השתמשו במערכות תעשייתיות אמינות ושמרו על בטיחות המפעילים באמצעות החיבורים והחיישנים הנכונים

ככל שמתקנים תעשייתיים ממשיכים למנף את האינטרנט של דברים התעשייתי (IIoT) כדי להשיג רמות הולכות וגדלות של אוטומציה, ניתוח פרדיקטיבי ובטיחות, חיבורים אמינים בין התקנים ומערכות הופכים יותר ויותר קריטיים. עם זאת, יישומים מסוימים עלולים להיות לא-סלחניים ביותר. גם הכבלים וגם המפעילים האנושיים הסמוכים יכולים להיחשף לטמפרטורות קיצוניות של חם וקור תוך שהם נחשפים גם לכימיקלים ולגזים קורוזיביים.

בנוסף, נוכחותם של גזים קורוזיביים כגון מימן גופרתי המשתחרר על ידי סוגי ציוד מסוימים היא לא רק מזיקה למפעילים אנושיים, אלא שבמגע עם רטיבות על הכבליפ גזים אלה יוצרים תוצרי לוואי מסוכנים כמו חומצה גופרתית. חומרים אלו עלולים לפגוע במעטי הכבלים ולהשאיר את הסיכוך והמוליכים חשופים, המוביל לעיתים לקצר במעגלים ולתקלות מערכת.

מאמר זה ידון באתגרי הכבלים בסביבות קשות. לאחר מכן הוא יראה כיצד מתכנני מערכות תעשייתיות יכולים להבטיח חיבורים אמינים ואת בטיחות המפעילים על ידי בחירת כבלי חיישנים בדירוג תעשייתי באמצעות דוגמאות מהעולם האמיתי מבית Molex. המאמר ידון גם בדוגמה מעשית לאיתור גז מימן גופרתי מסוכן לפני שהוא גורם נזק חמור לציוד או לאנשים.

כבלים בסביבות תעשייתיות קשות ביותר

מערכות אוטומציה תעשייתיות מסתמכות על חיישנים כדי לזהות את סטטוס התהליכים והמערכות במפעל. סוגי החיישנים המשמשים הם שונים ויכולים לכלול תרמיסטורי טמפרטורה, מתמרי לחץ, חיישני רמה, גלאי תאורה ומתגי קירבה. נתוני חיישנים מדויקים נחוצים על מנת שהמחשב הראשי יחליט כראוי כיצד ומתי לבקר את המפעילים (Actuators‏) עבור מנועים, מסועים, אורות, מדידת נוזלים והתקנים דומים. נתוני חיישנים שגויים עלולים לגרום לבקרת המפעילים בזמן הלא-נכון או עם הפרמטרים הלא-נכונים. התוצאות יכולות להיות החל מתפעול לא-יעיל עם עלייה בהתאם בעלויות התפעול ועד לתקלה במערכת העלולה להוביל להשבתה יקרה. הבחירה והשימוש הנכונים בכבלים החשופים לסביבות קשות יכולים לשפר את מהימנות נתוני החיישנים ואת אותות בקרת המפעילים. בחירה לא-נכונה של כבלים יכולה לגרום לתקלות לסירוגין בחיבורים, תקלות הידועות לשמצה בקושי הרב לפתור אותן והגורמות להשבתה יקרה. כבלים שנבחרו שלא כראוי עלולים בסופו של דבר להוביל לדגרדציה של האותות או לאיבוד האותות לגמרי.

כבלים מיצרן המציין הרשאה לכבל בדירוג תעשייתי של IP67 או IP68 יכולים להתגבר על בעיות רבות כאלו. שימו לב שרק מכיוון שכבל מתויג כ- IP67 או IP68 אין פירושו שהכבל הוא בדירוג תעשייתי - קוד ה- IP מאשר רק שהכבל עמיד בפני חומרים חלקיקיים נפוצים וחסין למים. ככאלה, כבלים נפוצים בדירוג לצרכנים עשויים להיות מורשים ל- IP68 ועשויים להיראות עמידים, אך יתכן ואין להם הגנת טמפרטורה קיצונית, חסינות הן לממיסים נפוצים והן לנוזלים קורוזיביים, או חסינות מפני פיתול ושחיקה המגיעים עם כבלים חסונים בדירוג תעשייתי.

