Кризата с гъстотата на окабеляването в съвременните индустриални контролни панели

Ако сте прекарали известно време в шкаф с програмируем логически контролер (PLC) със среден размер, построен преди повече от пет години, познавате добре проблема с гъстотата на окабеляването. Шкафът е пълен - абсолютно пълен - с отделни проводници, повечето от които пренасят идентични 24V DC сигнали от една и съща захранваща шина. Всяка входна карта получава свой собствен проводник от реда на клемните блокове. Всеки изходен канал има обратен път, който отразява сложността на входа. Резултатът е кабелен сноп, който е скъп за производство, изключително труден за отстраняване на неизправности и почти невъзможен за модифициране, без да се въведат нови грешки.

Лично съм бил свидетел на 400-амперов контролен панел на двигателя, където оригиналното окабеляване отне на двама техници близо осем часа, за да диагностицират повреда в един входен канал, която в крайна сметка се оказа разхлабен винт на клемния блок. Тази диагностична одисея би отнела по-малко от 30 минути в добре проектиран PLC разпределителен панел, използващ триетажни клемни блокове с висока плътност и архитектура на кръстосано свързване.

Това не е хипотетичен проблем. В съвременните среди за индустриална автоматизация, плътността на PLC I/O каналите се е увеличила драстично, тъй като системите за управление са станали по-сложни. Един единствен... S7-1500 PLC от Siemens може да адресира до 8192 отделни входно/изходни точки в множество стелажи, като всяка от тези точки изисква кабелно завършване както на входно/изходния модул на PLC, така и на полевото завършване. Когато това се умножи дори върху скромна инсталация – да речем, 256 входно/изходни точки – предизвикателството за управление на окабеляването става наистина екзистенциално както за производителя на табла, така и за техника по поддръжката.

Електроника Ningbo J-Guang е проектирал и произвеждал клемни блокове с висока плътност конкретно за PLC разпределителни приложения от 2008 г. насам и съм прекарал значително време в пряка работа с интегратори на системи за управление и производители на табла в целияЕвропа, Северна Америка и Югоизточна Азия където конвенционалните клемни блокове повреда и как многоетажната архитектура на подреждане решава тези повреди. Тази статия е обобщение на наученото от мен за това защо триетажните клемни блокове с дизайн на кръстосано свързване представляват най-съвременните технологии за разпределително окабеляване на PLC, какви технически спецификации всъщност са важни и как да изберете правилния продукт за вашата специфична инсталационна среда.

Разбиране на архитектурата на тройно подреждане

Основното ограничение на конвенционалните едностепенни клемни блокове в PLC разпределителните приложения е пространствената неефективност. Стандартен едностепенен DIN41616 илиIEC 60947-7-1 Съвместимият клемен блок заема една модулна ширина (обикновено 6,2 мм или 12 мм в зависимост от номиналния ток) и осигурява едно ниво на вход за проводници. Когато трябва да разпределите 24V DC към дванадесет отделни входни канала на PLC от обща захранваща шина, са ви необходими дванадесет отделни позиции за клемен блок, което означава дванадесет модулни ширини на пространството на DIN шината.

Тройните клемни блокове решават тази пространствена неефективност чрез подреждане на три независими нива за завършване на проводници в рамките на една модулна ширина. Архитектурата използва обща токова шина, която преминава през всичките три нива, но всяко ниво е електрически изолирано от изолационна преграда и всяко ниво има своя собствена независима точка за вход на проводника. Резултатът е, че можете да завършите три отделни проводни вериги – всяка със собствен вход и изход – в рамките на един и същ отпечатък на DIN шина, който би изисквал едноетажен клемен блок.

Тъй като трите палуби споделят обща токова шина, но имат изолирани точки на контактТройната конфигурация е идеална за PLC разпределение, където имате обща захранваща или сигнална шина, която се разклонява към множество дестинации. Общата шина се свързва към горния панел, а трите независими изходни вериги се разклоняват от средния и долния панел. В сценарий за 24V DC PLC входно разпределение, това означава, че един троен клемен блок може да обслужва три входни канала от едно общо захранване – намалявайки необходимата дължина на DIN шината с две трети.

