אפשרויות מחברים, בלוטות ומאחזים עבור כבלי אוטומציה תעשייתית

ישנם מחברים שונים לחיבור כבלים ורכיבים המשמשים באוטומציה תעשייתית. מחברים אלה חייבים להעביר את מלוא ההספק ואת זרמי אותות הנתונים הנישאים על הכבלים, עם סיומות קו כאלו השומרות על המוליכים מחוברים בקפדנות ומוגנים. האתגר הוא שציוד הקשור לאוטומציה תעשייתית ממוקם לעתים קרובות בסביבות מלוכלכות, חמות, ניידות ורועשות חשמלית ... כך שמחברי כבלים תעשייתיים דורשים רמת חוסן ואמינות שאינה נחוצה עבור יישומים אחרים.

ראשית, נבחן כמה יסודות מחברים תעשייתיים: המחברים כוללים את הרכיבים המסווגים כמצמדים (המחברים שני כבלים) וכן מערכות הכוללות את חצאי התקע והשקע של מכלל המחבר. בהקשרים מסוימים, המונח מחבר יכול להתייחס גם לבלוטות כבלים - סיומות העוברות דרך מארזים סגורים ... לעתים קרובות עם תת-רכיב המסתובב-חופשית ופועל לדחיסת אטם טבעת-O סביב קצה הכבל כדי לאטום אותו מפני כימיקלים, להבות, לכלוך וזרמים חיצוניים.

מחברי כבלים תעשייתיים מחברים כבלים (שכיח יותר) בשקעי ציוד קדמיים ואחוריים. לכל המחברים ובלוטות הכבלים יש דירוגי הגנת חדירות (IP) כהגדרתם בתקן IEC 60529 המכמתים את חסינותם מפני לכלוך ורטיבות. דירוגים אלה זהים לאלו המשמשים לתיאור החוסן של בתי רכיבים כמו גם מארזי ציוד תעשייתי. לקודי IP יש שתי ספרות, כאשר ערכים גבוהים יותר מציינים רמת הגנה גבוהה יותר עבור שניהם.

הספרה הראשונה בדירוג IP מציינת את רמת ההגנה מפני אובייקטים מוצקים כגון אבק - נעה בין 0 ללא הגנה ועד ל- 6 עבור איטום קפדני מפני אבק.

הספרה השנייה בדירוג IP מציינת את רמת ההגנה מפני נוזלים - נעה בין 0 ללא הגנה עד ל- 8 עבור הגנה רצופה מפני מים בעומק של 1 מטר.

איור 1‏: כאן מתואר מה מציינים דירוגי IP‏ השונים לפי IEC 60529‏. דירוגי IP של מחברי כבלים הם חשובים ביותר. (מקור התמונה: connectortips.com)

השוואת מחברי Ethernet‏ RJ‏ ו- M12 עבור אוטומציה

ה- Ethernet המוגדר בתקן IEEE 802.3 נותרה טכנולוגיית אזור רשת מקומית (LAN) הנפוצה ביותר בכל מקום. תקני תקשורת מבוססי-Ethernet‏ עבור אוטומציה תעשייתית כוללים את ModbusTCP/IP‏, EtherCAT‏, EtherNet/IP‏ ו- Profinet‏. המחברים המשויכים בדרך כלל לכבלי Ethernet‏ הם מחברי Registered Jack‏ (RJ‏) הנפוצים. מרבית מחברי RJ כוללים תקע בעל לשונית פלסטיק פשוטה הנלחצת לתוך גיאומטריית חיבור על שקע RJ כדי להחזיק את שניהם יחד בצורה מאובטחת. התקעים והשקעים מתאימים בקלות לכבלים - וצוותי ההתקנות יכולים להדק אותם בו-זמנית וליצור את המגעים החשמליים באמצעות כלי לחיצה מיוחד. סיומות בלחיצה מאפשרות בניית כבלים שנחתכו בהתאמה-מיוחדת (מותקנים בשטח) שהם אמינים למדי. לתתי-רכיבי התקעים המתוכננים עבור התקנות בשטח אלו יש לעיתים גופים שקופים כדי לאפשר לצוות ההתקנה לבדוק ויזואלית את המגעים הפנימיים לפני הכנסתם לשירות. עם זאת, אמינות הכבלים המורכבים מהמפעל היא ללא תחרות.

