כיצד לבנות מערכות אספקת-כוח, תקשורת ובטיחות איתנות עבור אוטומציה של מפעל

מערכות אספקת-כוח, תקשורת ובטיחות הן אלמנטים קריטיים של‏ מפעל מודרני המאפשרים את העבודה האמינה של מכונות מקושרות במידה רבה השוות מיליוני דולרים. זאת ועוד, מערכות החיווט עבור אלמנטים קריטיים אלה חייבות להיות אמינות לשנים רבות תוך כדי עיסוק בחום ורעידות ולהתמודד עם אתגרים כגון מתחי כניסה אספקת-כוח עולים ויורדים, רטיבות ורמות גבוהות של חלקיקי חומר.

אינטגרציה של חיווט נרחב במפעל היא קשה ויקרה; ואידיאלית היא משימה שיש לעשותה רק פעם אחת. לכן, חשוב להבטיח שערכות הכבל, המחברים וקופסאות החלוקה בהם משתמשים כדי לבנות מערכת הם קשיחים, אמינים וניתנים למדרוג, כדי לעמוד בתקנים, פרוטוקולים ותקנות של היום ומחר.

מאמר זה מספק ‏סקירה קצרה של הדרישות של מפעל מודרני. אחר כך הוא מציג‏ גישה מודולרית לבנייה והרחבה של רשתות אוטומציה תעשייתיות תוך שימוש בדוגמאות רכיבים של העולם האמיתי מבית Molex‏. המאמר מראה כיצד גישה‏ מודולרית יכולה לפשט פריסה ולעמוד בדרישות ליבה של עלות, אמינות, בטיחות, תפקודיות וסביבה תוך שמירה על גמישות מספקת להתרחב ולהתאים לגידול של המפעל.

חיווט מפעל של המחר

אוטומציה תעשייתית (IA) שינתה את המפעל המודרני. תקשורת היא עכשיו‏ חשובה לא פחות מהחשמל המשמש עבור המניעים ומנועי הסרוו של המכונות הגדולות המייצרות סחורות, ובטיחות היא קריטית כיוון שבני-אדם ורובוטים עובדים קרוב אלה לאלה. האתגר עבור מהנדס האוטומציה הוא בחירת והתקנת חיווט אספקת-כוח, תקשורת ובטיחות המפיק תועלת מהטכנולוגיה של היום תוך שימת עין על העתיד מבחינת אפשרות מדרוג.

זהו אתגר קשה כי מפעלים מהווים השקעה גבוהה ובנויים לטווח רחוק. במהלך חייהם, טכנולוגיות ייצור יתפתחו ומערכות חיווט שהיו מספקות רק מספר שנים קודם עלולות להיות לא מתאימות יותר. יתר על כן, עם גידול בנפח ייצור, כל מערכת נוספת תדרוש את החיבוריות שלה, וחיווט מחדש של מפעל הוא לא רק יקר וגוזל זמן, משמעותו גם ‏שמכונות יקרות יושבות בחוסר מעש.

מהנדסים פונים יותר ויותר למערכות מודולריות שכוללות חיווט עבור אספקת-כוח, תקשורת ובטיחות באותו הכבל, תוך כדי מתן אפשרות לגידול עתידי בדמות עודפי חוטים. חלק‏ עיקרי של גישה זו הוא מערכת המחבר M23‏ הנקראית כך בגלל שקוטר תבריג מצמד הכבל הוא 23 מילימטר (מ"מ). המערכת היא קלה יחסית ‏להרכבה ובדיקה, ומהווה תשתית אספקת-כוח ותקשורת איתנה ואמינה (איור 1‏),

איור 1: ערכת כבל Molex M23 מראה בית שקע של 23 מ"מ עם חלק פנימי נקבי של 8 מגעים. (מקור תמונה: Molex)

מחברי וכבלי M23‏ מתוכננים עבור מתן שירות למניעים החשמליים, מנועי הסרוו והאנקודרים הנפוצים באוטומציה תעשייתית. מערכת ה-M23 כוללת מגוון חלקים פנימיים ובתי מחבר עבור נתונים, תקשורת ושילוב של מתח ונתונים, דבר העושה אותה למתאימה באותה המידה עבור יישומים הכרוכים בהעברת אותות או מתח. ערכות כבל M23‏ יכולות לשאת מתחים של 250, 630 או 800 וולט עם זרמים של 9, 18 או 30 אמפר (A‏).

חיווט M23‏ אינו מפוקח על ידי תקן‏ בינלאומי. עם זאת, יצרנים בדרך כלל עוקבים אחר המלצות הנוגעות לייצור ערכות הכבל שמאפשרות תפעוליות-בינית (Interoperability). ככזו, M23‏ יכולה להחשב למעשה כסטנדרט.

ואריאנט של מערכת ה-M23‏ הוא ה-M12‏, שהוא בעל קוטר תבריג צימוד של 12‏ מ"מ. מאחר וה-M12‏ אינו משמש עבור אספקת-כוח, ערכות הכבל הן קומפקטיות יותר, תוך חיסכון בעלויות ובמקום (איור 2‏).

