כיצד לתכנן לוחות בקרה תעשייתיים עבור מקום, יעילות ואבטחה

מתכנני לוח בקרה תעשייתי עומדים בפני שלל אתגרים. אלה כוללים מקום ותקציב מוגבלים, סכנות סביבתיות כגון אבדן אספקת-כוח וחשיפה לכימיקלים,‏ וגורמי אנוש כגון שימוש לרע וחבלה. למרות קשיים אלו, מתכננים חייבים לייצר לוח המספק ביטחון, בטיחות, אמינות, ועמידה בתקנים ללא פשרות.

כדי להשיג מטרות אלו, מתכננים זקוקים לפתרונות יצירתיים המפשטים את היצירה וההתקנה של לוח הבקרה והשימוש בו. באופן ספציפי, הם זקוקים לרכיבים שתפורים-במיוחד עבור מקרה השימוש הספציפי שלהם, כמו גם כלי התקנה ותחזוקה המבטיחים עבודה נאותה.

מאמר זה מספק הנחיות לבחירת רכיבים אלה, עם‏ מיקוד על מיטוב עלות ומקום. הוא מכסה מערכות חיווט, מערכות זיהוי, מערכות אבטחה, בקרות גישה וספקי-כוח אל-פסק (UPS). תוך שימוש בדוגמאות מ-Panduit, הוא בוחן את התפקיד ואת קריטריון הבחירה של כל רכיב. מאמר זה גם מסביר כיצד ליישם רכיבים אלו כדי להבטיח אמינות, בטיחות ותאימות עם תקני תעשייה.

תכנון לוח בקרה חסכוני במקום באמצעות בחירת תעלות חיווט

לתכנן לוח בקרה יעיל‏, מהנדסי אוטומציה ובקרה חייבים להתמודד עם מספר גורמים,‏ כגון בידול כבלים, ניהול תרמי, כניסת כבלים, הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏), רדיוס כיפוף כבלים, ומקום להתרחבות עתידית. תעלות חיווט משחקות‏ תפקיד קריטי בתהליך זה, והן יוצרות את ה“שלד” של תכן הלוח הכולל. כשבוחרים‏ תעלת חיווט עבור לוח‏ בקרה תעשייתי,‏ על המתכנן לשקול את הגורמים הבאים:

• תכנון לוח: המידות, סוג הלוח ומפרטים כגון גודל פסי צבירה וקיבולת קירור, כל אלה משפיעים על הסוג והמאפיינים של תעלות החיווט הדרושות.
• גודל: על תעלות החיווט לאפשר מקום מסוים עבור תוספות עתידיות או התאמות. אל להן להיות גדולות כל כך שיתפסו מקום ללא צורך בלוח הבקרה.
• סוג החיווט: חוטים במידות ופונקציות שונות (כגון כבלי אספקת-כוח, בקרה או נתונים) יכולים לדרוש סוגי תעלות שונים או‏ תעלות להתאמה נכונה.
• תנאי סביבה וחומרים: חומרים נפוצים כוללים פוליוויניל כלוריד (PVC) ופלסטיק אקרילוניטריל בוטאדיאן סטירן (ABS), אך תנאים מסוימים כמו טמפרטורות גבוהות, לחות או חומרים מאכלים דורשים תעלות עשויות מחומרים מיוחדים או בעלי מאפייני הגנה מסוימים.
• התקנה ותחזוקה: חייב להיות קל‏ להוסיף או להסיר חוטים, והתעלה חייבת להיות קלה להתקנה בלוח הבקרה.
• תאימות: על התעלה לעמוד בתקני בטיחות ישימים, קודים חשמליים ותקנות מיוחדות לתעשייה.

תקנים ותקנות הם חשובים במיוחד, כיוון ששימוש ב‏תעלת חיווט לא-תואמת יכול לגרום לסכנה בטיחותית או תקלה של לוח הבקרה. כדוגמה לחלק תואם-תקנים, תעלת חיווט מחורצת F1X3LG6 של Panduit העשויה מ-PVC נטולת-עופרת עם דרוג טמפרטורה של עד ‎122°F+‏ (‎50°C+) בשימוש-רציף‏. תעלה זו עומדת בדרוג הדליקות ‎UL 94 של V-0 ועומדת בדרישת NFPA 79-2007 section 13.3.1 עבור חומר מעכב-בעירה.

ה-F1X3LG6‏ גם מתאימה היטב לתכנים חוסכי-מקום. יש לה חריצים צרים המתיישרים עם המרווח של רכיבים בצפיפות גבוהה, והיא כוללת קווי ניקוד המאפשרים יצירת חורים גדולים יותר עבור הסתעפות או ניהול חיווט אחר (איור 1‏). היא זמינה עם מכסים snap-on המספקים גישה מהירה ומאובטחת לחוטים.

