Mikä raskaaseen käyttöön tarkoitettu liitin on ja missä niitä käytetään teollisuusliitännöissä?

Kirjoittaja Jody Muelaner

Julkaisija Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

Teollisuussovelluksissa käytetään monenlaisia liittimiä sähkövirran, anturisignaalien ja ohjaustietojen siirtämiseen kaapeleilla liitoskohtien kautta automaatiokomponenteista ulos ja sisään. Riippuu käyttökohteesta, mikä raskaaseen käyttöön tarkoitettu liitin on, eli käsite on jokseenkin suhteellinen. Joskus niistä käytetään liittimien tuotenimissä lyhennettä HDC. Lujatekoisten teollisuusliittimien ja kevyiden RJ- ja IEC-liittimien välillä on kuitenkin selkeä ero. Näitä jälkimmäisiä käytetään puhtaissa sisätiloissa automaatiosovelluksissa (perustason Ethernet ja kevyet virtalähteet).

Raskaaseen käyttöön tarkoitetut liittimet ovat yleisesti paljon kestävämpiä ja niillä on parempi kotelosuojaus, heikompi syttyvyys, laaja käyttölämpötila-alue, lukitukset, maadoitussuojaus tai yksinkertaisesti luotettavampi liitäntä positiivisella lukituksella.

Raskaaseen käyttöön tarkoitetut kaapeliläpiviennit versus liittimet

Kaapeliläpiviennit (joita kutsutaan joskus vedonpoistimiksi) ovat useimmiten mekaanisia komponentteja, jotka ympäröivät kaapeleita niiden kulkiessa teollisuusohjauspaneelien sekä muiden metallilevystä ja kovasta muovista valmistettujen koteloiden, liittimien ja ohjausrunkojen läpi. Kaapeliläpivienneillä on kolme tarkoitusta. Ne:

  • Kiinnittävät kaapelin
  • Estävät kaapelin hankautumista ja muuta kulumista
  • Muodostavat tiivistyksen kaapeliosuuden ympärille, ettei koteloon pääse ja imeydy kosteutta

Kaapeliläpiviennit kiristetään kaapelien ympärille ja ne estävät sähkökoskettimien vaurioitumista, jos kaapelia nykäistään tai liikutetaan muulla tavalla. Kaapeliläpiviennit myös estävät kaapelivaippoja hankaamasta kotelon läpi kulkevien reikien teräviä reunoja vasten läpivientikappaleiden täyttyessä ja laajentuessa näiden reunojen ympärille. Ilman kaapeliläpivientejä jo pienimmällekin liikkeelle altistuvat kaapelit voivat nopeasti leikkautua kotelon reikien teräviin reunoihin, kunnes niiden ulkoeristys on leikkautunut kokonaan halki - ja kaapelin ytimet menevät oikosulkuun.

Näiden kaapeliläpivientien (jotka ympäröivät kaapeleita) vastakohtia ovat kaapelien päissä olevat liittimet. Nämä mahdollistavat yleensä helpomman irrottamisen ja uudelleenliittämisen sekä useiden komponentti- ja kaapeliosuuksien kytkemisen yhteen. Tyypillisesti näiden liittimien raskaaseen käyttöön tarkoitettuihin versioihin sisältyy yksi tai useampi kestävyyttä parantava ominaisuus.

Raskaaseen käyttöön tarkoitetuissa kaapeliliittimissä voi olla kaapelin sisäänvientisuojaus tavallisen kaapeliläpiviennin, vedonpoistimen tai tiivisteen ja kiertymisen estolaitteen muodossa. Riippumatta niiden mekaanisesta muodosta ne kiinnittävät kaapelin liittimeen ja estävät sen irtoamisen. Kaapelien sisäänvientisuojaus voi myös estää kaapelin kulumista aivan kuten erilliset kaapeliläpiviennit. Huomaa, että lamelli-insertit ("monisormiset" läpiviennit) ovat yleisiä kohtalaisen kestävissä liittimissä, vaikka insertit vaativat säännöllistä jälkikiristystä kotelosuojauksen varmistamiseksi. Läpiviennit, joissa on kaapelin ympärille kiinnittyvä läpimenevä tiiviste, ovat usein luotettavampi vaihtoehto vaativiin sovelluksiin.

