Aangepaste kabel voor industriële automatisering

Automatisering bespaart arbeid, energie en materiaal en verhoogt de nauwkeurigheid en kwaliteit. Maar een potentieel kwetsbaar punt is dat de huidige industriële machines en processen - die een ongekende systeemcomplexiteit kennen - bijzonder afhankelijk zijn van stabiele connectiviteit voor de overdracht van vermogen, controle en operationele gegevens. Elke inbreuk op deze connectiviteit kan leiden tot grote onderbrekingen van de doorvoer en dure schade aan machines of eindproducten.

Daarom is de betrouwbaarheid van industriële kabeloplossingen voor het aansluiten van alle besturingen, sensoren en actuatoren van geautomatiseerde systemen van vitaal belang voor het minimaliseren van ongepland onderhoud en het handhaven van de betrouwbaarheid van geautomatiseerde processen.

Figuur 1: Industriële kabels in geautomatiseerde omgevingen worden gebruikt voor de distributie van elektrische energie en voor de transmissie van besturingssignalen en gegevens (voor gegevensverwerving en bedrijfsbewaking). Kabelassemblages die deze functies combineren (zoals ÖLFLEX CONNECT op maat gemaakte kabeloplossingen van Lapp USA) zijn in opmars. (Afbeelding bron: Lapp USA)

Betrouwbare kabels vereisen een robuuste aarding, geleidingsdraden en connectoren; en er zijn nog vele andere overwegingen. Afscherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI) is bijvoorbeeld van cruciaal belang voor een betrouwbare besturing en gegevensoverdracht. Op bewegende assen moeten de kabels ook flexibel genoeg zijn om duizenden buigcycli te kunnen doorstaan. De isolatie rond elke geleidingsdraad moet ook robuust en slijtvast zijn.

Voor industriële-automatiseringstoepassingen met bijzonder hoge eisen wordt dus steeds vaker gebruik gemaakt van kabel op maat. Nieuwe opties voor afscherming, isolatie, robuustheid van de mantel en vormfactor helpen ingenieurs kabels af te stemmen op hun toepassingen voor een volledige optimalisatie.

Modulaire kabels in de context van industriële automatisering

Modulaire kabels en connectoren zijn in de fabriek geassembleerde producten die gebruik maken van een gestandaardiseerde set subcomponenten die vaak aan elkaar worden geklemd of vastgeklemd voor een snelle en uiterst betrouwbare werking. Geen wonder dat op maat gemaakte kabelassemblages op basis van modulaire subcomponenten steeds gebruikelijker worden in de industriële automatisering - en ook in andere sectoren zoals de bouw.

Modulaire kabels kunnen de inspanningen voor installatie ter plaatse met ongeveer 60% tot 70% verminderen in vergelijking met traditionele kabelsets. Dat komt voor een groot deel doordat modulaire kabelassemblages de noodzaak wegnemen voor fabriekspersoneel of technici van integratoren om ter plaatse elektrische geleiders aan te sluiten en tests en probleemoplossing uit te voeren. Bij de meeste traditionele kabelinstallaties moet een elektricien de kabel op de gewenste lengte knippen, de mantel strippen en de aansluitingen met de hand in elkaar draaien. Modulaire kabels nemen deze lastige taken weg en verhogen de betrouwbaarheid, omdat ook hier het op maat maken, snijden, aansluiten en afwerken wordt uitgevoerd met herhaalbare fabrieksprocessen. Bovendien worden kabels die worden betrokken van leveranciers die assemblages op maat verkopen, gewoonlijk geautomatiseerd getest voordat de kabel wordt verzonden. Op die manier worden de toepassingsspecifieke kabels al in de ontwerpfase volledig gespecificeerd - en bestaat de installatie ter plaatse uit het eenvoudigweg inpluggen van deze kabels in de machinecomponenten.

Figuur 2: Op maat gemaakte kabelassemblages kunnen elektriciens de hier getoonde bekabeling en tests ter plaatse besparen.

Afscherming ter bescherming van de transmissiekwaliteit

Met steeds complexere systemen waarbij stroom-, besturings- en datasignalen worden overgebracht, zijn moderne industriële omgevingen elektrisch lawaaierig. Daarom moeten gevoelige apparatuur en signalen worden beschermd tegen EMI. Deze elektrische circuitstoringen worden veroorzaakt door elektromagnetische inductie, elektrostatische koppeling en geleiding. Het is zelfs mogelijk dat kabels in een omgeving met veel elektrische ruis moeten worden afgeschermd om de voortplanting van EMI te voorkomen, omdat:

• De kabels kunnen onderhevig zijn aan storingen door EMI die van elders afkomstig zijn
• De industriële kabels zelf kunnen de bron van EMI zijn
• De kabels kunnen anders als antenne fungeren om ruis uit te stralen

Motoren, generatoren, transformatoren, inductieverwarming en stroomkabels kunnen allemaal bronnen zijn van hoge niveaus van EMI. Besturings- en datakabels die zich in de nabijheid van deze bronnen bevinden, moeten worden afgeschermd. Voor zeer gevoelige signalen kan afscherming nodig zijn, ook al bevinden deze zich op enige afstand van de EMI-bron.