Практическото въздействие върху икономическата ефективност на изграждането на панели е значително. В типичен PLC панел с 256 входа/изхода, преходът от едноетажни към триетажни клемни блокове за разпределение на захранването може да намали общия брой на клемните блокове с 60–80 позиции, което се изразява директно в намалена дължина на DIN релсата, намален размер на корпуса на панела (и цена) и намален обем на проводниците. Работили сме с производители на панели, които са намалили средното време за изграждане на панели с 4–6 часа на панел, след като са преминали към триетажна архитектура за PLC разпределителни секции.

Дизайн с кръстосано свързване: Разпределение на сигнали без хаос в проводниците

Тройната архитектура е само половината от решението за разпределение на PLC с висока плътност. Втората половина е дизайнът на кръстосаното свързване – системата от вътрешни шини и външни джъмперни шини, които позволяват множество клемни нива да бъдат електрически свързани помежду си по контролиран и обратим начин. Тук наистина става видима инженерната сложност на производителя на клемни блокове.

В контекста на PLC разпределението, кръстосаното свързване се отнася до възможността за електрическо свързване на множество клемни позиции по протежение на DIN шина, така че общ сигнал (като 24V DC или 0V) да се разпределя през много клемни нива, без да се прокарват отделни проводници между всяка позиция. Това е аналогично на начина, по който макетна платка в прототипирането на електроника разпределя захранващите шини между множество позиции на компоненти, но с механичната здравина и електрическата сертификация, необходими за индустриални контролни среди.

Има две основни архитектури на кръстосано свързване, използвани в проектирането на клемни блокове с висока плътност за PLC приложения:

Вътрешно кръстосано свързване на шината. Плътна медна или месингова шина преминава вътрешно през корпуса на клемния блок, свързвайки множество точки на свързване в едно устройство. Това е механизмът, който позволява архитектурата на споделените токови шини на тройната конструкция. Вътрешната шина трябва да бъде точно оразмерена, за да понася номиналния ток без прекомерно повишаване на температурата – обикновено се изисква площ на напречното сечение от поне 4 mm² за клемен блок с номинален ток 30A и три позиции на панела. Качеството на завършването на вътрешната шина към контактната пружина е от решаващо значение: хлабава или високосъпротивителна вътрешна връзка ще създаде локализирано нагряване, което с течение на времето влошава контактната повърхност, което в крайна сметка ще доведе до повреда.

Външно кръстосано свързване на джъмперна шина. Външни джъмперни шини (наричани още разпределителни блокове или захранващи мостове), монтирани от производителя или от производителя, се включват в горната част на съседни клемни блокове, за да създадат обща шина между множество устройства. Тази архитектура е по-гъвкава от вътрешното кръстосано свързване, защото можете да преконфигурирате кои клемни блокове са свързани към коя шина, без да разглобявате вътрешната архитектура. В приложенията за разпределение на PLC, външните джъмперни шини обикновено се използват за създаване на паралелни шини за разпределение на захранването за входни групи на PLC. Джъмперните шини са оценени за същия ток като самия клемен блок, а контактната им сила към токовата шина на клемния блок се поддържа от пружинен механизъм или винтова скоба.

В Дж-Гуанг, нашите триетажни клемни блокове Използвайте комбинация от вътрешни шини за вътрешноустройствено подреждане и външни джъмперни шини за междуустройствено разпределение. Тази двойна архитектура дава на производителите на табла максимална гъвкавост при конфигурирането на мрежи за разпределение на сигнала и позволява модификация на място без пренареждане – защото можете да изключите конкретен сегмент от джъмперната шина, без да нарушавате останалата част от разпределителната мрежа.

Номинални напрежения и токове: Какво IEC 60947-7-1 Всъщност изисква

Един от най-често срещаните неразбираеми аспекти при избора на клемни блокове за PLC разпределение е системата за номинално напрежение. Клемните блокове имат както номинално напрежение, така и номинален ток, като и двете спецификации се регулират от международни стандарти, но те не са взаимозаменяеми и объркването им е един от най-често срещаните източници на грешки в спецификациите, с които се сблъсквам в тази област.