Joissakin raskaaseen käyttöön tarkoitetuissa kaapeliliittimissä urosliittimen sähköjohtimia ympäröi suojakuori, joka tarjoaa samalla eristyksen ja suojauksen epäpuhtauksilta. Siinä voi myös olla jonkinlainen lukitus- tai salpaholkki tai vipu, joka pitää liittimen puolikkaat yhdessä.

Monissa raskaaseen käyttöön tarkoitetuissa kaapeliliittimissä urosinsertti sisältää urosnastat sekä ruuvi- tai puristusliittimet, joiden avulla johtavat johdinsäikeet yhdistetään nastoihin. Tällaisten liitinten naarasinsertissä on sopivat vastakappaleet sekä puristusliittimet, joiden avulla johtavat johdinsäikeet yhdistetään naarasliittimeen.

Raskaaseen käyttöön tarkoitettujen kaapeliliittimien kestävät kotelot ovat ehkä niiden huomattavin ominaisuus ja niihin sisältyy usein myös eristys ja suojaus epäpuhtauksilta. Lisävarusteina voi olla ylimääräisiä suojuksia ja oppaita nastakoodeja varten.

Kuva 1: Han®-sarjan liittimet tarjoavat useita lisäominaisuuksia ja ne kestävät varsin rajuja ympäristöolosuhteita. (Kuvan lähde: Harting)

IP-koodit raskaaseen käyttöön tarkoitettujen liittimien suojauksessa

Suojaus nesteitä ja kiinteitä hiukkasia vastaan on melko yleistä myös raskaaseen käyttöön tarkoitetuissa liittimissä. Liittimien suojausluokituksessa käytetään samoja suojauskoodeja (IP) kuin koteloissa. IP-koodin ensimmäinen numero tarkoittaa suojausta kiinteiltä objekteilta. Sen arvoalue ulottuu nollasta (ei suojausta) kuuteen, joka tarkoittaa täysin pölytiiviitä rakenteita. IP-koodin toinen numero tarkoittaa suojausta nesteitä vastaan. Sen arvoalue ulottuu nollasta (ei suojausta) kahdeksaan (jatkuva suojaus vettä vastaan 1 m:n syvyydessä) tai jopa arvoon 9K, joka tarkoittaa suojausta korkeapainesuihkuja vastaan. Esimerkiksi IP67-luokiteltu liitin estää pölyä pääsemästä liittimen sisälle ja kestää tilapäisen upottamisen veteen.

Valmistajakohtaiset liitinmuunnokset - miksi niin yleisiä?

Koska mekaaniset sulku- ja tiivistysominaisuudet korostuvat raskaaseen käyttöön tarkoitetuissa liittimissä, monet markkinoilla nykyään olevat vaihtoehdot ovat joko valmistajakohtaisia malleja tai sovelluskohtaisia liitinmuunnoksia. Esimerkiksi kokonaiset teollisuudenalat ovat standardoineet raskaaseen käyttöön tarkoitetut suorakulmaiset Harting Han -sarjan teho- ja ohjausliittimet. Tätä tavaramerkillä suojattua liitinmerkkiä pidetään oikeastaan joskus yleisenä synonyyminä käsitteelle raskaaseen käyttöön tarkoitettu liitin.