איור 1‏: ה-Panduit F1X3LG6 כוללת חריצים צרים במרווחים קרובים עם תכן חריץ מוגבל-כפול עבור חוטי תמך. (מקור תמונה: Panduit‏)

פתרונות ניתוב של חוטים חלופיים עבור לוחות בקרה

כמובן, תעלות אינן מתאימות לכל המצבים. לדוגמה, יתכן שיש לנתב חוטים דרך אזור בו לא ניתן לקדוח לתוך השלדה. בתרחיש זה, ניתן לשקול פתרונות כמו תושבת אזיקון עם גב דביק ABM100-A-C. תושבת ארבעה-כיוונית זו מתוכננת עבור התקנה מהירה כמו גם אמינות ארוכת-טווח.

כמו עם כל מערכות הדבק, יש להקפיד על בחירת הדבק הנכון עבור סביבת היישום (איור 2‏).

איור 2‏: יש לבחור במערכת‏ דבק העומדת בדרישות של סביבת היישום. (מקור תמונה: Panduit‏)

הגנה על חוטים וכבלים של לוח בקרה מפני שחיקה

כשחוטים מנותבים מחוץ לתעלה, יש להקפיד על כך שהם לא יינזקו משחיקה או ממפגעים אחרים. לדוגמה, לוחות בקרה בדרך כלל דורשים ניתוב של‏ חוטים מפנים המארז ללוח הקדמי. יש לעטוף חוטים אלה כדי למנוע נזק. מהנדסי בקרה יכולים לבחור מאופציות הכוללות:

• מעטה ספירלי: הגנה מפני שחיקה למטרה כללית עבור רתמות חוטים וצרורות כבלים. מאפשר ‏התפצלות קלה ובא בצבעים, חומרים וגדלים שונים.
• מעטה רתמה Pan-wrap split: הגנה גמישה וחסינה מפני שחיקה עבור רתמות חוטים וצרורות כבלים. יש לו תבנית‏ חריצים ייחודית וחפיפה גדולה המפחיתות זמן התקנה והוא מתאים לקטרי צרור שונים.
• שרוול קלוע: הגנה רציפה מפני שחיקה עבור חוטים, כבלים, צינורות גמישים וקשיחים. הוא בעל מארג פתוח גמיש שאינו לוכד חום או לחות.
• צינור גלי: פתרון חסכוני עם‏ תכן דופן מוצק המספק הגנה מלאה של צרור כבלים. הוא זמין מחומרים שונים, חלקם עם תכן דופן מחורץ‏ עבור התקנה והסרה קלה.
• מתכווץ בחום: טוב עבור בידוד, הגנה וקידוד צבע של חוטים וכבלים. ניתן גם להשתמש בו עם הדקים ונעלי כבל עבור התקנה נקיה, בטוחה ומאובטחת. הוא זמין מחומרים שונים, בגדלים ובעוביים שונים, חלקם עם בטנה דביקה עבור אטימות ‏למים.

הרבה גורמים משחקים בבחירה של מעטה‏ מתאים (איור 3‏). לדוגמה, אם היישום דורש פתרון קל משקל, גמיש, ויכולת לקבל צורות חריגות, המעטה הספירלי T25F-C הוא בחירה טובה. מעטה חוטים זה‏ מתוכנן עבור נוחות התקנה אך הוא‏ גם עמיד ומדורג לשימוש עד ‎122°F+‏ (‎50°C+).

איור 3‏: סוגים שונים של מעטי חוטים זמינים כדי לעמוד בצרכים שונים. (מקור תמונה: Panduit‏)

שיפור תחזוקתיות ובטיחות של לוח בקרה באמצעות סיומת (termination), ניהול ותיוג כבלים

כדי להבטיח התקנה, שימוש ותחזוקה אפקטיביים של לוח בקרה, מתכננים חייבים לבחור את החומר ושיטת הסיומת (termination) המתאימים של החוטים (איור 4‏).

איור 4: מוצגות דוגמאות של סוגי סיומת (termination) והמאפיינים שלהם. (מקור תמונה: Panduit‏)

הבחירה האופטימלית תלויה במספר גורמים, כולל מספר‏ הסיומות (terminations) הדרושות. לדוגמה, נתק הנקבה המבודד ניילון DNF14-250FIB-C ניתן לתחיבה ולהסרה מהתג הזכרי ללא שימוש בכלים, דבר המוביל לעלות התקנה נמוכה יותר ותחזוקה קלה יותר. מנגד, טבעת ההידוק (Ferrule) חוט יחיד DIN המבודדת קצה-שרוול FSD80-8-KD6 מתוכננת לשימוש עם אפליקטורים אוטומטיים המתאימים יותר לסיומות (terminations) במספר גבוה.