Приложимият стандарт за модулни клемни блокове, използвани в промишлено контролно оборудване, е IEC 60947-7-1 (Нисковолтови комутационни апарати - Част 7-1: Спомагателно оборудване - Клемни блокове за медни проводници). Този стандарт определя изискванията за механични, електрически и екологични изпитвания, които трябва да премине един клемен блок, за да получи рейтинг. Ключовите спецификации по този стандарт включват:

Номинално напрежение. Максималното напрежение, което клемният блок може да поддържа между съседни вериги или между верига и монтажната шина (ако е приложимо). За приложения за разпределение на PLC, използващи 24V DC сигнали, това рядко е ограничение, но за управление на трифазен двигател или разпределение на 480V AC, номиналното напрежение става критично. Винаги проверявайте дали номиналното напрежение на клемния блок отговаря или надвишава максималното системно напрежение, а не само номиналното напрежение. За индустриални PLC среди със смесени нива на напрежение (включително 480V AC захранващи устройства за двигатели), препоръчваме да изберете клемни блокове, номинално оценени доминимум 630V променлив ток да се осигури адекватен марж на безопасност.

Номинален ток. Максималният непрекъснат ток, който може да се пренесе през клемния блок, без да се превишава допустимото повишаване на температурата. Границата на повишаване на температурата под IEC 60947-7-1 е 45°C над околната температура при номинален ток, измерен на края на проводника. Това е важно, защото номиналният ток предполага специфично сечение на проводника (обикновено 2,5 mm² за клемен блок 20A) и специфична температура на околната среда. Ако използвате проводник с по-малко сечение от предполагаемото в номиналния размер, действителната токова преносимост ще бъде по-ниска от номиналната стойност поради увеличеното нагряване I²R в проводника с по-малък размер.

Номинално импулсно напрежение. Максималният импулс (пренапрежение), който клемният блок може да издържи без повреда. За PLC входове в индустриални среди с двигателни натоварвания, импулсите на напрежение от индуктивно превключване могат да достигнат 2,5–4 kV дори при 24V DC вериги. Номиналното импулсно напрежение е посочено на2,5 kV, 4 kV, 6 kV или 8 kV в зависимост от категорията на оборудването (категория на пренапрежение I, II, III или IV). За PLC шкафове, които включват честотни регулатори (VFD), е разумно да се изберат клемни блокове, номинално поне 4 kV импулсно напрежение.

Степен на замърсяване. IEC 60947-7-1 изисква клемните блокове да бъдат оценени за специфична степен на замърсяване (1, 2 или 3), която описва условията на околната среда, при които оборудването ще работи. Степен на замърсяване 3 се прилага в промишлени контролни шкафове, където може да се очаква проводимо замърсяване (като прах и конденз). Винаги посочвайте степен на замърсяване 3 за приложения в промишлени PLC шкафове и проверете дали пътят на уплътнение и клирънсът на клемния блок са посочени съответно.

Методи за завършване на проводници: Винтова скоба срещу пружинна клетка срещу изместване на изолацията

Методът на терминиране на проводника е механизмът, чрез който проводникът осъществява електрически контакт с токовата шина на клемния блок. За приложения на PLC разпределение, трите доминиращи технологии за терминиране имат различни предимства:

Винтово закрепване. Най-утвърдената технология, използваща винт за прилагане на натиск върху затягаща плоча, която закрепва проводника към токовата шина. Винтовите скоби осигуряват отлична надеждност на контакта и са широко приети в индустриалните стандарти по целия свят. Те обаче изискват отвертка или шестостенен ключ за монтаж (което добавя време към сглобяването на панела) и са податливи на влошаване на контакта, ако винтът се разхлаби при вибрации - известен режим на повреда в промишлени контролни панели с тежки снопове проводници или вибриращо оборудване. Ние определяме винтовите скоби за приложения, където до клемите ще се осъществява чест достъп за поддръжка или където окабеляването на място се извършва от персонал, който предпочита тактилна обратна връзка.