Kuva 2: Han-sarjan liittimet (neljällä ja 26 nastalla) ovat eräänlainen teollisuusstandardi. Ne täyttävät erilaiset data- ja virtaliitäntävaatimukset 50 – 5 000 V:n ja 3 – 200 A:n arvoalueilla. Lukitusjärjestelyihin kuuluu yksivipuinen Han-Easy Lock, jota on helppo käyttää yhdellä kädellä, ja kaksivipuinen Han-Easy Lock, joka mahdollistaa luotettavamman lukituksen, suuremman paineenpitävyyden ja jota voidaan käyttää kaapeleiden välisissä liitännöissä. Toinen kestävä vaihtoehto on ruuvilukitus, joka takaa maksimaalisen paineenpitävyyden ja vähentää luvattoman käytön riskiä. (Kuvan lähde: Harting)

Han-sarjan liittimissä nastat ovat suorakulmaisen suojakuoren sisällä ja ne sopivat suorakulmaisessa kotelossa oleviin vastaaviin kontakteihin. Liittimissä on yleensä lukitusvivut, joiden avulla asennushenkilöstö voi helposti ja turvallisesti sulkea liittimen. Näin varmistetaan, ettei sitä voi vetää irti, vaikka siihen kohdistuisi huomattavaa vetokuormitusta.

Suojakuoria (kiinnitetään liittimeen ruuvilla) käytetään yleisimmin virtakaapeliliitännöissä, ja saatavat konfiguraatiot ovat ylä- ja sivuliitäntä. Kotelot voivat olla ruuvikiinnitteisiä, pinta-asennettavia tai laipioasennettavia mittalaitteen tai koneen liittämiseksi. Koteloita voidaan käyttää kaapelien päissä myös kaapeleiden välisissä liitännöissä. Suojakuoret ja kotelot valmistetaan tyypillisesti painevaluseoksesta, mutta myös ruostumattomasta teräksestä ja muovista valmistetut kotelot ovat yleisiä. Jotkin valmistajat tarjoavat konfiguroitavia liittimiä, joissa samaan suojakuoreen tai koteloon voidaan lisätä useita liittimiä. Tämä voi mahdollistaa suuremman nastamäärän kaikissa erillisissä moduuleissa. Tällaisia liittimiä on saatavilla tuotemerkkeinä Molex GWconnect HDC ja TE Connectivity HDC.

Data- ja anturisignaalikaapeleiden lujatekoiset kaapeliliittimet ovat hieman erilaisia. Tässä M-sarjan liittimillä on johto. Ne ovat lujatekoisia liittimiä, joita käytetään erilaisissa datayhteyksissä (myös Ethernetiin perustuvissa) sekä sähköenergian siirroissa. Lujatekoiset M-sarjan liittimet ovat yleisimpiä teollisuusverkkosovelluksissa, joissa käytetään PROFINET:iä, kenttäväylää ja teollisuus-Ethernetiä antureiden, kytkimien ja PLC-laitteiden kytkemiseen.

Kuten aiemmissa Digi-Key-artikkeleissa on kuvailtu, M-sarjan liittimet koostuvat pyöreistä uros- ja naarasliittimistä, joissa on standardoidut metriset kierreholkit, jotka ympäröivät ja suojaavat sisäisiä nastoja ja liitäntöjä. Standardikokoja ovat 5 mm:n M5-, 8 mm:n M8-, 12 mm:n M12-, 16 mm:n M16- sekä 23 mm:n M23-liittimet. Kierreholkki tarjoaa erittäin kestävän ja luotettavan liitännän, jota ei voi helposti vetää irti ja joka takaa erittäin luotettavan sähköisen yhteyden sekä minimoi katkonaiset signaalit. Holkki tarjoaa M-sarjan liittimille myös tehokkaan suojauksen epäpuhtauksia vastaan, mikä mahdollistaa monissa tapauksissa jopa niiden käytön pesu- ja syövyttävissä ympäristöissä. Yleisimpiä kokoja ovat M8- ja M12-liittimet, joissa on kaksi, kolme, neljä, viisi, kahdeksan tai 12 nastaa. Kolmi- tai nelinastaisia M-sarjan liittimiä käytetään antureiden ja virtalähteiden kanssa, neli- tai kahdeksannastaisia M-sarjan liittimiä käytetään Ethernet- ja PROFINET-laitteiden kanssa ja neli- tai viisinastaisia M-sarjan liittimiä käytetään kenttäväylä-, CAN-väylä- ja DeviceNet-automaatiolaitteiden kanssa.