איור 2: זהו כלי מלחץ יד TL2253-ND המאפשר הרכבה בשטח של סיומת תקע RJ של כבל Ethernet עם ארבעה, שישה ושמונה חוטים החתוכים לאורך רצוי. בלחיצה אחת להבי הכלי חושפים כבלי Cat5e ו- Cat6 שטוחים או עגולים ומאבטחים את גוף המחבר. (מקור התמונה: Tripp Lite)

כאשר מחברי RJ אינם מספיק חסונים עבור סביבה תעשייתית מסוימת, מחברי M12 עשויים להיות טובים יותר. זאת מכיוון שמחברי M12 מספקים חיבור אמין יותר וחסון פיזית - עם יתרון נוסף של הגנה מפני חדירת אבק ונוזלים.

איור 3: מחברי RJ כמו אלו המוצגים כאן הם הנפוצים ביותר בכבלי Ethernet. עם זאת, ישנם סוגים אחרים של מחברים הזמינים לשימוש עבור כבלי Ethernet‏. (מקור התמונה: Getty Images‏)

ה- (Power over Ethernet (PoE המוגדר על ידי IEEE 802.3 היא דרך נוחה להעביר הן נתונים והן הספקת-כוח דרך כבל יחיד. PoE‏ חלופה A (נקראת לעיתים אופן A) משתמשת באותם שני זוגות מפותלים להעברת נתונים וכוח, כך שניתן להשתמש בכבלים עם פחות ליבות - ורוחב-הפס מוגבל ל- (100‎ Mbps (100BASE-TX‏. PoE‏ חלופה B (נקראת לעיתים אופן B) ) משתמשת בכבל Ethernet‏ 5 Cat עם ארבעה זוגות מפותלים - שני זוגות הנושאים נתונים ושני זוגות הנושאים כוח. זה מקטין את רוחב-הפס הזמין עבור הנתונים - מה שמגביל את קצב הנתונים ל- Mbps‏ 100‏, גם כאשר הכבלים מדורגים עבור Gigabit Ethernet.

4PPoE או ארבעה זוגות דורש כבל עם ארבעה זוגות מפותלים של קווצות מוליכים וכולם מעבירים כוח ונתונים כאחד. המשמעות היא שהוא תומך בקצב נתונים גבוה יותר (Gigabit Ethernet ומעבר לו) ובזרמים גבוהים יותר. יש להגדיר התקנים המקבלים הספק על PoE כך שהם מקבלים אופן A או אופן B כפי שמסופק. עם זאת, הם עשויים להשתמש בהתנגדות קבועה או מתחלפת על פני זוגות חוטים כדי לציין תאימות ולדרוש תצורת הספקת-כוח ספציפית. כמובן, ספקי-כוח PoE (ציוד המקור או PSE) הם שקובעים למעשה את אופן ה- PoE של המערכת.

איור 4: תכן המחבר מוכתב במידה רבה על ידי הכבל שהוא הסיומת שלו. מחברי כבלי Ethernet‏ M12 כמו אלו המוצגים כאן הם בדרך כלל חסונים יותר ממחברי RJ; מספר יצרנים מקודדים אותם בצבעים כדי לציין תאימות עם אופני PoE וסידורי מוליכים. (מקור התמונה: Lumberg Automation)

הסיומות של כבלי נתונים וכוח כאחד (כמו גם כבלי רשתות כגון Ethernet תעשייתי, PROFINET ו- Fieldbus) הם מחברי סדרת M - מחברים עגולים עם שרוול נקבה עם תבריג (להרכבה על שקע זכר) העוטפים מערך של פינים מוליכים. תבריגי M8‏ (8 מ"מ) ו- M12‏ (12 מ"מ) הם הנפוצים ביותר אך M5‏, M16 ו- M23‏ הם גם כן סטנדרטים מוכרים. הסגירה הפוזיטיבית (בהברגה) של מחברי סדרת M מבטיחה חיבור אמין ביותר המקטין למינימום אותות לסירוגין אפילו תוך כדי הגנה מפני הפסולת הסביבתית הנפוצה כל כך בסביבות של שטיפה וקורוזיה. אין פלא שמחברי סדרת M הם הסטנדרט העליון בכבלים עבור מפעילים (Actuators‏), PLC, חיישנים, מתגים ופקדי אוטומציה תעשייתית.

מחברי M8 ו- M12 עשויים לכלול שניים, שלושה, ארבעה, חמישה, שמונה או 12 פינים (נקראים גם מיקומים). חיישנים וספקי-כוח דורשים בדרך כלל שלושה או ארבעה פינים. עבור מחברי סדרת M בקצות כבלי Ethernet ו- PROFINET יש צורך בארבעה או שמונה פינים. לעומת זאת, לאלה שבקצות הכבלים המובילים נתונים של Fieldbus, CAN ו- DeviceNet יש בדרך כלל ארבעה או חמישה פינים. כמובן שכבלים הנושאים מספר זרמי נתונים והספקות-כוח עשויים לדרוש סיומת עם מחבר סדרת M עם כל 12 הפינים.