Пружинно завършване на клетката. Пружинен механизъм прилага постоянна сила на затягане към проводника, елиминирайки нуждата от винт и позволявайки поставяне на проводника без инструменти. Пружинните клемни накрайници се свързват по-бързо в производствени среди и са по своята същност устойчиви на вибрации, тъй като пружината поддържа постоянна контактна сила, независимо от вибрациите. Пружинните клемни накрайници обаче обикновено имат малко по-високо контактно съпротивление от винтовите скоби и може да не са приемливи в някои по-стари индустриални стандарти, които предшестват технологията на пружинните клемни накрайници. Препоръчваме пружинни клемни накрайници за среди с високи вибрации, като помпени станции, компресорни корпуси и контролни панели за ОВК.

Терминал с изместване на изолацията (IDC). Контакт тип острие, който пронизва изолацията на проводника и осъществява контакт с него, когато проводникът се вкара в слота за завършване. IDC завършващите елементи са изключително бързи (не се изисква оголване) и осигуряват отлична устойчивост на вибрации, но са подходящи само за плътни или фино усукани проводници в рамките на определен диапазон от размери. Те не са подходящи за едроусукани проводници. За PLC разпределителни кабели, използващи предварително нарязани плътни проводници в производствени среди, IDC завършващите елементи могат да намалят времето за завършване с 40–60% в сравнение с методите с винтови скоби. Ние определяме IDC завършващите елементи за производители на OEM панели, които завършват големи обеми стандартизирани проводници.

Материали за корпуса: PA6.6 спрямо PPE/PPO и последици за производителността

Материалът на корпуса на клемния блок определя неговите термични характеристики, огнеустойчивост и химическа устойчивост – всички критични фактори в средата на PLC шкафове, където компоненти, генериращи топлина, като захранвания на PLC и задвижващи модули, създават повишени температури на околната среда. Двата доминиращи материала за корпуси на индустриални клемни блокове са полиамид 6.6 (PA 6.6) и модифициран полифениленов етер/полифениленов оксид (смеси PPE/PPO).

PA 6.6 (често наричан просто найлон) е най-широко използваният материал за корпуси на клемни блокове. Неговите ключови предимства са отлична механична якост, добри диелектрични свойства и широка химическа съвместимост. PA 6.6 постига UL94 V-0 огнеупорност с дебелина 0,8 мм, което отговаря на изискванията за запалимост на IEC 60947-7-1Въпреки това, PA 6.6 има ограничение на постоянната работна температура от приблизително 105°C и абсорбира влага с течение на времето, което може да намали диелектричната му якост с до 30% в среда с висока влажност.

Материалите за корпуси от PPE/PPO предлагат превъзходна устойчивост на влага и по-високи непрекъснати работни температури (до 115–120°C). Техните диелектрични свойства са по-стабилни при различни нива на влажност, което ги прави предпочитани за външни или високовлажни инсталации на PLC. PPE/PPO обаче е по-скъп от PA 6.6, а механичната му устойчивост на удар при ниски температури е по-ниска, така че за стандартно използване в PLC шкафове на закрито, PA 6.6 остава по-рентабилният избор.

За PLC разпределителни клемни блокове, използвани в затворени шкафове с околна температура до 55°C (типично за запечатани шкафове с компоненти, генериращи топлина), корпусът PA 6.6 е подходящ. За монтаж във външни корпуси, излагане на пряка слънчева светлина или промишлена среда с висока температура, препоръчваме корпус от PPE/PPO. Винаги проверявайте спецификацията на материала на корпуса в информационния лист – много общи информационни листове за клемни блокове не посочват ясно материала на корпуса, което би трябвало да е предупредителен сигнал.

Бележки за приложението: Разгръщане на клемни блокове с висока плътност в реални PLC инсталации

Доставени клемни блокове за PLC разпределителни приложения в широк спектър от индустрии – автомобилен монтаж, преработка на храни и напитки, пречистване на вода и управление на ОВК – искам да споделя практическите модели на приложение, които постоянно дават най-добри резултати, и грешките в спецификациите, които най-често водят до проблеми в полеви условия.

