Opties voor connectoren, doorvoeren en grepen voor industriële automatisering

Er zijn verschillende connectoren om in industriële automatisering gebruikte kabels en componenten met elkaar te verbinden. Deze connectoren moeten alle voedings- en datasignalen die over de kabels gaan, doorgeven en tegelijkertijd de lijn zodanig afsluiten dat de geleiders goed verbonden en beschermd blijven. De uitdaging is dat apparatuur voor industriële automatisering zich vaak bevindt in vuile, hete, mobiele omgevingen met veel elektrische ruis ... zodat industriële kabelconnectoren een niveau van robuustheid en betrouwbaarheid vereisen dat voor andere toepassingen niet noodzakelijk is.

Eerst enkele basisprincipes van industriële connectoren: Connectoren omvatten de componenten die als koppelingen worden geclassificeerd (die twee kabels verbinden), maar ook systemen die zowel de stekker als contrastekker van een complete connector omvatten. In sommige contexten kan de term connectoren ook verwijzen naar doorvoeren, aansluitingen die door behuizingen gaan ... vaak met een vrij draaiend onderdeel waarmee een O-ring afdichting rond het kabeluiteinde wordt samengeperst als afsluiting voor chemicaliën, vuur, vuil en lekstromen.

Kabels worden het meest met industriële kabelconnectoren op de voor- of achterzijde van apparaten aangesloten. Alle connectoren en doorvoeren hebben een IP-waarde, zoals gedefinieerd in IEC 60529, waarmee wordt aangegeven in hoeverre ze vocht en vuil buiten houden. Deze classificaties zijn dezelfde als die welke worden gebruikt om de robuustheid te beschrijven van behuizingen voor onderdelen en industriële apparatuur. Een IP-code bestaat uit twee cijfers, waarbij een hogere waarde voor elk ervan een hoger beschermingsniveau aangeeft.

Het eerste IP-cijfer geeft de mate van bescherming tegen vaste voorwerpen zoals stof aan en loopt van 0 voor geen bescherming tot 6 voor stofdichte afdichting.

Het tweede IP-cijfer geeft de mate van bescherming tegen vloeistoffen aan en loopt van 0 voor geen bescherming tot 8 voor permanente bescherming tegen water op een diepte van 1 m.

Afbeelding 1: Hier wordt geïllustreerd wat de verschillende IP-klassen van IEC 60529 betekenen. De IP-waarden van kabelconnectoren zijn van cruciaal belang. (Bron afbeelding: connectortips.com)

Vergelijking van RJ en M12 ethernet-connectoren voor automatisering

Ethernet, gedefinieerd in IEEE 802.3, blijft wereldwijd de meest gebruikte technologie voor local area networks (LAN). Op ethernet gebaseerde communicatienormen voor industriële automatisering zijn onder meer ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP en Profinet. De connectoren die meestal voor ethernetkabels worden gebruikt zijn de veelgebruikte Registered jack (RJ) connectoren. De meeste RJ-connectoren hebben een stekker met een eenvoudig plastic lipje dat in een RJ-contrastekker klikt om de twee stevig bijeen te houden. De stekkers en contrastekkers passen gemakkelijk op de kabels en installateurs kunnen de kabels eenvoudig met een krimptang op de connector vastklemmen waarbij tevens de elektrische verbinding wordt gerealiseerd. Met krimpconnectoren kunnen op maat gesneden kabels worden gemaakt (ter plaatse gemonteerd) die redelijk betrouwbaar zijn. Stekkers die voor een dergelijke installatie ter plaatse zijn ontworpen, hebben vaak een doorzichtige behuizing zodat het installatiepersoneel alle interne contacten kan inspecteren alvorens ze in gebruik te nemen. De betrouwbaarheid van af fabriek gemonteerde kabels is echter onovertroffen.