איור 5: מחבר זווית ישרה 120108 Ultra-Lock‏ Brad‏ זה הוא אימוץ קנייני של תכן מחבר M12 כדי להגדיל את האמינות. (מקור: Molex‏)

למעשה, תכן מחבר-שקע קשור אחד הנפוץ למדי בתעשייה מערך-פינים-וזוגות-שקעים - שהושק במקור על ידי חברת Molex‏ כך שלעתים הוא מכונה בלשון הדיבור "חיברור Molex‏". סדרת המחברים הקנייניים Brad מבית Molex מבוססת על מחברי M12 אך היא מחליפה את השרוול עם התבריג במערכת דחיפה-לנעילה נוחה ואמינה יותר. מכיוון שהנעילה אינה תלויה בכך שהמפעיל מהדק תבריג, היא מבטיחה אמינות ומקטינה למינימום את הסיכון לאותות לסירוגין. גירסות מחברי Brad כוללות:

• מחברי Brad Micro-Push M12 - מחבר דחיפה-ומשיכה המעניק הגנת IP65
• מחברי דחיפה-לנעילה Brad MX-PTL M12 המציעים הגנת IP65
• מחברים עם תבריג Brad Micro-Change M12 המציעים הגנת IP67‏
• מחברי M12‏ Brad‏ Ultra-Lock ו- Ultra-Lock EX‏ עם מתאמי דחיפה-לנעילה וטבעות-O עבור רמת הגנת חדירות IP69K מלאה.

מחברים קואקסיאליים עבור אותות בתדר גבוה

כבלים קואקסיאליים (המצוידים במחברים קואקסיאליים) משמשים גם באוטומציה תעשייתית להעברת אותות בתדר גבוה - במיוחד אלה התומכים בניטור רעידות והעברת אותות אנלוגיים. קיימים הרבה מאד תקנים.

למחברי BNC יש הידוק כידון הדורש רבע סיבוב כדי לחבר או לנתק. ניתן להשתמש בהם בתדרים של מעל GHz‏ 12‏ ובמקרים מסוימים עד GHz‏ 18‏. מחברי DIN‏ 0.4 עד 2.5 הם מחברי Push-Fit קטנים ביותר המתאימים עבור תדרים של עד GHz‏ 3‏. לעומת זאת, מחברי DIN‏ 1.0/2.3 הם מחברי תדר-רדיו Push-Fit קטנים שבשימוש נרחב בטלקומוניקציה דיגיטלית.

כבלים מודולריים ומותאמים-במיוחד ההולכים ומתרבים עבור מכונות אוטומטיות

עם גישות שילוב מערכות קונבנציונליות, הכבלים "מיוצרים" - נמדדים, נחתכים ומרכיבים בקצותיהם סיומות - הכל בשטח, במהלך התקנת הציוד האוטומטי. זה אומר לרוב שחשמלאי שבמקום חותך את הכבלים הנדרשים לאורך המתאים, חושף את המעטה העדין של המוליכים שלהם, ומתאים את הכבלים למחברים הנדרשים עבור חיבור הרכיבים השונים. הכנת כבלים בשטח זו גוזלת זמן ומובילה לאיכות חיבור משתנה. לכן המגמה כעת היא למיקור מערכות כבלים ומחברים מודולריים המורכבים מכבלים סטנדרטיים וממחברים המורכבים במפעל. אורכי הכבלים הנדרשים נקבעים במהלך התכנון ומסופקים מוכנים להתקנה.

יש המעריכים שכבלים מודולריים מפחיתים את זמן ההתקנה בשטח ב- 60% עד 70% תוך שיפור אמינות החיבורים החשמליים.

המקרה המיוחד של בלוטות כבלים

מחברי כבלים הנקראים בלוטות משמשים בכל מקום בו עוברים כבלים דרך מארז סגור. בלוטות משרתות שלוש מטרות - אבטחת הכבל, מניעת בלאי הכבל ואיטום הכבל כדי להגן על רכיבים בתוך המארז הסגור מפני פסולת סביבתית. הדרך שבה בלוטות הכבלים מאבטחות את הכבל מונעת למעשה נזק למגעים חשמליים מלהיעקר או הפרעות אחרות. זה גם מונע מהכבל להשתפשף או להתחכך בקצוות המתכת החדים של פתח המארז. זה חשוב מכיוון שמתכת יכולה בקלות לנסר דרך מעטפות כבלים ולגרום לקצרים בליבות הכבלים.