Най-важният принцип на приложение е сегрегация по тип сигналВ PLC шкаф със смесени нива на напрежение (480V AC захранващи устройства за двигатели, 230V AC управляващи вериги, 24V DC PLC входно/изходни устройства), клемните блокове за всяко ниво на напрежение трябва да бъдат физически разделени, или чрез монтиране на отделни DIN шини с ясно разделяне, или чрез използване на клемни блокове с бариерно покритие, които осигуряват физическо разделяне между съседни вериги с различно напрежение. Това разделяне се изисква от... IEC 60204-1 (Безопасност на машините — електрическо оборудване) и не е по избор в повечето режими за инспекция на промишлена безопасност.

За разпределителната секция 24V DC PLC I/O, препоръчваме използването на тройна конфигурация, където горната платформа е общата захранваща шина (24V DC от захранването), средната платформа захранва PLC входна група A, а долната платформа захранва PLC входна група B. Тази конфигурация позволява общата шина да бъде изолирана за целите на блокиране и маркиране, докато и двете входни групи остават захранени, и позволява отделните входни групи да бъдат изключени за поддръжка, без да се засяга другата група.

Често срещана грешка в спецификацията, която виждам, е подценяването на номиналния ток на клемния блок за разпределение на захранването на PLC. 24V DC захранваща шина, захранваща 32 входни канала на PLC при 20 mA на канал, носи общо 640 mA - доста в рамките на номиналния ток на който и да е клемен блок. Пусковият ток от входните модули на PLC (който може да бъде 3–5 пъти по-голям от постоянния ток по време на включване) обаче може временно да натовари разпределителния клемен блок. Препоръчваме да специфицираме клемни блокове за разпределение на захранването на PLC с номинален ток поне 150% от изчисления постоянния ток, за да се осигури адекватен запас за условия на пусков ток и повреда.

Друго практическо съображение е управление и маршрутизиране на кабелиТройните клемни блокове намаляват броя на проводниците, но увеличават плътността на проводниците във всяка точка на завършване (три проводника на позиция вместо един). Това изисква внимателно третиране на облицовката на проводниците в реда на клемните блокове, за да се гарантира, че нито един радиус на огъване на проводника не е твърде стегнат, което би могло да повреди изолацията му с течение на времето. Препоръчваме поддържането на минимален радиус на огъване от 3 пъти външния диаметър на проводника за гъвкави многожилни проводници.

Поддръжка, отстраняване на неизправности и модификация на полето

Един от най-убедителните аргументи за използването на триетажни клемни блокове с висока плътност в PLC разпределителни приложения е предимството, което те предоставят, при поддръжка и отстраняване на неизправности. Когато входен канал на PLC се повреди в конвенционално окабелен панел, диагностичният процес изисква проследяване на отделния проводник от входния модул обратно през клемния блок до полевото устройство – процес, който може да отнеме часове при сложна инсталация. В добре проектирана система... троен клемен блок инсталацията, диагностичният път е драстично по-кратък, тъй като всяка позиция на клемния блок изпълнява определена и предвидима функция.

За модификации на място – които се случват много по-често, отколкото повечето проектанти на системи за управление очакват – тройните клемни блокове с външно кръстосано свързване с джъмперни шини предлагат допълнителни предимства. Когато разширението на PLC система изисква добавяне на входни канали, процесът обикновено се ограничава до добавяне на позиции за клемни блокове към налична секция на DIN шина, инсталиране на нови джъмперни шини за удължаване на разпределителната шина до новите позиции и завършване на новите полеви кабели. Това е значително по-бързо от прокарването на нови отделни кабелни трасета от централен масив от клемни блокове до всяка нова входно/изходна точка.

За текуща поддръжка препоръчвам да се създаде график за проверка на въртящия момент на клемния блок за винтови скоби в среда с високи вибрации. Интервалът на проверка на въртящия момент зависи от нивото на вибрации: за шкафове в обща индустриална среда (типични подове на работилници) е достатъчна годишната проверка на въртящия момент; за шкафове на вибриращи машини (помпи, компресори, вибриращи сита) е по-разумно да се проверява на всеки шест месеца. Използвайте калибрирана динамометрична отвертка, настроена на посочената в информационния лист стойност на въртящия момент – обикновено 0,5–0,8 Nm за клемен блок 4 mm².