החיבורים לחיישני USB ומפעילים בסביבות תעשייתיות

בעוד שחיישנים ומפעילים מסוגים רבים ושונים משתמשים באפשרויות ממשק שונות, שיטה בטוחה ונפוצה היא להשתמש ב- USB כממשק. מתקנים מודרניים מנצלים את יכולות ה- USB 3.0 בגלל מהירותו הגבוהה, הספקת הכוח שלו ואמינות המשופרת. חברת Molex מספקת את כבל USB 3.0‏ התעשייתי 0847330005‏ (איור 1). כבל זה הוא באורך 1.31 מטר, עם שקע USB 3.0 Type A‏ אטום בקצה אחד ותקע USB 3.0 Type A‏ בקצה השני. מכלל הכבל כולו הוא בדירוג IP67. הוא תומך בקצב נתונים של 5 גיגה-ביט לשניה (Gbits/s) ותואם לאחור עם תקעים ושקעים USB 2.0. הכבל הוא בדירוג 40°C- עד 85°C+ ומתאים עבור מרבית הסביבות התעשייתיות הקשות.

איור 1: כבל USB 3.0‏ 0847330005 מבית Molex כולל שקע USB 3.0 Type A‏ עגול בקצה אחד ותקע USB 3.0 Type A‏ סטנדרטי בקצה השני. זהו כבל בדירוג תעשייתי המתאים עבור סביבות קשות. (מקור התמונה: Molex)

כבל USB 3.0‏ 0847330005‏ מבית Molex מדורג עבור טיפול בטוח בזרם מקסימלי של 1 אמפר (A‏) בכל מגע. הוא מסוכך במלואו מפני הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), כך שהעברת נתונים ‎5 Gbit/s USB 3.0 לא תפריע לציוד אלקטרוני אחר.

תקע USB 3.0 Type A‏ יכול להתחבר למחשב תעשייתי או למערכת משובצת שלהם שקע USB 3.0‏ סטנדרטי הנפוץ במרבית המחשבים האישיים (PC‏). הקצה השני של הכבל עם שקע עגול USB 3.0 Type A‏ מתחבר לציוד חיישנים שלו ממשק USB. לאום הנעילה על מחבר השקע העגול יש מנגנון נעילה בסיבוב קל-לשימוש היכול לעמוד במומנט של 20 פאונד-אינץ' (lb-in‏). זה מספק חיבור איתן לציוד חיישנים שלא יתפרק שלא-בכוונה. כל מחבר מדורג ל- 500 מחזורי חיבור וניתוק, המתאים עבור ציוד תעשייתי שיש לשנות את התצורה שלו מעת לעת.

האטם הססטי על מחבר השקע העגול עשוי ניטריל שחור המעניק חסינות מצוינת מפני מים ושמנים תעשייתיים. אטמי ניטריל חסינים גם מפני בנזין, נוזלים הידראוליים וממיסים נפוצים. זה הופך את הכבל למצוין עבור חיבור לחיישנים המשמשים במכונות המונעות בבנזין. זליגת-יתר או תאונות עם ממיסים או נוזלים אחרים המוצאים את דרכם למחבר לא יחדרו לאטום ולא יפריעו להעברת הנתונים.

אור שמש ואור אולטרה-סגול (UV) עלולים לגרום לשינוי הצבע של מעטי הכבלים, דבר שעלול להיות לא נוח כאשר הכבלים מקודדים בצבעים כדי להקל על התחזוקה. אור שמש יכול גם כן לגרום למעטי כבלים מסחריים להיסדק, ולחשוף את סיכוך ה- EMI לאלמנטים. מעטה כבלי USB 3.0‏ מבית Molex עשוי משרף PVC‏ עמיד שלו חסינות מצוינת לאור שמש ולקרני UV. שרף PVC עמיד גם בפני מים אשר לאורך זמן יכולים לגרום לקצר בכבלים מסחריים העשויים מחומרים בדירוג-צרכנים.

החיבורים למפעילים (Actuators‏) מכניים ולסולנואידים

מחברי שסתומי DIN משמשים להפעלת סולנואידים המשמשים לבקרת מפעילים כגון שסתומים, מתגי לחץ, מתגי גבול ומנועי אנרגיה נמוכה. עבור חיבורים יציבים למפעילי שסתומי DIN בסביבות תעשייתיות, חברת Molex מספקת את מחבר שסתומי DIN‏ 2210503466‏ וכבל של 5 מטר (איור 2). הכבל מסתיים עם Pigtail‏ תלת-חוטי לחיבור למתח מפעיל של עד 24 וולט. מכלל הכבלים הוא בדירוג של 40°C- עד 90°C+ ההופך אותו למתאים לא רק עבור סביבות קרות אלא גם עבור מנועים וציוד המתחממים מאד.

מחבר שסתום DIN‏ מבית Molex מספק אטם IP67 צמוד ומאובטח מעל שסתום DIN‏, וכאשר הוא מופעל הוא מאפשר או משבית את השסתום בהתאם לסוג שסתום DIN‏ המבוקר. המחבר מאובטח באמצעות בורג כדי לספק הגנה מקסימלית מפני הסרה שלא במתכוון. דיודה פולטת אור (LED) צהוב על מחבר DIN מעניקה חיווי ויזואלי לכך ששסתום DIN הופעל.

איור 2: ל- 2210503466 מבית Molex יש מחבר שסתום DIN בקצה אחד ו- Pigtail‏ תלת-חוטי בקצה השני. נורת LED‏ צהוב מציינת למפעיל שהשסתום הופעל. (מקור התמונה: Molex)

למחבר וכבל שסתום DIN‏ 2210503466‏ מבית Molex יש מעטה פוליאוריתן שהוא חסין מפני מרבית הכימיקלים הקשים, והוא גם חסין מנזק עקב פיתול וכיפוף. מעטי כבלים מפוליאוריתן הם גם חסינים ביותר מפני כוחות חיתוך ומעיכה. כבל שסתום DIN פגום יכול לגרום לניתוק לסירוגין של ציוד שסתומי DIN או לתקלה מוחלטת בציוד. זה הופך את הכבל למתאים עבור מפעילים הנמצאים במכונות כבדות בתנועה, שם ניתן להאריך ולכווץ את הכבל במהירות, וכן גם כאשר תקלה או תצורה שגויה במכונה עלולים לגרום למעיכת הכבל.

כעניין של פרקטיקה בטוחה, לא מומלץ שהכבל יהיה כה קצר עד שהארכת הכבל בזמן פעולה רגילה מפעילה מאמץ בכל אחד מהקצוות של חיבור הכבל. זה דורש שהכבל יהיה ארוך דיו כדי למנוע משיכה בכל אחד מקצוות הכבל; עם זאת, ככל שהכבל ארוך יותר, כך גדל הסיכוי שהכבל יתפס בטעות או יימעך. ביישומים אלה מעטה פוליאוריתן הוא פיתרון מתאים ויעיל.

הגנה מפני חומרים קורוזיביים

מנועי בנזין ומספר תהליכים תעשייתיים כימיים עלולים לפלוט גז מימן גופרתי מסוכן. המתקנים התעשייתיים אמנם מתוכננים כך שהגזים הללו יטופלו בצורה בטוחה, אך כל מי שנוהג ברכב המונע בבנזין יודע כי סעפות פליטה יכולות לדלוף; בנוסף, לפעמים מישהו במפעל עלול לשכוח לסגור שסתום. גז מימן גופרתי הוא רעיל ביותר למפעילים אנושיים גם בכמויות קטנות. אף על פי שלעתים ניתן לזהות אותו כריח של ביצים רקובות, מימן גופרתי כבד יותר מאוויר ויכול להתפשט במהירות מבלי להתגלות על רצפת מתחם תעשייתי גדול הרחק מנקודת מוצאו.