Kuva 3: M-sarjan liittimet on valmistettu lujatekoisesta alumiinista ja niissä käytetään räikkäruuvia, joka mahdollistaa nopean ja luotettavan kaapeliliitännän yhdellä kädellä. (Kuvan lähde: LEMO)

Teollisuussovelluksissa käytettäviin datayhteyksiin kuuluvat Ethernet, ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP ja Profinet, sekä erilaiset valmistajakohtaiset formaatit. Kaikissa Ethernet-toteutuksissa käytetään normaalisti RJ-liittimiä, mutta ne eivät tarjoa suojausta epäpuhtauksilta eivätkä ne ole erityisen kestäviä. Vaikka urospuolen muovinen kieleke napsahtaa vastakappaleeseen (pitääkseen liittimen puolikkaat yhdessä), se on melko herkkä ja liitin irtoaa vastakappaleesta jo vähäisellä nykäisyllä. Sen vuoksi M-sarjan liittimet ovat parempi vaihtoehto, jos asennuskohteeseen kohdistuu liikettä tai satunnaista rasitusta.

On vielä kuitenkin yksi haittapuoli. Vaikka vakiomalliset M-sarjan liittimet ovat sopiva vaihtoehto teollisuusliittimiksi, luotettavan liitännän (ja luokitellun suojaustason) aikaansaanti riippuu siitä, kiristääkö teknikko liitinkierteen oikein. Jotkut liitintoimittajat ovat pyrkineet ratkaisemaan tämänkin mahdollisen vikakohdan myymällä automaattisesti lukittuvia push-fit-liittimiä. Ehkä vakiintuneimpia niistä ovat Molex Brad -sarjan liittimet, jotka korvaavat suoraan M12-standardiliittimet. Ne korvaavat kierreholkin luotettavalla push-to-lock-mekanismilla. Näin pelkkä liitinpuolikkaiden yhteen painaminen takaa täydellisen lukituksen ja luotettavan liitännän ilman katkonaisten signaalien tai irtoamisen riskiä. Näitä liittimiä on saatavana erilaisina konfiguraatioina, ja niihin kuuluvat IP65-suojauksen sisältävät push-on- ja pull-off-liittimet.

Kuva 4: Ultra-Lock-liittimet ovat O-renkailla ja painolukituksella varustettuja vaihtoehtoja, jotka tarjoavat idioottivarmat liitännät ja IP69K-suojauksen. (Kuvan lähde: MOLEX)

Ethernet-sovelluksissa M-sarjan ja Molex Brad -liittimet voivat myös siirtää virtaa Power over Ethernet (PoE) -standardien mukaisesti kolmessa eri konfiguraatiossa: vaihtoehto A, vaihtoehto B ja 4PPoE. Nämä tukevat erilaisia kaistanleveyksiä ja teholuokkia.

IEC-virtaliittimet vaadittaessa korkeaa tehoa

Kansainvälinen sähkötekninen komitea (IEC) määrittelee erilaisia standardeja kotitalous-, kaupallisissa ja teollisuussovelluksissa käytettäville virtaliittimille. Esimerkiksi IEC 60320 kattaa lukkiutumattomat liittimet, joiden jännite on enintään 250 V ja virta enintään 16 A. Näihin kuuluvat kookkaat C13/C14-liittimet sekä vieläkin suuremmat C19/C20-liittimet, joita ei kuitenkaan ole erityisesti vahvistettu. Nämä ovat yleisiä teollisuussovelluksissa käytettävissä elektroniikkalaitteissa, kuten tietokoneiden virtalähteissä ja palvelinkoteloissa. Näitä liittimiä ei yleensä pidetä raskaaseen käyttöön tarkoitettuina liittiminä.

Sitä vastoin IEC 60309 -lukitusliittimet ovat lujatekoisia ja ne on tarkoitettu käytettäviksi teollisuuskaapeleissa, joilla siirretään jopa 1000 V:n ja 800 A:n jännitteitä ja virtoja. Kaikki IEC 60309 -lukitusliittimet tarjoavat jonkinasteisen suojauksen, ja vakiokonfiguraatiot ovat roiskeenkestävä IP44, vesitiivis IP67 tai suihkunkestävä ja vesitiivis IP66/67.

