Кризата со густината на ожичувањето кај модерните индустриски контролни панели

Ако сте поминале време во кабинет со програмабилен логички контролер (PLC) со средна големина, изграден пред повеќе од пет години, добро го познавате проблемот со густината на жиците. Кабинетот е полн - апсолутно полн - со индивидуални жици, од кои повеќето носат идентични 24V DC сигнали од истата шина за напојување. Секоја влезна картичка добива своја наменска жица од редот на терминалните блокови. Секој излезен канал има повратна патека што ја отсликува комплексноста на влезот. Резултатот е кабелски сноп кој е скап за производство, исклучително тежок за решавање проблеми и речиси невозможно да се модифицира без да се воведат нови грешки.

Лично сум бил сведок на контролна табла за мотор од 400 ампери каде што на двајца техничари им требаа речиси осум часа за да дијагностицираат дефект на еден влезен канал, што на крајот се покажа дека е лабав шраф на терминалниот блок. Таа дијагностичка одисеја би траела помалку од 30 минути во добро дизајнирана PLC дистрибутивна табла што користи терминални блокови со три нивоа со висока густина и архитектура за вкрстено поврзување.

Ова не е хипотетички проблем. Во модерните средини за индустриска автоматизација, густината на PLC влезно-излезните канали драматично се зголеми како што контролните системи станаа пософистицирани. Еден единствен S7-1500 PLC од Сименс може да адресира до 8192 дискретни I/O точки низ повеќе полици, а секоја од тие точки бара жична завршница и на PLC I/O модулот и на полето. Кога тоа ќе го помножите дури и низ скромна инсталација - да речеме, 256 I/O точки - предизвикот за управување со ожичување станува навистина егзистенцијален и за градителот на панелот и за техничарот за одржување.

Нингбо Џ-Гуанг Електроникс се занимаваше со дизајнирање и производство терминални блокови со висока густина конкретно за PLC дистрибутивни апликации од 2008 година, и поминав значително време работејќи директно со интегратори на контролни системи и креатори на панели низ целиот светЕвропа, Северна Америка и Југоисточна Азија каде што конвенционалните терминални блокови дефекти и како архитектурата на повеќекатно сложување ги решава тие дефекти. Оваа статија е дестилација на она што го научив за тоа зошто тројните терминални блокови со дизајн за вкрстено поврзување претставуваат најсовремена технологија за PLC дистрибутивно ожичување, кои технички спецификации се всушност важни и како да го изберете вистинскиот производ за вашата специфична инсталациска средина.

Разбирање на архитектурата за троен систем за складирање

Фундаменталното ограничување на конвенционалните еднонивони терминални блокови во PLC дистрибутивните апликации е просторната неефикасност. Стандарден еднонивонивен DIN41616 илиIEC 60947-7-1 Усогласениот терминален блок зафаќа една ширина на модулот (обично 6,2 mm или 12 mm во зависност од номиналната струја) и обезбедува едно ниво на влез на жица. Кога треба да дистрибуирате 24V DC на дванаесет одделни влезни канали на PLC од заедничка шина за напојување, потребни ви се дванаесет индивидуални позиции на терминалниот блок, што значи дванаесет ширини на модулот од просторот на DIN шината.

Тројно-категорните терминални блокови ја решаваат оваа просторна неефикасност со поставување на три независни нивоа на завршување на жици во една ширина на модулот. Архитектурата користи заедничка струјна шина што поминува низ сите три нивоа, но секое ниво е електрично изолирано со изолациска преграда, и секое ниво има своја независна точка за влез на жици. Резултатот е дека можете да завршите три одделни жичени кола - секое со своја влезна и излезна врска - во рамките на истата површина на DIN шина што би ја барал терминалниот блок на едно ниво.

Бидејќи трите палуби делат заедничка струјна шипка, но имаат изолирани точки на контакт, конфигурацијата со троен кат е идеална за PLC дистрибуција каде што имате заедничка шина за напојување или сигнал што се разгранува на повеќе дестинации. Заедничката шина се поврзува со горниот кат, а трите независни излезни кола се разгрануваат од средниот и долниот кат. Во сценарио за 24V DC PLC влезна дистрибуција, ова значи дека еден троен кат терминален блок може да опслужува три влезни канали од еден заеднички довод - намалувајќи ја потребната должина на DIN шината за две третини.

Практичното влијание врз економијата на градење на панелот е значајно. Кај типичен PLC панел со 256 влезно/излезни елементи, преминот од еднонивни кон трослојни терминални блокови за дистрибуција на енергија може да го намали вкупниот број на терминални блокови за 60–80 позиции, што директно се преведува на намалена должина на DIN шината, намалена големина на куќиштето на панелот (и цена) и намален волумен на жици. Соработувавме со градители на панели кои го намалија просечното време на градење на панелот за 4–6 часа по панел откако се префрлија на трослојна архитектура за дистрибутивните делови на PLC.

Дизајн со вкрстена врска: Дистрибуција на сигнали без хаос меѓу жиците

Тројната архитектура е само половина од решението за дистрибуција на PLC со висока густина. Втората половина е дизајнот со вкрстено поврзување - систем од внатрешни шини и надворешни скокачки шини што овозможуваат повеќе нивоа на терминали да бидат електрично меѓусебно поврзани на контролиран, реверзибилен начин. Тука навистина станува видлива инженерската софистицираност на производителот на терминални блокови.

Во контекст на дистрибуцијата на PLC, вкрстеното поврзување се однесува на можноста за електрично поврзување на повеќе позиции на терминали долж дел од DIN шина, така што заедничкиот сигнал (како што се 24V DC или 0V) се дистрибуира низ многу нивоа на терминали без да се поминуваат поединечни жици помеѓу секоја позиција. Ова е аналогно на тоа како протобордот во прототипирањето на електроника дистрибуира шини за напојување низ повеќе позиции на компонентите - но со механичка робусност и електрична сертификација потребни за индустриски контролни средини.

Постојат две основни архитектури за вкрстено поврзување што се користат во дизајнот на терминални блокови со висока густина за PLC апликации:

Внатрешна вкрстена врска на собирницата. Цврста бакарна или месингана шина поминува внатрешно низ куќиштето на терминалниот блок, поврзувајќи повеќе завршни точки во еден уред. Ова е механизмот што ја овозможува архитектурата на споделената струјна шина на дизајнот со три нивоа. Внатрешната шина мора да биде прецизно димензионирана за да ја носи номиналната струја без прекумерно зголемување на температурата - обично бара пресек од најмалку 4 mm² за терминален блок со номинална јачина од 30A со три позиции на нивоа. Квалитетот на завршницата на внатрешната шина до контактната пружина е клучен: лабава или внатрешна врска со висок отпор ќе создаде локализирано загревање што ја деградира контактната површина со текот на времето, што на крајот ќе доведе до дефект.

Вкрстена врска на надворешна џампер-шипка. Надворешните шипки за цевководење, кои се продаваат дополнително или се фабрички инсталирани, се приклучуваат на врвот од соседните терминални блокови за да создадат заедничка магистрала низ повеќе уреди. Оваа архитектура е пофлексибилна од внатрешното вкрстено поврзување бидејќи можете да реконфигурирате кои терминални блокови се поврзани со која магистрала без да ја расклопите внатрешната архитектура. Во апликациите за дистрибуција на PLC, надворешните шипки за цевководење обично се користат за создавање паралелни магистрали за дистрибуција на енергија за влезните групи на PLC. Шипките за цевководење се оценети за иста струја како и самиот терминален блок, а нивната контактна сила со струјната лента на терминалниот блок се одржува со механизам со пружина или стегач со завртки.

На Џеј-Гуанг, нашите трокатни терминални блокови користете комбинација од внатрешни шини за внатрешно редење во уредите и надворешни шини за дистрибуција меѓу уредите. Оваа двојна архитектура им дава на креаторите на панели максимална флексибилност во начинот на конфигурирање на мрежите за дистрибуција на сигнали и овозможува модификација на полето без преожичување - бидејќи можете да исклучите специфичен сегмент од шината за џојмер без да го нарушите остатокот од дистрибутивната мрежа.

Оценки на напон и струја: Што IEC 60947-7-1 Всушност бара

Еден од најпостојано погрешно разбраните аспекти на изборот на терминален блок за PLC дистрибуција е системот за номинална вредност на напонот. Терминалните блокови носат и номинален напон и номинална струја, а обете спецификации се регулирани со меѓународни стандарди - но тие не се заменливи, а нивното мешање е еден од најчестите извори на грешки во спецификацијата со кои се среќавам на терен.

Применливиот стандард за модуларни терминални блокови што се користат во индустриска контролна опрема е IEC 60947-7-1 (Нисконапонска расклопна и контролна опрема—Дел 7-1: Помошна опрема—Терминални блокови за бакарни проводници). Овој стандард ги дефинира барањата за механички, електрични и еколошки тестови што терминалниот блок мора да ги помине за да добие рејтинг. Клучните спецификации според овој стандард вклучуваат:

Номинален напон. Максималниот напон што терминалниот блок може да го издржи помеѓу соседните кола или помеѓу колото и монтажната шина (доколку е применливо). За апликации за дистрибуција на PLC што користат сигнали од 24V DC, ова ретко е ограничување - но за трифазна контрола на моторот или дистрибуција од 480V AC, номиналниот напон станува критичен. Секогаш проверувајте дали номиналниот напон на терминалниот блок го исполнува или го надминува максималниот системски напон, а не само номиналниот напон. За индустриски PLC средини со мешани нивоа на напон (вклучувајќи 480V AC доводници за мотори), препорачуваме да изберете терминални блокови номинални заМинимум 630V AC за да се обезбеди соодветна маргина на безбедност.