אזיקונים גם כן משחקים תפקיד חשוב בבטיחות ותחזוקה על ידי שמירה על חיווט מאורגן ובטוח. ישנו מגוון רחב של‏ אזיקונים כדי לעמוד בצרכים שונים, כמתואר באיור 5‏. מעבר לתכנון הבסיסי של האזיקון, בחירת חומרים היא שיקול קריטי. לדוגמה, אזיקוני הנעילה PLT1.5M-M עשויים מניילון 6.6‏, וככאלה, מתאימים היטב לשימושי פנים. עבור יישומי חוץ עם סיכונים כמו גשם עם מלח וחומצה, חומר כמו פרופילן יהיה טוב יותר.

איור 5: בחירת‏ חומרים עבור אזיקונים דורשת שיקול זהיר של תחום רחב של גורמי סביבה; אזיקוני הנעילה PLT1.5M-M משתמשים בניילון 6.6‏, והם מתאימים היטב לשימושי פנים. (מקור תמונה: Panduit‏)

שימוש בכלי אזיקונים מתאימים יכול לשפר פרודוקטיביות, להקטין עלויות ולהגדיל בטיחות עובד. לדוגמה, אקדח האזיקונים GTH-E מתוכנן עבור קלות‏ שימוש (איור 6‏). הוא דורש פחות כוח ידית ב-%‏15‏ מכלים דומים, ומנגנון החיתוך שלו של אזיקון מקטין את ההשפעה על יד המשתמש ביותר מ-40%.

איור 6: מוצגים מאפייני המפתח של אקדח האזיקונים GTH-E, שתוכנן עבור קלות שימוש. (מקור תמונה: Panduit‏)

לבסוף, תגים ברורים הם חיוניים עבור שימוש ותחזוקה נכונים של לוח בקרה. בחירת התגים תלויה לא רק בשימוש המיועד, אלא גם בסיכונים הסביבתיים (איור 7‏). אם כבלים יחשפו רק לנוזלים עדינים מבוססי-מים, לדוגמה, פתרון כמו תג הלמינציה-העצמית ויניל העברה תרמית S100X150VATY יעבוד היטב. תגים אלו הם בגודל מיוחד עבור יישומי חוטים וכבלים ומדורגים לשימוש עד 150‎°F+ ‏(‎65°C+).

איור 7: מוצגות דוגמאות של‏ פתרונות תיוג והתאמתם לסיכונים סביבתיים שונים. (מקור תמונה: Panduit‏)

פתרונות כמו מדפסת ההעברה התרמית TDP43ME יכולים לעזור להבטיח תיוג נכון (איור 8‏). מדפסת העברה תרמית זו מאפשרת למפעילים למקם תגים קרוב עד כדי "1/2 (12.7 מילימטר (mm)) מהקצה של מחברים והדקים. המדפסת מציעה זמני מחזור שהם מהירים יותר עד פי שלושה מהתקנה ידנית מסורתית ומהירה פי שניים מפתרונות מתחרים. התכן הארגונומי שלה מפחית עייפות מפעיל וממזער את הסיכון לפציעה מתנועה חוזרת.

איור 8‏: מדפסת ההעברה התרמית TDP43ME באה עם תוכנה ואביזרים עבור תיוג יעיל. (מקור תמונה: Panduit‏)

הארקה ובטיחות ביישומי לוח בקרה

בהתחשב במתח הגבוה הנמצא בלוחות בקרה תעשייתיות, הארקה נכונה היא חיונית עבור בטיחות. לכן, בחירת פס הארקה‏ היא בחירת תכנון קריטית — כזו שיכולה להשפיע לא רק על הבטיחות אלא גם על העלות-תועלת והתחזוקתיות של לוח בקרה.

פס ההארקה האוניברסלי UGB2/0-414-6 מדגים נקודה זו. הוא חלק מה-‏StructuredGround™ Universal Ground Bar System‏ (UGB) מוגנת הפטנט של Panduit, שהיא תואמת עם כל סוגי השיטות של סיומת (termination) חוט ויותר מ-140‏ מחברים. גמישות זו מפשטת במידה ניכרת תכנון ותחזוקה. יתר על כן, קיימות שתי אפשרויות של הרכבת מרווח, שמקנות שטח חיווט נוסף באזורים צפופים.

בטיחות ופרודוקטיביות הן לפעמים מנוגדות. לדוגמה, תקנות מכתיבות בדיקה לאישור העדר‏ מתח לפני מתן שירות לציוד חשמלי. זה יכול להיות תהליך גוזל זמן בעזרת מכשירים נישאים-ביד. מכשיר הבדיקה להעדר מתח VS-AVT-C02-L03 VeriSafe מפשט עניינים על ידי הפיכת הפרוצדורה לאוטומטית. לאחר התקנת התקן זה בלוח הקדמי, לחיצה יחידה על לחצן מאפשרת לעובדים לוודא העדר מתח‏ (איור 9‏).

