הגדירו את התצורה של חיישנים ומפעילים תעשייתיים במהירות, בבטחה ובאמינות באמצעות תיבות מפעילי (Actuator) חיישנים

המתכננים של ציוד אוטומציה תעשייתית (IA) מודרני יכולים להעריך את המהירות שבה הם יכולים להתרחב על פני מאות מטרים רבועים בתוך מפעל. פרישת כבלים נפרדים בין מחשב הבקרה וחיישני קירבה וזרועות מכניות באזור העיבוד עלולה להעמיס על רצפת הייצור ולהאט את הזמן שלוקח להגדיר את תצורת הציוד. בנוסף, החלפה או הגדרה-מחדש של תצורת חיישן או מפעיל קיימים עשויות לדרוש פרישת כבל נוסף בין מיקום העיבוד לבין מחשב הבקרה, תוך האטת התחזוקה. הבעיה רק מחריפה עם הדחיפה לחיבור מערכות נוספות לאינטרנט של דברים (IoT) כדי לעקוב אחריהן בלוח מחוונים מרוחק דרך הענן.

כדי לפשט את בעיות חיבוריות אלו, מתכנני מערכות תעשייתיות יכולים להשתמש בתיבות מפעילי חיישנים (המכונות גם תיבות סעף ותיבות חלוקה). באמצעות התקנים אלו ניתן לחבר חיישנים ומפעילים רבים על ידי הפעלת קו מאסטר אחד ממחשב הבקרה לתיבה המסתיימת עם מחברים רבים במקום העיבוד, תוך פישוט חיווט הרצפה.

מאמר זה ידון בקצרה בנושאים הקשורים לחיבוריות IA. לאחר מכן הוא יציג שלוש דוגמאות של תיבות מפעילי חיישנים הלקוחות מהמציאות - אחת כל אחת מבית Molex‏, Alpha Wire‏ ו- Phoenix Contact‏ - ויראה כיצד הן יכולות לפשט את החיווט בסביבה תעשייתית תוך הקלת התחזוקה והגדרת התצורה.

חיבור מחשבי בקרה לחיישנים ומפעילים (Actuators‏)

מחשבי בקרה רבים בסביבות אוטומציה תעשייתית ממוקמים בנוחות ליד הציוד אותו הם מבקרים. כבלים מהמחשב לחיישנים והמפעילים יכולים להיות קצרים יחסית, לרוב כמטר אחד או שניים. עם זאת, במפעלים תעשייתיים מסוימים, ניתן למקם מחשבי בקרה מטרים רבים משם, הדורשים פרישת כבלים רבים בין שני המיקומים. זה נפוץ ברובוטים של מפעלי הרכבה, מתקני מסועים, וגם ברכבים תעשייתיים גדולים כמו משאיות וכלי טיס. במצבים מסוימים, אזור העיבוד עלול להיות מסוכן, כאשר המיקום חשוף לכימיקלים מזיקים או לטמפרטורות קיצוניות. עבור סוג זה של מכונות, מחשב הבקרה ממוקם לעתים במרחק בטוח ומוגן כדי למקסם את האמינות.

חיווט קונבנציונאלי במצבים כאלה יכלול פרישת כבלים רבים ממחשב הבקרה לכל חיישן ומפעיל. לא תמיד מדובר בפעולה פשוטה. יש להשתמש במחברי סיומות כבלים מתאימים בכל קצה של כבל חיישן או מפעיל. בסביבות מסוכנות רבות, זה יכול לקחת יותר זמן מהצפוי להבטיח שהכבל מנותב בצורה בטוחה ונכונה. לבסוף, הזמן שלוקח להגדיר את התצורה ולחבר את הכבלים לכל חיישן ומפעיל מאט את פעולת הפרישה ומוסיף עלות. אם צריך לסגור את המפעל כדי להחליף או להגדיר את תצורת יותר מחיישן או מפעיל אחד, זה יוסיף זמן השבתה ויגדיל עוד יותר את העלויות, לפעמים באופן דרמטי, תלוי במפעל.

תיבות מפעילי חיישנים

פיתרון בטוח עם יחס עלות-תועלת מיטבי עבור מפעל IA הוא להשתמש בתיבות מפעילי חיישנים. תיבות אלה מקבצות את כל כבלי החיישנים והמפעילים ממחשב הבקרה לתוך כבל מאסטר יחיד, המכונה לעיתים קרובות כבל הבית, הנפרש אל אזור העיבוד. הכבל מסתיים בסמוך לאזור העיבוד בתיבת מחברים חסונה אחת המכילה שקעי מחבר, בדרך כלל שמונה מחברי M12 או יותר. תיבות מפעילי חיישנים נקראות לעיתים גם תיבות סעף, תיבות חלוקה וכן תיבות I/O‏ או IO‏. בתיבת המחברים מורכבים שקעי M12‏ שהם אטומים, מחווטים-מראש ובדירוג IP67‏ או טוב יותר.