Номинална струја. Максималната континуирана струја што може да помине низ терминалниот блок без да се надмине дозволеното зголемување на температурата. Границата за зголемување на температурата под IEC 60947-7-1 е 45°C над амбиенталната температура при номинална струја, мерена на завршетокот на проводникот. Ова е важно бидејќи номиналната струја претпоставува специфичен дијаметар на жица (обично 2,5 mm² за терминален блок од 20A) и специфична температура на околината. Ако користите помал дијаметар на жица од оној што го претпоставува номиналниот дијаметар, вистинскиот капацитет на пренос на струја ќе биде помал од номиналната вредност поради зголеменото I²R загревање во помалиот проводник.

Номинален импулсен напон. Максималниот напонски импулс (пренапон) што терминалниот блок може да го издржи без дефект. За PLC влезови во индустриски средини со моторни оптоварувања, напонските импулси од индуктивно префрлување можат да достигнат 2,5–4 kV дури и на 24V DC кола. Номиналниот импулсен напон е специфициран на2,5 kV, 4 kV, 6 kV или 8 kV во зависност од категоријата на опремата (Категорија на пренапон I, II, III или IV). За PLC кабинети што вклучуваат погони со променлива фреквенција (VFD), разумно е да се изберат терминални блокови номинални за импулс од најмалку 4 kV.

Степенот на загадување. IEC 60947-7-1 бара терминалните блокови да бидат оценети за специфичен степен на загадување (1, 2 или 3), што ги опишува условите на животната средина под кои ќе работи опремата. Степенот на загадување 3 се применува во индустриските контролни кабинети каде што може да се очекува спроводливо загадување (како што се прашина и кондензација). Секогаш наведете го Степенот на загадување 3 за индустриски PLC кабинети и проверете дали растојанијата на ползење и просторот на терминалниот блок се соодветно специфицирани.

Методи за завршување на жици: завртка стега наспроти пружински кафез наспроти поместување на изолацијата

Методот на завршување со жица е механизмот со кој жичниот проводник воспоставува електричен контакт со струјната шипка на терминалниот блок. За апликации за дистрибуција на PLC, трите доминантни технологии за завршување имаат посебни предности:

Завршување на завртката. Највоспоставената технологија, која користи завртка за примена на притисок врз стегачката плоча што го прицврстува проводникот наспроти струјната шипка. Завршните елементи со завртка обезбедуваат одлична сигурност на контактот и се широко прифатени во индустриските стандарди ширум светот. Сепак, тие бараат шрафцигер или шестоаголен клуч за инсталација (додавајќи време на склопување на панелот) и се подложни на деградација на контактот ако завртката се олабави под вибрации - познат начин на дефект кај индустриските контролни панели со тешки снопови жици или вибрирачка опрема. Завршните елементи со завртка специфицираме за апликации каде што завршните елементи често ќе бидат достапни за одржување или каде што теренското поврзување го извршува персонал кој претпочита тактилна повратна информација.

Завршување на пролетниот кафез. Механизмот со пружина применува константна сила на стегање на жичниот проводник, елиминирајќи ја потребата од завртка и овозможувајќи вметнување на жица без алатки. Завршните делови со пружински кафез се побрзи за поврзување во производствените средини и се по природа отпорни на вибрации бидејќи пружината одржува конзистентна контактна сила без оглед на вибрациите. Сепак, завршните делови со пружински кафез обично имаат малку поголем отпор на контакт од завршните делови со завртки и тие може да не бидат прифатливи во некои постари индустриски стандарди кои претходат на технологијата со пружински кафез. Препорачуваме завршни делови со пружински кафез за PLC средини со високи вибрации, како што се пумпни станици, куќишта на компресори и контролни панели за HVAC.

Завршување на поместување на изолацијата (IDC). Контакт во облик на сечило што ја пробива изолацијата на жицата и стапува во контакт со проводникот кога жицата се турка во завршниот отвор. IDC завршетоците се екстремно брзи (не е потребно оголување) и обезбедуваат одлична отпорност на вибрации, но тие се погодни само за цврсти проводници или фино навојни проводници во одреден опсег на големина. Тие не се погодни за грубо навојни проводници. За PLC дистрибутивни ожичувања со користење на претходно исечени цврсти жици во производствени средини, IDC завршетоците можат да го намалат времето на завршување за 40–60% во споредба со методите со завртка. Ние специфицираме IDC завршетоци за OEM градители на панели кои завршуваат големи количини на стандардизирани жици.