Източници и проверка на качеството: Какво да изисквате от вашия доставчик

Не всички клемни блокове с висока плътност са създадени еднакви, а разликите в спецификациите, които разделят истински проектиран продукт от ребрендирана стока, не винаги са видими на каталожна снимка. Ето какво препоръчвам да изисквате от вашия доставчик на клемни блокове:

Заявете IEC 60947-7-1 протокол от изпитванетоВсеки производител, който твърди, че отговаря на този стандарт, трябва да може да предостави протокол от изпитване от акредитирана изпитвателна лаборатория (като например ТЮВ Рейнланд, УЛ, CSA (Сътрудничество за сътрудничество)или Бюро Веритас). Протоколът от изпитването документира действително измерените стойности за диелектрична якост, съпротивление на изолацията, повишаване на температурата и механична издръжливост, а не само посочените номинални стойности. Доставчик, който не може или не желае да предостави тази документация, е сериозен предупредителен знак.

Проверете импулсна номинална стойност на напрежението и степента на замърсяване в протокола от изпитването. Много общи информационни листове за клемни блокове изброяват IEC 60947-7-1 твърдение за съответствие без посочване на номиналното импулсно напрежение или степента на замърсяване – което означава, че тези параметри не са тествани или резултатите от тестовете са били достатъчно лоши, за да бъдат пропуснати от информационния лист. За индустриални PLC среди, трябва да видите степен на замърсяване 3 и импулсно напрежение 4 kV или по-високо като минимални спецификации.

Потвърдете информационен лист за материалите на корпусаЗаявете класа на материала на корпуса и UL94 степен на запалимост. Клемните блокове PA 6.6 трябва да бъдат сертифицирани по UL94 V-0 при дебелината на стената на корпуса, използвана в продукта. Ако доставчикът не може да предостави информационния лист за материала, твърдението за материала на корпуса се счита за непотвърдено.

Оценете спецификация на контактното съпротивлениеВисококачественият клемен блок трябва да има контактно съпротивление по-малко от 1 mΩ (милиом) при номиналния ток, измерено в точката на завършване на проводника. По-високите стойности на контактното съпротивление показват лоша подготовка на контактната повърхност или неоптимален дизайн на пружината/скобата, като и двете ще доведат до преждевременна повреда при приложения с висок ток или висока температура.

Нови тенденции: Интелигентни клемни блокове и интегрирана диагностика

Пазарът на клемни блокове започва да вижда въвеждането на интегрирани диагностични функции, които преди това бяха невъзможни с пасивните компоненти. Няколко производители, включително J-Guang, разработват клемни блокове с вградени сензори за наблюдение на ток, светодиоди за състояние и комуникационни интерфейси, които позволяват на самия клемен блок да докладва състоянието си на PLC или BMS чрез цифрова шина.

За приложенията за разпределение на PLC, най-обещаващото развитие е интегрирането на токочувствителни шини който може да открива отворени вериги или анормални стойности на тока на отделни позиции на клемни блокове без допълнителни външни сензори. Това позволява превантивно предупреждение за поддръжка (а не реактивна реакция при повреда) за разпределителната кабелна мрежа на PLC. Клемен блок с вграден сензор за ток, който докладва на PLC чрез Modbus RTU или CANopen Интерфейсът може да предупреди операторите за развиващи се проблеми с кабелните връзки, преди те да причинят повреда на входа на PLC.

Също така наблюдаваме нарастващо приемане на механизми за освобождаване без инструменти за клемни блокове с пружинна клетка, които позволяват отстраняване на проводниците без инструменти – функция, която значително намалява времето за достъп за поддръжка. Комбинацията от клемно завършване с пружинна клетка (за бързина на първоначалния монтаж) с освобождаване без инструменти (за бързина на достъп за поддръжка) е особено привлекателна за PLC разпределителни среди, където както първоначалните разходи за изграждане на панела, така и текущите разходи за поддръжка са важни фактори.

Често задавани въпроси