אם מימן גופרתי בא במגע עם מים הוא יוצר חומצה גופרתית קורוזיבית היכולה לפגוע בציוד נחושת, ברזל ואלומיניום במהירות רבה. במגע עם כבל רטוב, חומצה גופרתית יכולה לאכל במהירות את רוב סוגי בידוד הכבלים כגון פוליאוריתן. בעוד שמעטי כבלים משרף PVC חסינים יותר מפני חומצה מאשר פוליאוריתן בטמפרטורת החדר, בטמפרטורות קיצוניות חומצה גופרתית חמה וקרה יכולה לאכל במהירות מעטי כבלים מ- PVC. ללא קשר לדפי המפרט של החומרים, מימן גופרתי וחומצה גופרתית חייבים להיחשב כמסוכנים לכל חומר שאינו סעפות פליטה וציוד אחר שתוכנן במיוחד להכיל חומרים מסוכנים אלה.

כדי לשמור על בטיחות כבלים, ציוד ומפעילים אנושיים, חברת Molex Sensorcon‏ מספקת את אנאלייזר גז מימן גופרתי 2023150001‏ (איור 3). זהו התקן נישא-ביד עם צג LCD המסוגל לגלות ולהציג ריכוזי גז מימן גופרתי ברזולוציה הנמוכה עד כדי חלק אחד למיליון (ppm‏) וגבוהה עד כדי ppm‏ 400‏.

איור 3‏: ה- 2023150001‏ מבית Molex Sensorcon‏ הוא גלאי גז מימן גופרתי נישא-ביד המסוגל לגלות גז מימן גופרתי מ- ppm‏ 1‏ עד ppm‏ 400‏. (מקור התמונה: Molex)

גלאי גז מימן גופרתי 2023150001 מבית Molex Sensorcon‏ הוא בדירוג IP67 ויכול להשמיע שתי התרעות שונות בנקודות התרעה מוגדרות של גבוה ונמוך. נקודת הגדרת ההתרעה הנמוכה המוגדרת-במפעל היא ppm‏ 10‏ אך ניתן להגדירה ידנית עד כדי ppm‏ 1‏. נקודת הגדרת ההתרעה הגבוהה המוגדרת-במפעל היא ppm‏ 15‏ אך ניתן להגדירה ידנית עד ppm‏ 100‏ או גבוהה יותר. ביחד עם התרעות אלה, היחידה הנישאת-ביד יכולה גם לרטוט בזמן התרעה, מאפיין שימושי בסביבות תעשייתיות רועשות.

הגלאי מתאים עבור גילוי ריכוזים קטנים של גז מימן גופרתי בסמוך לרצפה ובמיוחד בבורות רצפת מכונות שבהן גזים כבדים מהאוויר עלולים להצטבר. זה שימושי עבור גילוי מימן גופרתי כאשר ריח של ביצים רקובות לא הגיע לגובה מספיק כדי להתגלות על ידי האף של מפעילים אנושיים.

מנועים ורוב התהליכים התעשייתיים המייצרים גז מימן גופרתי פולטים גם פחמן חד-חמצני, שהוא חסר ריח ועלול להיות רעיל לבני אדם, אפילו בכמויות קטנות. חברת Molex Sensorcon מציעה את גלאי גז פחמן חד-חמצני 2023100001‏, שלנו מבנה פיזי זהה לזה של גלאי מימן גופרתי. הנוכחות של פחמן חד-חמצני אינה רק סכנה למפעילים אנושיים, אלא יכולה גם להצביע על נוכחות של מימן גופרתי שלא התגלה. שתי היחידות הן שימושיות במתקן אוטומציה תעשייתית לשמירה על בטיחות מפעילים אנושיים וציוד.

סיכום

מתקני אוטומציה תעשייתיים יכולים להיות לא-סלחניים במכללי הכבלים, במיוחד בקיצוניות של חום וקור ובמקום בו גזים ונוזלים מסוכנים וקורוזיביים עלולים להיות נוכחים. מכללי כבלי חיישנים בדירוג תעשייתי מבטיחים שלמחשבים יהיו נתוני חיישנים מדויקים כך שניתן יהיה לבקר את המערכות התעשייתיות באופן תקין ויעיל, בעוד שכבלים בדירוג תעשייתי עבור מפעילים (Actuators‏) מבטיחים שהפעולות מבוקרות כראוי ובאמינות. כל זה מוריד את עלויות התפעול על ידי שיפור האמינות והפחתת התחזוקה.