In feite kan de afscherming de vorm aannemen van een kooi die de gehele geautomatiseerde operatie omgeeft, een metalen kast of kabelgoot die de kabels omgeeft, of (zoals hier in detail wordt besproken) rechtstreeks in de kabels wordt ingebouwd.

Afscherming van EMI op de kabel kan bestaan uit een Faraday-schild (een ononderbroken bedekking van geleidend materiaal rond de kabelgeleiders) of een kooi van Faraday (een geleidend gaas rond de kabelgeleiders). De eerste is gewoonlijk gemaakt van folie en de tweede van gevlochten draad.

Folieafschermingen bestaan vaak uit dun aluminium voor een continue afscherming die goedkoop en flexibel is, maar moeilijker te aarden.

Gevlochten draden zijn een geweven netwerk van koperdraad dat gemakkelijker te verbinden is met aarde, maar in sommige gevallen geen 100% dekking biedt - aangezien kleine openingen hoogfrequente signalen kunnen doorlaten. Wil een kooi van Faraday dus werken, dan moeten alle gaten of spleten in het gaas aanzienlijk kleiner zijn dan de golflengte van de te blokkeren straling. Sommige fabrikanten vertinnen hun gevlochten afschermingsdraden om de bescherming tegen EMI te verbeteren. Andere zorgen voor zuivere signalen in zeer lawaaierige omgevingen met meerdere lagen afscherming - tussen afzonderlijke paren en rond de hele kabel, bijvoorbeeld. Een dergelijke afscherming kan duurder en minder flexibel zijn dan andere opties.

Zowel de kooien als de schilden zijn geleiders die elektromagnetische straling weerkaatsen om te voorkomen dat die straling de geleidende strengen van de kabel binnendringt. Afscherming in kabels wordt gewoonlijk aangebracht tussen isolatielagen die de geleidende draden omgeven. Vervolgens wordt deze afscherming gewoonlijk met de aarde verbonden om een efficiënte verspreiding van de EM-energie mogelijk te maken.

Figuur 3: ÖLFLEX CONNECT SERVO-kabels van Lapp USA zijn voorzien van voedings- en dataverbindingen en connectoren om het gebruik met aandrijvingen en servomotoren van Siemens, Rockwell/AB, Indramat, Lenze en SEW te vereenvoudigen. EMC-afscherming in deze kabels wordt door de fabrikant uitgevoerd in een geautomatiseerd proces dat de kabelmantel verwijdert en de afscherming verspreidt voor een contact van 360° met de connector. (Afbeelding bron: Lapp USA)

Industriële kabelisolatie opties

Isolatie is het niet-geleidende materiaal dat een elektrische geleider omgeeft. Naast het voorkomen van geleiding tussen draden of naar de aarde, dient het vaak ook ter bescherming tegen slijtage en het binnendringen van vloeistoffen. Het is belangrijk op te merken dat isolatie alleen geen barrière vormt tegen EMI, aangezien magnetische velden en straling er dwars doorheen gaan. Hieronder volgen enkele veel voorkomende isolatiematerialen.

Polyvinylchloride (PVC) is een goedkope en veel gebruikte isolatie. Het heeft een temperatuurbereik van ongeveer -55° tot +105°C en is bestand tegen de gebruikelijke oplosmiddelen en brandstoffen. Capaciteit en verzwakking leiden tot enig vermogensverlies.

Het semi-rigide pvc (SR-PVC) heeft hogere schuringsweerstand dan andere opties; het gelijkaardige plenum polyvinyl chloride (plenum pvc) materiaal schept ook superieure vlamweerstand op.

Polyethyleen (PE) heeft een lage capaciteit, waardoor het zeer geschikt is voor datatransmissie met hoge snelheid. Het is onbuigzaam en ontvlambaar met een temperatuurbereik van -65° tot +80°C.

Gechloreerd polyethyleen (CPE) heeft een uitstekende hitte- en brandbestendigheid en wordt vaak gebruikt in industriële stroom- en besturingskabels.

Silicone is zeer hittebestendig (zelfs tot 180°C), moeilijk ontvlambaar en flexibel.

Glasvezel wordt algemeen gebruikt voor toepassingen die extreme hittebestendigheid vereisen, zoals gieterijen en metaalverwerking. Het kan worden gebruikt bij aanhoudende temperaturen tot 480°C.

De bedrijfsomstandigheden worden slechts bij wijze van indicatie gegeven. Ontwerpers moeten altijd de specificaties van de kabelfabrikant raadplegen alvorens een kabel voor een bepaalde toepassing te gebruiken.

Industriële kabelmantels en omhulsels

In sommige kabels zijn de functie van elektrische isolatie en externe bescherming gescheiden, waarbij voor elke functie geoptimaliseerde materialen worden gebruikt. In dit geval wordt de binnenlaag die elektrische isolatie biedt, isolatie genoemd, terwijl de buitenlaag die bescherming biedt, mantel wordt genoemd. Dit kan zowel de robuustheid als de flexibiliteit verbeteren.