Afbeelding 2: Dit is een TL2253-ND handkrimptang waarmee ter plaatse RJ-connectoren van vier-, zes-, en achtaderige ethernetkabels op lengte kunnen worden afgeknipt. Met één knijpbeweging worden platte of ronde Cat5e- en Cat6-kabels in de connectorbehuizing vastgezet. (Bron afbeelding: Tripp Lite)

Als RJ-connectoren niet robuust genoeg zijn voor een bepaalde industriële omgeving, zijn M12-connectoren wellicht beter. Dat komt omdat M12 connectoren een betrouwbaardere en fysiek robuustere verbinding bieden, met als bijkomend voordeel dat ze tegen het binnendringen van stof en vloeistoffen beschermen.

Afbeelding 3: RJ-connectoren, zoals afgebeeld, komen het meest voor bij ethernetkabels. Er zijn echter ook andere typen connectoren beschikbaar voor gebruik op ethernetkabels. (Bron afbeelding: Getty Images)

Power over Ethernet (PoE), gedefinieerd in IEEE 802.3, is een handige manier om zowel gegevens als elektrische voeding via één enkele kabel te transporteren. PoE Alternative A (vaak modus A genoemd) gebruikt dezelfde twee getwiste paren om zowel gegevens als voeding te transporteren, zodat kabels met minder aders kunnen worden gebruikt. De bandbreedte is hierbij beperkt tot 100 Mbps (100BASE-TX). PoE Alternative B (vaak modus B genoemd) maakt gebruik van een Cat5-ethernetkabel met vier getwiste paren: twee paren voor gegevensoverdracht en twee paren voor de voeding. Hierdoor wordt de beschikbare bandbreedte voor gegevens beperkt: de gegevenssnelheid wordt beperkt tot 100 Mbps, zelfs wanneer de kabels geschikt zijn voor Gigabit ethernet.

Voor 4PPoE of vierpaarskabel is een kabel met vier getwiste aderparen vereist die zowel voeding als gegevens transporteren. Dit betekent dat hogere datasnelheden (Gigabit ethernet en hoger) en zwaardere voedingen worden ondersteund. Apparaten die voeding via PoE accepteren, moeten worden geconfigureerd om modus A of modus B te accepteren, afhankelijk van wat wordt geleverd. Dit gezegd zijnde, kunnen zij vaste of wisselende weerstanden over draadparen gebruiken om de compatibiliteit aan te geven en om een specifieke vermogensconfiguratie te vragen. Natuurlijk zijn het de PoE-voedingen (de sourcing-apparatuur of PSE) die feitelijk de PoE-modus van het systeem bepalen.

Afbeelding 4: Het ontwerp van de connector wordt grotendeels bepaald door de kabel waarop deze is aangesloten. M12 Ethernetconnectoren zoals hier afgebeeld zijn over het algemeen robuuster dan RJ-connectoren; sommige fabrikanten geven ze een kleurcode om de compatibiliteit met PoE-modi en geleidervolgorde aan te geven. (Bron afbeelding: Lumberg Automation)

Zowel data- als voedingskabels (en netwerkbekabeling zoals industrieel ethernet, PROFINET en veldbussen) worden afgesloten met connectoren uit de M-serie: ronde contrastekkers met een vrouwelijke huls met schroefdraad (voor montage op een mannelijke aansluiting) rond een reeks geleidende pennen. M8 (8 mm) en M12 (12 mm) schroefdraad zijn het meest gebruikelijk, maar M5, M16 en M23 zijn ook bekende standaarden. De positieve (schroefbare) sluiting van de connectoren van de M-serie zorgt voor een uiterst betrouwbare verbinding die stoorsignalen tot een minimum beperkt, ook bij bescherming tegen omgevingsvuil dat zo vaak voorkomt is in omgevingen met stromend water of corrosieve stoffen. Geen wonder dat M-serie connectoren een top standaard zijn op de kabels voor actuatoren, PLC's, sensoren, schakelaars en besturingen van industriële automatisering.

M8- en M12-connectoren kunnen twee, drie, vier, vijf, acht of 12 pinnen hebben (ook posities genoemd). Sensoren en voedingen hebben over het algemeen drie of vier pinnen nodig. Voor connectoren van de M-serie aan de uiteinden van ethernet- en PROFINET-kabels zijn vier of acht pennen nodig. Daarentegen hebben de uiteinden van de kabels die veldbus-, CAN-bus- en DeviceNet-gegevens vervoeren, meestal vier of vijf pennen. Het is natuurlijk mogelijk dat kabels met meerdere gegevens- en voedingsstromen moeten worden afgesloten met een M-connector met alle 12 pennen.