Standardi mahdollistaa myös lukittavat pistorasiat: tällä ominaisuudella varustettuihin liitäntöihin ei voi kytkeä virtaa, ellei niihin ole yhdistetty urosliitintä. Urosliitintä ei myöskään voi poistaa ennen kuin virta on katkaistu. Seuraava värikoodaus osoittaa liittimen sallitun jännite- ja taajuusalueen.

  • Keltainen väri osoittaa, että IEC 60309 -virtaliitin soveltuu 100–130 V:n jännitteelle 50 tai 60 Hz:n taajuudella.
  • Sininen osoittaa, että IEC 60309 -virtaliitin soveltuu 200–250 V:n jännitteelle 50 tai 60 Hz:n taajuudella.
  • Punainen osoittaa, että IEC 60309 -virtaliitin soveltuu 380–480 V:n jännitteelle 50 tai 60 Hz:n taajuudella, usein kolmivaihekonfiguraatiossa.

Kuva 5: Tämä värikoodiltaan punainen raskaaseen käyttöön tarkoitettu liitin täyttää standardin IEC 60309 vaatimukset 380–480 V:n jännitteelle. (Kuvan lähde: Wikimedia Commons)

Yhteenveto

Raskaaseen käyttöön tarkoitettujen liittimien tulee täyttää lukuisia vaatimuksia. Pitääkö liittimen kestää iskukuormitusten aiheuttamaa puristumista vai vetorasitusta? Tarvitaanko suojausta pölyä tai vettä vastaan? Mitä lämpötiloja liittimen on kestettävä? Asennetaanko raskaaseen käyttöön tarkoitettu liitin ympäristöön, jossa on kiinnitettävä huomiota syttyvyyteen?

Myös nastojen lukumäärä sekä kunkin nastan jännite ja virta on otettava huomioon, samoin kuin kaapelin tulosuunta ja kaapelin suojaustaso. Automatisoiduissa koneissa, joissa kaapelit ja niiden liittimet altistuvat liikkeelle, on oltava sopivat läpiviennit ja vedonpoistimet. Myös kiertymisenestolaitteiden käyttö voi olla järkevää.

M-sarjan liittimet ja niiden johdannaiset ovat usein sopivia valintoja suhteellisen kevyisiin, mutta vaativissa ympäristöissä käytettäviin sähkökuormiin. Suorakulmaiset liittimet voivat olla parempi ratkaisu suurempia sähkökuormia varten - varsinkin kun ne voidaan konfiguroida vastaamaan lähes kaikkiin monimutkaisiin vaatimuksiin erilaisilla kaapelin tulosuunnilla, kiinnitysvaihtoehdoilla ja yleensäkin modulaarisilla rakenteilla. Muutoin lukittavat IEC 60309 -teollisuusliittimet ovat ensisijainen (ellei ainoa) vaihtoehto yksinkertaisiin virtaliitäntöihin yksi- tai kolmivaiheiseen vaihtovirtalähteeseen.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Tietoja kirjoittajasta

Jody Muelaner

Tohtori Jody Muelaner on insinööri, joka on suunnitellut sahalaitoksia ja lääkinnällisiä laitteita, käsitellyt epävarmuustekijöitä ilmailu- ja avaruusalan valmistusjärjestelmissä sekä luonut innovatiivisia laserlaitteita. Hän on julkaissut lukuisissa vertaisarvioiduissa lehdissä ja hallituksen tiivistelmissä ... sekä kirjoittanut teknisiä raportteja Rolls-Roycelle, SAE Internationalille ja Airbusille. Hän johtaa tällä hetkellä sähköpyörän kehitysprojektia, katso lisätietoja projektista osoitteesta betterbicycles.org. Muelaner käsittelee myös hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen liittyvissä teknologioissa tapahtuvaa kehitystä.

Tietoja tästä julkaisijasta

Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa