Sneller, veiliger en betrouwbaarder industriële sensors en actuators configureren met sensoractuatorboxen

Ontwerpers van moderne industriële automatiseringsapparatuur (IA) weten hoe snel deze kan worden uitgebreid tot honderden vierkante meters binnen een faciliteit. Het leggen van afzonderlijke kabels tussen de besturingscomputer en nabijheidssensors en mechanische armen in het procesgebied kan de werkvloer onoverzichtelijk maken en de tijd die nodig is voor het configureren van die apparatuur vertragen. Bovendien kan het vervangen of herconfigureren van een bestaande sensor of actuator betekenen dat een andere kabel tussen de proceslocatie en de regelcomputer moet worden gelegd, wat het onderhoud vertraagt. Het probleem wordt alleen maar groter met de drang om meer systemen aan te sluiten op het Internet of Things (IoT) om ze via de cloud op afstand op een dashboard te kunnen volgen.

Om deze connectiviteitsproblemen te vereenvoudigen, kunnen ontwerpers van industriële systemen gebruik maken van sensoractuatorboxen (ook wel junctionboxen en verdeelkasten genoemd). Met deze apparaten kunnen veel sensors en actuators worden aangesloten door één hoofdlijn van de besturingscomputer naar een doos te leiden die eindigt in veel connectors op de proceslocatie, waardoor de bedrading in de vloer wordt vereenvoudigd.

In dit artikel zal kort worden ingegaan op de problemen in verband met IA-connectiviteit. Vervolgens worden drie praktijkvoorbeelden van sensoractuatorboxen gepresenteerd - elk een van Molex, Alpha Wire en Phoenix Contact - en wordt getoond hoe deze de bedrading in een industriële omgeving kunnen vereenvoudigen en tegelijkertijd het onderhoud en de configuratie vereenvoudigen.

Verbinden van besturingscomputers met sensors en actuators

Veel besturingscomputers in industriële automatiseringsomgevingen bevinden zich in de nabijheid van de apparatuur die zij besturen. De kabels van de computer naar de sensors en actuators kunnen relatief kort zijn, vaak ongeveer één of twee meter. In sommige industriële installaties kunnen de besturingscomputers echter vele meters van elkaar verwijderd zijn, waardoor meerdere kabels tussen de twee locaties moeten worden gelegd. Dit is gebruikelijk bij robots in assemblagefabrieken, transportbandinstallaties en ook bij grote industriële voertuigen zoals vrachtwagens en vliegtuigen. In sommige situaties kan de procesruimte gevaarlijk zijn, met de locatie blootgesteld aan schadelijke chemicaliën of extreme temperaturen. Bij dit soort machines wordt de besturingscomputer vaak op een veilige, beschermde afstand geplaatst om de betrouwbaarheid te maximaliseren.

Conventionele bedrading in dergelijke situaties zou inhouden dat meerdere kabels van de regelcomputer naar elke sensor en actuator worden gestuurd. Dit is niet altijd een eenvoudige operatie. Aan elk uiteinde van de sensor- of actuatorkabel moeten de juiste kabelafsluitconnectors worden gebruikt. In veel gevaarlijke omgevingen kan het meer tijd kosten dan verwacht om ervoor te zorgen dat de kabel veilig en correct wordt geleid. Ten slotte vertraagt de tijd die nodig is om de bekabeling voor elke sensor en actuator te configureren en aan te sluiten de implementatie en verhoogt het de kosten. Als de installatie moet worden stilgelegd om meer dan één sensor of actuator te vervangen of te configureren, zal dit de stilstandtijd verlengen en de kosten verder opdrijven, soms zelfs drastisch, afhankelijk van de installatie.

Sensoractuatorboxen

Een veilige en kosteneffectieve oplossing is voor een IA-faciliteit het gebruik van sensoractuatorboxen. Deze dozen bundelen alle sensor- en actuatorkabels van de besturingscomputer in één hoofdkabel, vaak een "home run" kabel genoemd, die naar het procesgebied loopt. De kabel eindigt in de buurt van het procesgebied in een enkele robuuste connectorbox die connectorreceptacles bevat, gewoonlijk acht of meer M12-connectors. Sensoractuatorboxen worden ook wel eens junctionboxen, verdeelboxen, en ook IO of I/O-boxen genoemd. De connectorbox met de gemonteerde M12-receptacles is een afgedichte, voorbedrade eenheid met beschermingsgraad IP67 of beter.

De home run-kabel voor alle sensors en actuators hoeft maar één keer te worden aangelegd en geplaatst. Dit is een voordeel bij het leggen van de kabel in krappe ruimtes, aangezien technici geen extra tijd hoeven te besteden aan het zich in en rond krappe ruimtes wringen.

Met een sensoractuatorbox hoeft de technicus niet voor elke sensor en actuator een lange kabel tussen de regelcomputer en de procesruimte te leggen om de apparatuur aan te sluiten, maar sluit hij het ene uiteinde van een verkorte kabel aan op de nabijgelegen sensoractuatorbox en het andere uiteinde op de apparatuur. Dit kan in luttele seconden, zodat de installateur zo weinig mogelijk tijd in het procesgebied hoeft door te brengen. Dit vereenvoudigt het onderhoud en verhoogt de veiligheid, terwijl tijd wordt bespaard en fouten worden verminderd.

Kiezen en gebruiken van sensoractuatorboxen

Sensoractuatorboxen zijn er in diverse uitvoeringen, maar enkele factoren waarmee rekening moet worden gehouden zijn zichtbaarheid, robuustheid, het soort materiaal, gewicht, vormfactor, het aantal aansluitingen, stroomverwerkingscapaciteit, bevestigingsmogelijkheden en IP-waarden voor stof-, vocht- en gasdichtheid, om er maar een paar te noemen.

Voor bijzonder robuuste omgevingen, zoals industriële vrachtwagens en magazijnen waar apparatuur aan zware schokken kan worden blootgesteld, heeft Molex bijvoorbeeld de Brad Safety MPIS-verdeelboxfamilie (Multi-port Interconnection System). Deze boxes voor zwaar gebruik zijn gemaakt van polybutyleentereftalaat (PBT), dat zowel licht als sterk is en bestand is tegen grote schokken van zwaar materieel of zelfs tegen een botsing van een rijdend voertuig.

De Molex 1202480510 MPIS 8-poorts verdeelbox ondersteunt tot 4 ampère (A) per poort, met een maximum van 12 A voor alle acht poorten samen (figuur 1). Om de interconnectie te vergemakkelijken, is elke poort voorzien van een uitsparing voor een inklikbaar etiket van acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) kunststof. Deze etiketten zijn steviger en scheuren niet in vergelijking met papieren etiketten.

Afbeelding 1: De Molex 1202480510 MPIS is een sensoractuatorbox met acht M12-receptacles. Voor gemakkelijke interconnectie is elke poort voorzien van een inklikbaar label van stevig ABS plastic. (Bron afbeelding: Molex)

De Molex 1202480510 is helder oranje voor een goede zichtbaarheid en heeft beschermingsgraad IP67, waardoor hij geschikt is voor gebruik in vuile, stoffige en vochtige omgevingen en bij temperaturen van -25 °C tot +85 °C. De home run-kabel is 5 meter (m) lang en ondersteunt een kabelaansluiting op maat, gewoonlijk een M23-connector, maar kan elke connector zijn die voor de toepassing nodig is. Elke M12-receptacle heeft acht pennen in een standaardconfiguratie. Elke poort heeft een amberkleurige LED om aan te geven dat een poort van stroom wordt voorzien. Dit helpt om snel te controleren of een poort actief is, wat nuttig is tijdens de configuratie en bij het diagnosticeren van verbindingsproblemen.

De sensoractuatorbox van Molex heeft twee sleufgaten voor M4 montageschroeven. Hierdoor kan de box op apparatuur of stevig aan een wand worden gemonteerd. De kast moet zo worden gemonteerd dat de acht M12-receptacles gemakkelijk bereikbaar zijn en moet zo stevig zijn dat de kracht waarmee een M12-connector in zijn receptacle wordt geduwd, de connector niet verplaatst.

Toepassingen voor lichtgewicht sensoractuatorbox

Voor toepassingen waarbij gewicht een rol speelt, zoals een vliegtuig of sommige industriële voertuigen, biedt Alpha Wire de Alpha Connect-familie van passieve verdeelboxen, waaronder de Alpha Connect 901-10M NC032 8-poorts sensoractuatorbox (Afbeelding 2). Deze Alpha Connect box is gemaakt van een lichtgewicht zinklegering die geschikt is voor vliegtuigen, kleine vrachtwagens en accu-aangedreven voertuigen zoals vorkheftrucks en kleine grondverzetmachines waar elk grammetje telt. Hij heeft een home run-kabel van 10 m, wat geschikt is voor vliegtuigen en voertuigen waar de kortste afstand tussen twee punten vaak geen rechte lijn is maar een kronkelige doorgang. De box is passief en heeft geen poort-indicator-LED's. Door zijn neutrale beige kleur past hij onopvallend in vele omgevingen.

Het toestel bevat twee stofkapjes om de twee ongebruikte houders vrij te houden van verontreinigingen. De sensoractuatorbox met de bijbehorende connectors heeft beschermingsgraad IP67. Niet-afgeschermde receptacles hebben beschermingsklasse IP65 en moeten dus met stofafdekkingen worden uitgerust om beschermingsklasse IP67 te waarborgen.

Afbeelding 2: De Alpha Wire 901-10M NC032-sensoractuatorbox is gemaakt van een lichtgewicht zinklegering. De acht M12-receptacles steken boven de behuizing uit, zodat de connectors snel en eenvoudig kunnen worden aangesloten. Twee bijgeleverde stofkappen rechts op de voorgrond houden ongebruikte receptacles schoon. (Bron afbeelding: Alpha Wire)

Elke M12-receptacle heeft vijf pennen. Om de installatie bij de eerste inbedrijfstelling te vergemakkelijken, zijn de standaard M12-kabelkleurencode en de functies voor elke pin op de zijkant van de sensoractuatorbox afgedrukt. De acht M12-receptacles zijn niet verzonken, maar steken uit boven de behuizing van zinklegering. Dit maakt een snelle en gemakkelijke verbinding mogelijk, wat belangrijk is in een drukke industriële omgeving.

De Alpha Wire 901-10M NC032-sensoractuatorbox is geschikt voor -40 °C tot +80 °C, waardoor hij geschikt is voor zeer koude industriële omgevingen, waar zowel vliegtuigen als sommige voertuigen mee te maken krijgen.

Compacte sensoractuatorbox

Voor kleine, plaatsgebrekkige toepassingen heeft Phoenix Contact de 1692404 4-poorts sensoractuatorbox ontworpen (Afbeelding 3). Deze box heeft geen home run-kabel en vereist een aparte M23-kabelassemblage voor aansluiting op de besturingscomputer, waardoor de box gemakkelijk kan worden verplaatst. Het maakt ook eenvoudig onderhoud en vervanging van de home run-kabel mogelijk als deze beschadigd is.

Afbeelding 3: De 1692404-sensoractuatorbox van Phoenix Contact heeft vier 4-pins M12-poorten. Er is een externe M23-kabel nodig voor de verbinding met de besturingscomputer. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

De 1692404 is gemaakt van polyamide, dat goed bestand is tegen benzine, motoroliën en oplosmiddelen die normaal in de buurt van motors worden aangetroffen. Polyamide heeft ook een extreem hoge treksterkte en kan beter tegen niet-klappende spanning en buigen dan de meeste andere materialen. De unit is IP67-geclassificeerd en heeft een bedrijfstemperatuur van -20 °C tot +75 °C, waardoor hij geschikt is voor ruw gebruik in magazijnen, kantoorgebouwen en ruimten waar vaak personeel in de buurt van chemicaliën werkt.

Elk van de vier M12-connectors kan tot 4 A verwerken, met een totale maximale nominale stroomafname voor de eenheid van 12 A. Elk van de vier M12-poorten heeft een gele LED om aan te geven wanneer de poort correct is aangesloten en werkt. De M23 poort heeft een groene LED om aan te geven dat de home run-kabel correct is aangesloten en de box van stroom voorziet. Dit is nuttig voor diagnostiek tijdens setup en configuratie. Alle sensors en actuators die op de vier M12-receptacles zijn aangesloten, kunnen gemakkelijk worden losgekoppeld door de enkele M23-connector te verwijderen. Dit verhoogt de veiligheid en vermindert de uitvaltijd tijdens onderhoud en herconfiguratie.

Conclusie

Sensoractuatorboxen kunnen tijd besparen bij onderhoud en instelling en zorgen voor een betrouwbare verbinding tussen besturingscomputers en sensors/actuators. Veel sensors en actuators kunnen gemakkelijk lokaal in het procesgebied worden aangesloten in plaats van alle kabels afzonderlijk naar de besturingscomputer te leiden. Een juiste keuze van materialen garandeert dat de box betrouwbaar zal functioneren in de beoogde industriële omgeving.