Afbeelding 5: Deze Brad Ultra-Lock 120108 haakse connector is een eigen aanpassing van een M12-connectorontwerp om de betrouwbaarheid te verhogen. (Bron: Molex)

Een verwant ontwerp voor stekkers en contrastekkers dat in de industrie vrij gangbaar is, is het pin-array-and-socket-paar, oorspronkelijk geïntroduceerd door Molex, zodat deze in de volksmond soms Molex-connectoren wordt genoemd. De Molex Brad serie connectoren volgens eigen ontwerp zijn gebaseerd op M12 connectoren maar hierbij is de bus met schroefdraad vervangen door een handiger en betrouwbaarder push-to-lock systeem. Omdat de vergrendeling niet afhankelijk is van het aandraaien van een schroefdraad door de gebruiker, is dit systeem betrouwbaarder en wordt de kans op stoorsignalen tot een minimum beperkt. Variaties van Brad connectoren zijn onder andere:

• Brad Micro-Push M12 connectoren: een push-on en pull-off connector met IP65-bescherming
• Brad MX-PTL M12 push-to-lock connectoren met IP65-bescherming
• Brad Micro-Change M12 schroefdraadconnectoren met IP67-bescherming
• Brad Ultra-Lock en Ultra-Lock EX M12 connectoren met push-to-lock fittingen en O-ringen voor volledige IP69K-bescherming tegen binnendringing.

Coaxiale connectoren voor hoogfrequente signalen

Coaxiale kabels (voorzien van coaxiale connectoren) worden in de industriële automatisering ook gebruikt voor de overdracht van hoogfrequente signalen, met name signalen voor bewaking van trillingen en overdracht van analoge signalen. Er bestaan talloze normen.

BNC-connectoren hebben een bajonetsluiting waarbij de connector een kwartslag moet worden gedraaid om aan of af te koppelen. Zij kunnen worden gebruikt voor frequenties boven 12 GHz en in sommige gevallen tot 18 GHz. DIN 0,4 tot 2,5 connectoren zijn zeer kleine push-fit connectoren die geschikt zijn voor frequenties tot 3 GHz. DIN 1.0/2.3-connectoren daarentegen zijn kleine push-fit radiofrequentconnectoren die op grote schaal voor digitale telecommunicatie worden gebruikt.

Modulaire en maatwerk kabels in opkomst voor geautomatiseerde machines

Bij een conventionele aanpak van systeemintegratie worden de kabels tijdens de installatie van de geautomatiseerde apparatuur ter plaatse 'gefabriceerd' (afgemeten, afgeknipt en afgesloten). Dat betekent meestal dat een elektricien ter plaatse de benodigde kabels op lengte knipt, de buitenmantel van de geleiders verwijdert en de kabels van de connectoren voorziet waarmee de betreffende componenten worden verbonden. Een dergelijke voorbereiding van kabels ter plaatse is tijdrovend en leidt tot een wisselende kwaliteit van de verbindingen. Daarom is de trend nu om modulaire kabel- en connectorsystemen aan te schaffen die bestaan uit standaard kabels en af fabriek gemonteerde connectoren. De vereiste kabellengtes worden tijdens het ontwerp bepaald en klaar voor installatie geleverd.

Sommigen schatten dat modulaire kabels de installatietijd ter plaatse met 60 tot 70% verminderen en tegelijk de betrouwbaarheid van de elektrische verbindingen vergroten.

Het speciale geval van kabeldoorvoeren

Kabeldoorvoeren worden overal gebruikt waar kabels door een behuizing lopen. Doorvoeren dienen drie doelen: de kabel vastzetten, kabelslijtage voorkomen en een afdichting rond die kabel vormen om de componenten in de behuizing tegen omgevingsvuil te beschermen. De manier waarop een kabel met een doorvoer wordt bevestigd voorkomt voornamelijk beschadiging van elektrische contacten door trekken of andere verstoringen. Hiermee wordt ook voorkomen dat de kabel langs de scherpe plaatmetalen rand van de opening in de behuizing schraapt of er tegenaan schuurt. Dat is belangrijk omdat plaatmetaal gemakkelijk door kabelmantels kan snijden en uiteindelijk kortsluiting met de kabelkernen kan veroorzaken.