איור 9‏: בדיקה אוטומטית תוך שימוש במכשירים כמו מכשיר הבדיקה להעדר מתח VS-AVT-C02-L03 VeriSafe איננה רק מהירה יותר אלא גם בטוחה יותר. (מקור תמונה: Panduit‏)

שמירה על רשת אמינה ומניעת חבלה בפתרונות Ethernet תעשייתיים ו-UPS

רשתות נתונים הן היום חלק ממרבית תכני לוח הבקרה. כדי למנוע פריצות אבטחה וזמני השבתה, בין אם עקב חבלה או שימוש לרעה,‏ חשוב להבטיח שכבלי רשתות נשארים במקום. לשם כך נוצרו התקני החסימה של מודול שקע PSL-DCJB RJ45. התקנים אלה מחוברים ליציאות Ethernet‏ פנויות, ומאפשרים גישה לעובדים מורשים בלבד שיכולים להסיר את התקעים בעזרת מכשיר מיוחד. ולהפך, התקני נעילה מונעים הסרה של כבלי רשת מיציאות Ethernet פעילות.

במקרים מסוימים, יציאת‏ Ethernet‏ חייבת להיות נגישה מחוץ ללוח הבקרה. כאן, פתרונות כמו מודול המצמד IAEBHC6 IndustrialNet Cat 6 UTP bulkhead RJ45‏ עם‏ מכסה מגן משחקים תפקיד‏ יקר-ערך . ה-Bulkhead מספק איטום מדורג‏ IP67‏ המעניק הגנה מפני אבק וטבילה זמנית במים, דבר ההופך אותו למתאים עבור תאי עבודה הדורשים שטיפה.

עבור התקנים המוזנים באמצעות רשת, תקעי ה-Ethernet דורשים תכונות מיוחדות. לדוגמה, תקע RJ45 הניתן לחיבור סיומת בשדה FPS6X88MTG IndustrialNet, Category 6A,‏ מסוכך, מתוכנן עבור אספקת-כוח-על-Ethernet ‏(PoE) ויישומים דומים, לפי IEEE 802.3af/802.3at‏ (PoE+/PoE). בין תכונות אחרות, תקע זה עולה על דרישות ביצועים ANSI/TIA 568-C.2 Category 6A ו-ISO 11801 Class EA Channel, ונצמד לתקני ANSI/TIA-1096-A‏ (לשעבר FCC Part 68),‏ IEC 60603-7 ו-IEC 60529‏ (IP20‏).

ללא תלות במקור הכוח,‏ לוחות בקרה רבים דורשים ספק-כוח אל-פסק (UPS) כדי לשמור על פונקציונליות בנוכחות הפסקות חשמל. כשבוחרים ספק-כוח‏ אל-פסק עבור לוח בקרה, על מהנדסי בקרה לשקול:

• קיבולת הספק: על היציאה להיות גדולה יותר מצריכת ההספק של לוח הבקרה.
• תחזוקה: ניהול מרחוק מאפשר ניטור ובקרה של‏ פרמטרים עיקריים, תוך חיסכון בעלות ובזמן.
• הרכבה: אפשרויות כמו הרכבה על מסילת DIN‏ מקלות על אינטגרציה בלוחות בקרה.
• בטיחות ותאימות: על ה-UPS לעמוד לפחות בתקנים רלוונטיים כגון UL508.

ה-UPS עבור רשת תעשייתית UPS00100DC מדגים מספר דרכים‏ להתקדם מעבר ליסודות אלה. הוא משתמש באולטרה-קבלים במקום סוללות, מקטין את הסיכון של‏ זמן השבתה ומונע הצטברות פוטנציאלית של גז מימן. התכן ללא-סוללות הוא ללא-תחזוקה, מספק ROI טוב יותר 2X‏ ועלות נמוכה יותר ב-50 עד 70% מ-UPS מבוסס סוללות.

סיכום

תכנון לוחות בקרה תעשייתיים הוא תהליך תובעני ומורכב הדורש איזון בין מקום, ביטחון, בטיחות ואמינות. כדי להשיג תוצאות מיטביות, מתכננים חייבים להשתמש בפתרונות לוח בקרה היכולים לעזור להם לארגן, לחווט ולתייג את הלוחות שלהם, כמו גם להגן עליהם מפני סכנות חיצוניות ופנימיות. פתרונות אלו יש לתפור לפי הדרישות הספציפיות של יישומי לוח בקרה תעשייתי וחייבים לבוא עם כלי התקנה ותחזוקה המבטיחים עבודה נאותה. על ידי שימוש בפתרונות לוח בקרה העומדים בקריטריונים אלה, מתכננים יכולים לבנות לוחות שהם יעילים, בטוחים, בטיחותיים ותואמים.