Verschillende mantelmaterialen kunnen worden gebruikt om gespecialiseerde bescherming te bieden tegen bedreigingen zoals slijtage, vloeistoffen, hitte, chemicaliën of microben. Enkele veel voorkomende jasmaterialen zijn:

Polyurethaan (PUR), dat zeer taai en flexibel is en bestand tegen chemicaliën, water en schuren. Polyurethaan is echter ontvlambaar. Door zijn slechte elektrische eigenschappen is het niet geschikt voor gebruik als isolatie.

Nylon met een uitstekende taaiheid, flexibiliteit, slijtvastheid en chemische weerstand.

Neopreen is een synthetisch thermohardend rubber met een uitstekende weerstand tegen schuren, doorsnijden, olie en oplosmiddelen. Het heeft een lange levensduur en wordt vaak gebruikt in militaire toepassingen.

Styreenbutadieenrubber (SBR) is een thermoharder met uitstekende slijtvastheid, olie- en oplosmiddelbestendigheid. Het wordt gebruikt in Mil-C-55668 kabels.

Kabelbundels in industriële kabels

De afzonderlijke strengen in een kabel kunnen op verschillende manieren worden gerangschikt om verschillende buigeigenschappen te verlenen.

Massieve geleiders bestaan uit één dikke draad die goedkoop is, maar stijf en minder robuust.

Bundeling is relatief eenvoudig, waarbij alle strengen in dezelfde richting worden gedraaid, maar is robuuster dan massieve kabel.

Concentrische strengen hebben een enkele draad in het midden met een laag draden eromheen gedraaid; alle opeenvolgende lagen zijn in afwisselende richtingen gedraaid. Dit levert soepele kabels op die geschikt zijn voor gebruik in automatiseringstoepassingen.

Bij "Rope Stranding " zijn bundels kabels op allerlei andere manieren gestrengeld - ook een ontwerp dat een soepele kabel moet opleveren.

Laatste opmerking over connectoren voor industriële kabel

Kabelconnectoren voor industriële automatisering zijn net zo aanpasbaar als de kabels zelf. Dit onderwerp zal in een ander artikel aan de orde komen en de verschillende permutaties van deze connectoren (alsmede de wartel- en handgreepopties) bespreken. Het is echter vermeldenswaard dat connectoren steeds meer gespecialiseerd zijn in bepaalde componenten - zoals bijvoorbeeld de hierboven genoemde servomotorkabels.

Bovendien bieden kabelconnectors tegenwoordig zeer gespecialiseerde ontwerpen om bestand te blijven tegen omgevingsinvloeden. De weerstand van connectoren tegen binnendringing wordt op dezelfde manier beoordeeld als die van behuizingen, aan de hand van een IP-code (Ingress Protection). Deze codes bestaan uit twee cijfers - waarbij het eerste cijfer het beschermingsniveau tegen vreemde voorwerpen en stof aangeeft, en het tweede cijfer het beschermingsniveau tegen vloeistoffen. Het eerste cijfer loopt van 0 voor geen bescherming tot 6 voor stofdicht. Het tweede cijfer loopt van 0 voor geen bescherming tot 8 voor continue bescherming tegen voortdurende onderdompeling op een diepte van 1 meter.

Elders zijn gestandaardiseerde geometrieën voor kabelconnectoren gekomen om de specificatie te vereenvoudigen. Modulaire RJ-connectoren worden bijvoorbeeld steeds vaker gebruikt voor kabels die bij datatransmissie worden gebruikt. Merk op dat de term RJ in deze context staat voor registered jack en zijn oorsprong vindt in de toepassingen ervan in telefoonsystemen. Hoewel moderne modulaire connectoren technisch gezien eigenlijk helemaal geen RJ-connectoren zijn. Deze connectoren kunnen snel en betrouwbaar aan de eindkabels worden bevestigd met behulp van speciaal krimpgereedschap waarmee de connector in één enkele handeling wordt gefixeerd en de elektrische contacten worden gemaakt. Dit maakt efficiënte en gemakkelijke assemblage van kabels ter plaatse mogelijk, hoewel in de fabriek geassembleerde kabels betrouwbaarder zijn. Dit type stekker heeft gewoonlijk een lipje om de stekker stevig in een contactdoos te houden en vaak een doorzichtige plastic behuizing waardoor de interne contacten visueel kunnen worden geïnspecteerd.

Figuur 4: De hier afgebeelde tweede en derde kabelconnector zijn RJ-connectoren. (Afbeelding bron: Lapp USA)

Voor meer informatie over dit onderwerp kunt u het DigiKey artikel "De juiste kabel voor een industriële toepassing: How to Choose and Use for Design Success" (Hoe kiezen en gebruiken voor een succesvol ontwerp) voor enige begeleiding bij het kiezen van industriële kabel.