את כבל-הבית עבור כל החיישנים והמפעילים יש לנתב ולמקם רק פעם אחת. זהו יתרון בעת ניתוב הכבל באזורים מוגבלים, שכן הטכנאים לא צריכים לבזבז זמן נוסף בלתמרן את עצמם בתוך מקומות צפופים ומסביבם.

עם תיבת מפעילי חיישנים, במקום חיבור הציוד על ידי פרישת כבל ארוך בין מחשב הבקרה לבין אזור העיבוד עבור כל חיישן ומפעיל, הטכנאי מחבר קצה אחד של כבל קצר יותר לתיבת מפעיל החיישנים הסמוכה ואת הקצה השני אל הציוד. זה יכול להיות מהיר עד כדי שניות, ולקצר את זמן העבודה של המתקין באזור העיבוד. זה מפשט את התחזוקה ומשפר את הבטיחות תוך חיסכון בזמן ומפחית טעויות.

בחירה ושימוש בתיבות מפעילי חיישנים

תיבות מפעילי חיישנים מגיעות במגוון של תכנים, אך כמה גורמים שיש לקחת בחשבון כוללים נראות, חוסן, סוג חומר, משקל, גורם צורה, מספר שקעים, יכולת נשיאת-זרם, אפשרויות הרכבה ודירוגי IP עבור חדירות אבק, רטיבות, וגזים, אם להזכיר כמה.

לדוגמה, בסביבות קשות במיוחד, כמו משאיות תעשייתיות ומחסנים שבהם ציוד יכול להיות נתון למכות חזקות, לחברת Molex‏ יש את משפחת תיבות החלוקה (Brad Safety Multi-Port Interconnection System (MPIS‏. תיבות לפעולה מאומצת אלו עשויות מפוליבוטילן טרפתאלאט (PBT) שהוא גם קל-משקל וגם חזק, ומסוגל לסבול מכות חזקות מציוד כבד או אפילו מכות מרכבים נעים.

אם נבחר מתוך קו המוצרים, תיבת החלוקה MPIS‏ 1202480510‏ עם 8 נקודות-חיבור תומכת בעד 4 אמפר (A) לכל נקודת-חיבור, עם מקסימום של A‏ 12‏ לכל שמונה היציאות יחד (איור 1). כדי לסייע בחיברורים, לכל יציאה יש אזור שקוע עבור תווית בהצמדה העשויה מפלסטיק אקרילוניטריל בוטאדיין סטירן (ABS). תוויות אלה חזקות יותר ולא נקרעות בהשוואה לתוויות נייר.

איור 1‏: ה- MPIS‏ 1202480510‏ מבית Molex הוא תיבת מפעילי חיישנים עם שמונה שקעי M12‏. כדי להקל על החיברורים, כל יציאה תומכת בתווית בהצמדה העשויה מפלסטיק ABS חסון. (מקור התמונה: Molex)

ה- 1202480510‏ מבית Molex הוא בצבע כתום בוהק עבור נראות טובה יותר והוא בדירוג IP67 ההופך אותו למתאים לשימוש בסביבות מזוהמות, מאובקות ולחות, ועל פני תחום טמפרטורות טיפוסי של 25°C- עד 85°C+. אורך כבל-הבית הוא 5 מטרים והוא תומך בסיומת כבל בהתאמה-מיוחדת שהיא בדרך כלל מחבר M23 אך יכול להיות כל מחבר הדרוש עבור היישום. לכל שקע M12 שקוע יש שמונה פינים בתצורה סטנדרטית בתעשייה. לכל נקודת-חיבור יש נורית LED ענבר כדי לציין שנקודת-החיבור מופעלת. זה עוזר לוודא במהירות שנקודת-החיבור פעילה, תכונה שימושית במהלך הגדרת-התצורה ואבחון בעיות חיבור.

לתיבת מפעילי חיישנים מבית Molex‏ יש שני חורים עבור בורגי הרכבה M4‏. זה מאפשר להתקין את התיבה על ציוד או על קיר ביציבות. התיבה צריכה להיות מותקנת במקום בו שמונת שקעי ה- M12 יהיו קלים לגישה והיא צריכה להיות מאובטחת דיה כך שכוח דחיפת מחבר M12 לשקע שלו לא יזיז אותה.

יישומי תיבות מפעילי חיישנים קלות-משקל

עבור יישומים שבהם המשקל מהווה שיקול, כגון כלי-טיס או רכבים תעשייתיים כלשהם, חברת Alpha Wire מציעה את משפחת תיבות החלוקה הפסיביות Alpha Connect, הכוללת את תיבת מפעיל חיישנים 901-10M NC032‏ Alpha Connect‏ עם 8 נקודות-חיבור (איור 2‏). תיבת Alpha Connect‏ זו עשויה מסגסוגת אבץ קלת-משקל המתאימה למטוסים, משאיות קטנות ורכבים מוזני-סוללות כמו מלגזות וכלי עבודות עפר קטנים בהם כל אונקיה נחשבת. יש לה כבל-בית של 10 מטר, המתאים עבור כלי-טיס ורכבים בהם המרחק הקצר ביותר בין שתי נקודות הוא לעיתים לא בקו ישר אלא במסלול מפותל. התיבה היא פסיבית ואין לה נוריות LED של מחווני נקודות-החיבור. הצבע הבז' נייטרלי מאפשר הטמעה לא-בולטת בתוך סביבות רבות.