Minder veeleisende toepassingen maken vaak gebruik van doorvoeren met meerdere 'vingers' die rond de kabel worden geklemd. Dit type doorvoer is voordeliger geprijsd, maar moet regelmatig worden aangedraaid om de bescherming tegen binnendringen te behouden. Doorvoeren van betere kwaliteit hebben een doorlopende afdichting die rond de kabel wordt geklemd. Dit type doorvoer zal in de loop der tijd veel minder snel loskomen.

Constructie van de huidige industriële voedingsconnectoren

Apparaten die voor industriële automatisering worden gebruikt, hebben vaak naast een dataverbinding ook een voedingskabel nodig. De eerder genoemde relatief nieuwe PoE-technologie verdient de voorkeur waar deze kan worden toegepast omdat hiermee de bekabeling eenvoudig blijft. Voor het overgrote deel van de automatiseringscomponenten en -systemen zijn echter traditionele netsnoeren nodig.

Door de Internationale Elektrotechnische Commissie (IEC) genormaliseerde connectoren zijn gebruikelijk op stroomkabels voor consumenten- en kantoorgebruik en voor industriële toepassingen. De IEC definieert in de norm IEC 60320 een reeks niet-vergrendelende connectoren voor spanningen tot 250 V en stroomsterktes van maximaal 16 A. Hier wordt de C13/C14-connector algemeen gebruikt voor elektronische apparatuur, met inbegrip van voedingen voor computers. Grotere C19/C20-koppelingen worden gebruikt aan de uiteinden van kabels met een hogere stroomsterkte, zoals serverbehuizingen.

Afbeelding 6: Bij voedingskabels voor algemeen gebruik worden connectoren volgens allerlei IEC- en andere standaard toegepast. (Bron afbeelding: Getty Images)

Voor meer kritische of veeleisende toepassingen wordt vaak de voorkeur gegeven aan IEC 60309-connectoren. Deze stekkers, contrastekkers en koppelingen zijn uitdrukkelijk bestemd voor industrieel gebruik en zijn geschikt voor spanningen tot 1000 V, stromen tot 800 A en frequenties tot 500 Hz. Al deze connectoren bieden een zekere mate van weerstand tegen het binnendringen van water: IP44-connectoren zijn spatwaterdicht, IP67-connectoren zijn waterdicht, en IP66/67-connectoren vormen een betrouwbare barrière tegen het binnendringen van water, zelfs bij gebruik van een hogedrukspuit. Stopcontacten kunnen ook zo worden vergrendeld dat het stopcontact alleen onder spanning kan worden gezet als er een stekker in zit, en de stekker kan pas worden verwijderd als de voeding is uitgeschakeld.

Afbeelding 7: Let op de kleurcodering (volgens IEC 60309) van deze kabelconnector voor hoge vermogens. (Bron afbeelding: Railway Tech)

IEC 60309-connectoren in verschillende afmetingen worden voor verschillende stroomsterktes gebruikt. De connectoren zijn ook voorzien van een sleutel en kleurcodering om het spannings- en frequentiebereik ervan aan te geven:

• Geel geeft een spanning aan van 100 tot 130 V bij 50 tot 60 Hz
• Blauw geeft een spanning aan van 200 tot 250 V bij 50 tot 60 Hz
• Rood geeft een spanning aan van 380 tot 480 V bij 50 tot 60 Hz, vaak voor driefasenaansluitingen

Conclusie

Er zijn bij de keuze van connectoren en doorvoeren voor industriële automatisering vele opties qua geometrie en integratiemogelijkheden. Bij de specificatie van een kabel voor een bepaald type geautomatiseerde machine moeten de met het ontwerp belaste ingenieurs allereerst rekening houden met het aantal aders en de dikte van de aders. Bescherming tegen binnendringing en de noodzaak van een positieve vergrendeling om stoorsignalen te voorkomen, zijn de volgende belangrijke overwegingen.