja käyttäjien turvaksi 2023150001-rikkivetyanalysaattorin (kuva 3). Tämä kädessä pidettävä ja nestekidenäytöllä varustettu laite tunnistaa ja näyttää rikkivetypitoisuudet peräti 1 miljoonasosasta (ppm) aina 400 ppm:ään saakka.

Kuva 3: Molex Sensorcon 2023150001 on kädessä pidettävä rikkivetykaasun ilmaisin, joka tunnistaa rikkivedyn pitoisuudet 1–400 ppm. (Kuvan lähde: Molex)

Molex Sensorcon 2023150001 ‑rikkivetyilmaisimen kotelointiluokka on IP67, ja siihen voidaan määrittää erilaiset hälytykset ylemmälle ja alemmalle hälytyspisteelle. Alemman hälytyspisteen tehdasasetus on 10 ppm, mutta asetuksen arvoksi voi säätää manuaalisesti jopa 1 ppm. Ylemmän hälytyspisteen tehdasasetus on 15 ppm, mutta asetuksen arvoksi voi säätää manuaalisesti jopa 100 ppm tai enemmän. Käsissä pidettävä laite voi antaa äänimerkkien lisäksi myös tärinähälytyksen, mistä on hyötyä meluisissa teollisuusympäristöissä.

Tunnistimella voidaan tunnistaa pieniä rikkivetypitoisuuksia lattiatason läheltä ja etenkin koneiden lattiasyvennyksistä, joihin tätä ilmaa painavampaa kaasua voi kertyä. Tunnistimesta on hyötyä rikkivedyn tunnistamisessa silloin, kun mädän kananmunan haju ei ole vielä saavuttanut käyttäjien neniä.

Moottoreista ja useimmista teollisista prosesseista, joista vapautuu rikkivetyä, vapautuu myös hiilimonoksidia eli häkää. Tämä hajuton kaasu voi olla ihmisille vaarallinen jo pieninä pitoisuuksina. Molex Sensorcon ‑yrityksen 2023100001-häkäilmaisimen fyysinen rakenne on sama kuin rikkivetyilmaisimessa. Hiilimonoksidi on vaarallista käyttäjille, ja lisäksi se voi antaa viitteitä havaitsematta jääneestä rikkivedystä. Nämä laitteet auttavat takaamaan käyttäjien ja laitteiden turvallisuuden teollisuusautomaatiolaitoksessa.

Yhteenveto

Teollisuusautomaatiolaitokset voivat aiheuttaa suuria haasteita kaapelikokoonpanoille etenkin erittäin kylmissä ja kuumissa olosuhteissa sekä ympäristöissä, joissa voi esiintyä vaarallisia ja syövyttäviä kaasuja ja nesteitä. Teollisuuskäyttöön tarkoitetut anturikaapelikokoonpanot varmistavat täsmällisten anturitietojen syötön tietokoneille, jolloin teollisia järjestelmiä pystytään ohjaamaan oikein ja tehokkaasti. Toimilaitteiden teollisuuskaapelit puolestaan varmistavat toimintojen oikean ja luotettavan ohjauksen, mikä alentaa käyttökustannuksia parantamalla luotettavuutta ja vähentämällä kunnossapidon tarvetta.