איור 2: ערכת הכבל M12 משמשת עבור תקשורת ובטיחות בלבד; היא מתאפיינת בגורם צורה קומפקטי יותר מה-M23. (מקור תמונה: Molex)

המפתח להצלחה של ה-M23/M12 הוא הגמישות שלהן. ראשית, מתכננים יכולים להעדיף להרכיב את המערכות המותאמות-במיוחד שלהם על ידי ציון כבלים, מצמדים, שקעים, חלקים פנימיים, בתי מחבר ואפילו הקוטר של פיני החיבור. המצמדים זמינים בתכנים ישרים וזוויתיים והחלקים הפנימיים ניתנים לרכישה עם מספר מרובה של פינים ותבניות. התוצאה היא מגוון רחב של שינויים ניתנים להתאמה, למעשה עבור כל יישום.

לחלופין, המתכנן יכול לבחור ממגוון של מכלולי כבל/מצמד או כבל/שקע המסופקים על ידי מפעל. היתרון בבחירת מוצרים בנויים-מראש הוא חסכון זמן ההרכבה וההבטחה ששלמות הכבל והמחבר כבר נבדקה במפעל. החיסרון הוא המגוון‏ המוגבל יחסית של פתרונות בהשוואה לבנייה מאפס. עם זאת, המגוון הבנוי-מראש הוא עדיין רחב ומכסה אפשרויות מחבר ואורכי כבל עבור מרבית אופציות האוטומציה של מפעל, כולל מכונות מסתובבות, רובוטים של ריתוך או ציוד הרכבה ממוחשב.

הגנה מפני זיהום, רעידות ו-EMC‏

עם מקרים יוצאים מן הכלל מסוימים, כמו ייצור מזון, תרופות ואלקטרוניקת הייטק, סביבת מפעל היא בדרך כלל מלאה ברטיבות, אבק, גריז ומזהמים אחרים שהם האויב של מערכות חשמל. ביישומים אחרים, פתרון הכבל והמחבר עשוי להידרש להיות חסין לתמיסות חומציות ואלקליות המשמשות בזמן ייצור וניקוי, דבר המחייב שיהיה חסין מפני חדירה של כל נוזל, חלקיקים וחומרים אחרים.

הדרישה לחסינות ספציפית מפני מזהמים תשתנה בהתאם לדרישת המפעל. יצרנים מועילים לסווג את המוצרים שלהם בהתאם למערכת הסיווג IP. דרוג ה-IP‏ מציין את רמת ההגנה המסופקת על ידי המוצר ומוגדרת על ידי התקן הבינלאומי EN 60529.

הדרוג כולל שתי ספרות, הראשונה מיצגת את רמת ההגנה מפני אובייקטים מוצקים, החל מכלים או אצבעות שעלולים להיות מסוכנים עם יבואו במגע עם מוליכים חשמליים, עד לכלוך ואבק הנישאים-באוויר ויכולים לגרום נזק למעגלים. הספרה השנייה מגדירה את ההגנה מפני טפטוף, תרסיס או טבילה שונים. התחום משתרע מ-IP00 (אין הגנה מפני אבק או מים) עד IP69‏ (הגנה מלאה מפני אבק וסילוני מים חזקים בטמפרטורה גבוהה).

לא רק מזהמים יכולים לגרום לבעיות במערכות חשמל של מפעל המתוכננות באופן גרוע. מכללי הכבל נתונים גם כן פוטנציאלית למאמצים תרמיים, רעידות וכיפוף מכני (במיוחד אם משמשים ביישום‏ רובוטי בו הכבלים יכולים להיות בתנועה מתמדת). יתר על כן, מפעלים הם בדרך כלל בית למנועים חשמליים גדולים המושכים זרמי אתחול גבוהים, תוך יצירת נחשולי מתח והספק והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏) שיכולים לשבש מערכות תקשורת עדינות.

מכללי כבל M23‏ ו-M12‏ מתוכננים במיוחד להתמודד עם תנאי סביבה של מפעל, והמצמדים שלהם המחוברים על ידי בורג עמידים ברעידות ובעומס מכני. עבור סביבות EMI מאתגרות, יצרני ערכות כבל בדרך כלל מציעים אפשרויות עם סיכוך משולב.

לדוגמה, Molex‏ מציעה מגוון של כבלי כוח חסונים במיוחד בערכות כבל הכוח שלה עם יציקת-על Brad^® 120480 M23. מכללי כבל אלה בנויים עבור סביבות תובעניות עם מאפיינים כגון יציקת-על של מעטה פלסטיק כדי להגן על חיבור הכבל/מחבר וסיכוך EMI אופציונלי. הם זמינים באורכים מסוימים מ-1 מטר (מ') עד 20 מ' וצבעם כתום עבור נראות טובה (איור 3‏).