היחידה כוללת שני כיסויי אבק כדי לשמור על כל אחד מהשקעים שאינם בשימוש נקיים ממזהמים. תיבת מפעילי חיישנים עם מחברים מחוברים היא בדירוג IP67‏. שקעים לא-מחוברים הם בדירוג IP65‏ ולכן יש צורך בכיסויי האבק מותקנים כדי להבטיח הגנת IP67‏.

איור 2: תיבת מפעילי חיישנים ‎901-10M NC032‏ מבית Alpha Wire‏ עשויה סגסוגת אבץ קלת-משקל. שמונת שקעי M12 בולטים מעל הבית כך שחיבור המחברים הוא מהיר וקל. שני כיסויי אבק כלולים בחזית הימנית שומרים על ניקיון השקעים שאינם בשימוש. (מקור התמונה: Alpha Wire)

לכל שקע M12‏ יש חמישה פינים. כדי להקל על ההתקנה במהלך הכינון הראשוני, קוד הצבע הסטנדרטי של כבל M12 והפונקציות עבור כל פין מודפסים בצד תיבת מפעילי החיישנים. שמונת שקעי M12 אינם שקועים אלא במקום זאת בולטים מעל הבית העשוי סגסוגת אבץ. זה מאפשר חיבור מהיר וקל, שהוא חשוב בסביבה תעשייתית עמוסה.

תיבת מפעילי חיישנים ‎901-10M NC032‏ מבית Alpha Wire‏ מדורגת עבור 80°C‏+ עד 40°C- ההופכים אותה למתאימה עבור כל הסביבות התעשייתיות הקרות של כלי-טיס ורכבים כאחד.

תיבת מפעילי חיישנים קומפקטית

עבור יישומים קטנים ומוגבלי-מקום חברת Phoenix Contact תכננה את תיבת מפעילי חיישנים עם 4 נקודות-חיבור 1692404 (איור 3). לתיבה זו אין כבל-בית והיא דורשת מכלל כבלים M23 נפרד כדי להתחבר למחשב הבקרה, מה שמאפשר את העברת התיבה בקלות למיקום אחר. זה גם מאפשר תחזוקה קלה והחלפה של כבל-הבית אם הוא ניזוק.

איור 3‏: לתיבת מפעילי חיישנים 1692404 מבית Phoenix Contact יש ארבע נקודות-חיבור M12‏ עם 4 פינים. היא דורשת מכלל כבלים M23 חיצוני כדי לחבר אותה למחשב הבקרה. (מקור תמונה: Phoenix Contact)

ה- 1692404 עשוי מפוליאמיד, בעל חסינות גבוהה מפני בנזין, שמני מנוע וממיסים הנמצאים בדרך כלל ליד מנועים. לפוליאמיד יש גם חוזק מתיחה גבוה במיוחד והוא יכול להתמודד עם מתיחה וכיפוף ללא-פגיעה טוב יותר ממרבית החומרים. היחידה היא בדירוג IP67 ותחום טמפרטורות פעולה של 20°C- עד 75°C+ ההופכים אותה למתאימה עבור מחסנים, בנייני משרדים ואזורים המאוכלסים לרוב על ידי אנשי צוות העובדים ליד כימיקלים.

כל אחד מארבעת מחברי M12 יכול לטפל בעד A‏ 4‏, עם סך-הכל זרם מקסימלי עבור היחידה של A‏ 12‏. לכל אחת מארבע נקודות-החיבור ה- M12 יש נורית LED צהוב המציינת מתי היציאה מחוברת ופועלת כהלכה. לנקודת-החיבור M23‏ יש נורית LED‏ ירוק המציינת שכבל-הבית מחובר כהלכה ומזין את התיבה. זה שימושי עבור אבחון במהלך ההתקנה והגדרת התצורה. ניתן לנתק את כל החיישנים והמפעילים המחוברים לארבעת שקעי M12 על ידי הסרת מחבר M23 היחיד. זה משפר את הבטיחות ומקצר את זמן ההשבתה במהלך התחזוקה והגדרת-התצורה-מחדש.

סיכום

תיבות מפעילי חיישנים יכולות לחסוך זמן במהלך תחזוקה וכינון, תוך שהן מבטיחות חיבוריות אמינה בין מחשבי הבקרה לבין החיישנים/מפעילים (Actuators‏). ניתן לחבר בקלות חיישנים ומפעילים מקומית באזור העיבוד במקום לפרוש את כל הכבלים בנפרד למחשב הבקרה. בחירה נכונה של חומרים מבטיחה שהתיבה תפעל בצורה אמינה בסביבת היעד התעשייתית.