יישומים פחות תובעניים משתמשים לעיתים בבלוטות עם למלות עם מספר אצבעות המתהדקות סביב הכבל. סוג זה של בלוטה הוא פחות יקר אך דורש הידוק חוזר ססדיר כדי לשמור על ההגנה מפני חדירות. בלוטות באיכות גבוהה יותר משתמשות באטם רצוף המתהדק סביב הכבל. בסוג זה של בלוטות הסבירות להתרופפות עם הזמן נמוכה הרבה יותר.

מבנה מחברי הכוח התעשייתיים של ימינו

התקנים המשמשים עבור אוטומציה תעשייתית דורשים לרוב ספק-כוח מחובר בחוטים בנוסף לחיבור הנתונים. הטכנולוגיה החדשה יחסית של PoE שהוזכרה קודם לכן היא עדיפה היכן שאפשרי להשתמש בה מכיוון שהיא שומרת על כבלים פשוטים. עם זאת, הרוב הגדול של רכיבי ומערכות אוטומציה דורשים כבלי כוח מסורתיים.

מחברים המתוקננים על ידי הוועדה הבינלאומית לאלקטרוטכניקה (IEC) הם נפוצים בכבלי כוח עבור יישומים לצרכנים, למשרדים כמו גם לתעשייה. וועדת IEC‏ מגדירה מגוון של מחברים לא-ננעלים בתקן IEC 60320‏ עם מתח של V‏ 250‏ וזרם שלא יעלה על ‎16 A. כאן, מחברי C13/C14 משמשים בדרך כלל עבור ציוד אלקטרוני - כולל ספקי כוח למחשבים. מצמדי C19/C20 גדולים יותר משמשים בקצות כבלים הנושאים זרם גבוה יותר - כולל מארזי שרתים, לדוגמה.

איור 6‏: כבלי כוח למטרות-כלליות כוללים מגוון של מחברי IEC‏ ושל תקנים אחרים. (מקור התמונה: Getty Images‏)

עבור יישומים קריטיים או תובעניים יותר, מחברי IEC 60309‏ הם לעיתים עדיפים. תקעים, שקעים ומצמדים אלו מיועדים במפורש עבור שימוש תעשייתי ויכולים להעביר מתחים של עד V‏ 1,000‏, זרמים של עד A‏ 800 ותדרים של עד Hz‏ 500‏. כל המחברים הללו מספקים חסינות ברמה מסוימת כנגד חדירת מים: מחברי IP44‏ הם חסיני נתזים, מחברי IP67 הם חסיני מים, ומחברי IP66/67 יכולים למנוע באמינות חדירה גם כאשר הם נתונים לזרמי מים בלחץ. שקעים ניתן לנעול-פנימית (Interlock) כך שניתן להעביר את הזרם דרכם רק כאשר הם מחוברים לתקע - ולא ניתן להסיר את התקע אלא כאשר הספקת-הכוח מנותקת.

איור 7‏: שימו לב לקידוד הצבע (תואם ל- IEC 60309) של מחבר הכבלים להספק גבוה. (מקור התמונה: Railway Tech)

גדלים שונים של מחברי IEC 60309 משמשים עבור דירוגי זרם שונים. המחברים מקודדים עם שגם והם מקודדי צבע כדי לציין את תחום המתחים והתדרים שלהם:

• צהוב מציין יכולת נשיאה של V‏ 100 עד V‏ 130 ב- Hz‏ 50‏ עד Hz‏ 60‏
• כחול מציין יכולת נשיאה של V‏ 200 עד V‏ 250 ב- Hz‏ 50‏ עד Hz‏ 60‏
• אדום מציין יכולת נשיאה של V‏ 380 עד V‏ 480 ב- Hz‏ 50‏ עד Hz‏ 60‏ - לעיתים בתצורה תלת-פאזית

סיכום

ישנן אפשרויות גיאומטריה ושילוב רבות בכל הנוגע לבחירת מחברים ובלוטות עבור אוטומציה תעשייתית. במהלך הגדרת המפרט של כבל עבור מכונה אוטומטית נתונה, השיקול הראשון עבור מהנדסי התכנון חייב להיות מספר ליבות הכבלים ומידות הליבות. הגנה מפני חדירות והצורך בנעילה פוזיטיבית למניעת אותות לסירוגין הם השיקולים החשובים ביותר הבאים.