איור 3‏: ערכות הכבל 120480 M23‏ כוללות יציקת-על (Overmolding) עבור הגנה נוספת ומגוון חלקים פנימיים; מוצגים כאן וריאנטים של שישה ושמונה פינים. (מקור תמונה: Molex)

הכבלים זמינים בגרסאות של 6 או 8 פינים (חוטים). המתח והזרם המקסימליים הם 800 וולט ו-‎18 A‏, עם‏ התנגדות מגע של 3‏ אוהם (Ω‏) והתנגדות‏ בידוד חשמלי של 100 מגה-אוהם (MΩ‏). ערכות הכבל יכולות לעבוד בתחום טמפרטורות של 25°C עד 85‎°C+ ומציעות דרוג הגנה מפני אבק ומים של IP67‏, במצב מחובר.

היתרון ‏של מערכת מודולרית כמו ה-M23‏ הוא בכך שניתן להוסיף ולהתאים במהירות חיווט מפעל עם הגידול של המפעל. המערכת מאפשרת למהנדס להצמיד רשתות חיווט ולחבר את קצות הכבלים ישירות למכונות המצוידות עם שקעי M23‏‏. החיווט לא רק מציע את המתח והזרם הגבוהים הדרושים עבור אוטומציה של מפעל, אלא הוא גם יכול לתמוך במערכות תקשורת של מפעל כגון Ethernet‏, EtherCAT‏, Modbus ו-PROFINET‏ (איור 4‏).

איור 4: חיווט M23‏ מקל על הרחבת הרשת המחווטת של מפעל עם הוספת תאי ייצור חדשים. (מקור תמונה: Molex)

להבטיח בטיחות מפעל

חיבוריות משחקת תפקיד עיקרי במפעל מודרני. בקרה ושדרוג ציוד הם חלק חשוב בתפקיד הרשת,‏ אך בטיחות אוטומציה של מפעל היא חשובה גם כן, במיוחד היכן שאנשים ורובוטים נמצאים בקירבת מקום. הרובוט בדרך כלל כולל חיישנים מרובים לעצירת תנועה אם עובד חודר את מעטפת העבודה, ותא הבטיחות מושלם על ידי שערים משולבים ולוחות גישה. כל המערכות הללו דורשות חיבוריות, והרשת המחווטת יכולה להפוך במהירות למורכבת ומסורבלת אם כל חיישן מקבל שירות מענף של הרשת הראשית של מפעל (איור 5‏).

איור 5‏: תאי עבודה רובוטיים דורשים מערכות בטיחות חיוניות כדי להגן על עובדים אנושיים בסביבות אוטומציה של מפעל. (מקור תמונה: Molex)

במקום זה, מהנדסים מפשטים דברים על ידי שימוש בקופסאות חלוקה של מערכת חברור מרובת יציאות (MPIS‏) המצורפות לרשת הראשית של מפעל. משם, כבלי בקרה M12‏ מחוברים ליציאות של הקופסאות כדי לקשר את מערכות הבטיחות של תאי הייצור. דוגמה אחת היא קופסת החלוקה MPIS בטיחות 1202480510, מדורגת IP67, איתנה, של Molex, שמוסיפה את הניהול של התקני בטיחות המותקנים סביב מכונות (איור 6‏).

איור 6‏: קופסאות חלוקה MPIS‏ בטיחות מפשטות חיווט בטיחות תוך כדי חיסכון במקום ובעלות. (מקור תמונה: Molex)

ה-1202480510‏ כוללת כבל משולב באורך ‏5‏ מטר לחיבור לרשת הראשית של מפעל, ארבע נקודות יציאה M12 של שמונה פינים, וארבע נקודות יציאה M12‏ של ארבעה וחמישה פינים בבית אחד. קופסת החלוקה מאפשרת את ההתקנה של מערכות חיווט I/O סטנדרטיות במקום מוגבל תוך מקסום גמישות תכנון בטיחות. כל יציאה יכולה לטפל בעד 30 וולט DC‏ עם זרם מקסימלי של 4‎ A (זרם כולל של ‎12 A של קופסת החלוקה). קופסת החלוקה מתוכננת לשימוש עם ערכות כבל כגון M12‏ 8-מגעים, 1 מ', 1200652383 מסדרת Micro-Change, וגרסת ה-M12 ארבעה-מגעים, 1 מ', 1200652378 של Molex.

מסקנה

אוטומציה של מפעל דורשת רשתות חיווט אספקת-כוח, תקשורת ובטיחות איתנות, אמינות וניתנות למדרוג. מערכות מודולריות המבוססות על ה-M23 וה-M12, למעשה סטנדרטיות, מפשטות התקנה ראשונית ועומדות בדרישות אלו. ערכות הכבל וקופסאות החלוקה בהן משתמשות מערכות אלו בנויות עם המחשבה על התנאים החמורים שקיימים בסביבת מפעל, עושים אותן חסינות ללכלוך ולרטיבות, ושיהיו מסוגלות להתמודד עם טמפרטורות קיצוניות, רעידות ומאמצים מכניים.