Материјали за куќиште: PA6.6 наспроти PPE/PPO и импликации врз перформансите

Материјалот од кој е куќиштето на терминалниот блок ги одредува неговите термички перформанси, отпорност на пламен и хемиска отпорност - сите тие се критични фактори во средини на PLC кабинети каде што компонентите што генерираат топлина, како што се PLC напојувањата и погонските модули, создаваат покачени амбиентални температури. Двата доминантни материјали за куќиште за индустриски терминални блокови се полиамид 6.6 (PA 6.6) и модифициран полифенилен етер/полифенилен оксид (мешавини PPE/PPO).

PA 6.6 (честопати нарекуван едноставно најлон) е најшироко користениот материјал за куќиште на терминалниот блок. Неговите клучни предности се одлична механичка цврстина, добри диелектрични својства и широка хемиска компатибилност. PA 6.6 постигнува UL94 V-0 отпорност на пламен со дебелина од 0,8 mm, што ги задоволува барањата за запаливост на IEC 60947-7-1Сепак, PA 6.6 има континуирано ограничување на работната температура од приближно 105°C и со текот на времето апсорбира влага - што може да ја намали неговата диелектрична јачина до 30% во средини со висока влажност.

Материјалите за куќиште од PPE/PPO нудат супериорна отпорност на влага и повисоки континуирани работни температури (до 115–120°C). Нивните диелектрични својства се постабилни низ нивоата на влажност, што ги прави подобри за надворешни или PLC инсталации со висока влажност. Сепак, PPE/PPO е поскап од PA 6.6, а неговата механичка отпорност на удар на ниски температури е послаба - па затоа за стандардна употреба на PLC кабинет во затворен простор, PA 6.6 останува поекономичен избор.

За PLC дистрибутивни терминални блокови што се користат во затворени кабинети со амбиентална температура до 55°C (типично за затворени кабинети со компоненти што генерираат топлина), куќиштето PA 6.6 е соодветно. За инсталации во надворешни куќишта, изложеност на директна сончева светлина или индустриски средини со висока температура, препорачуваме куќиште со лична заштитна опрема/PPO. Секогаш проверувајте ја спецификацијата на материјалот на куќиштето на техничкиот лист - многу генерички технички листови за терминални блокови не го наведуваат јасно материјалот на куќиштето, што треба да биде црвено светло.

Забелешки за примена: Распоредување на терминални блокови со висока густина во реални PLC инсталации

Имајќи испорачано терминални блокови за PLC дистрибутивни апликации низ широк спектар на индустрии - склопување на автомобили, преработка на храна и пијалоци, третман на вода и контрола на греење, вентилација и климатизација - сакам да ги споделам практичните шеми на примена кои постојано даваат најдобри резултати и грешките во спецификацијата кои најчесто водат до проблеми во оваа област.

Најважниот принцип на примена е сегрегација според типот на сигналВо PLC кабинет со мешани нивоа на напон (480V AC моторни доводи, 230V AC контролни кола, 24V DC PLC I/O), терминалните блокови за секое ниво на напон треба да бидат физички одвоени, или со монтирање на посебни DIN шини со јасна одвоеност или со користење на терминални блокови во бариера кои обезбедуваат физичка одвоеност помеѓу соседните кола со различен напон. Оваа одвоеност е потребна од IEC 60204-1 (Безбедност на машините - електрична опрема) и не е опционална во повеќето режими за инспекција на индустриската безбедност.

Конкретно за делот за дистрибуција на 24V DC PLC I/O, препорачуваме користење на конфигурација со троен кат каде што горниот кат е заедничката шина за напојување (24V DC од напојувањето), средниот кат ја напојува PLC влезната група А, а долниот кат ја напојува PLC влезната група Б. Оваа конфигурација овозможува заедничката шина да биде изолирана за цели на заклучување-означување додека обете влезни групи остануваат напојувани и овозможува поединечните влезни групи да бидат исклучени за одржување без да влијаат на другата група.

Честа грешка во спецификацијата што ја гледам е потценувањето на номиналната струја на терминалниот блок за дистрибуција на електрична енергија на PLC. 24V DC електрична шина што напојува 32 влезни PLC канали со 20 mA по канал носи вкупно 640 mA - што е далеку во рамките на номиналната струја на кој било терминален блок. Сепак, струјата на вклучување од влезните PLC модули (која може да биде 3-5 пати поголема од струјата во стационарна состојба за време на вклучувањето) може моментално да го оптовари дистрибутивниот терминален блок. Препорачуваме да специфицирате терминални блокови за дистрибуција на електрична енергија на PLC со номинална струја од најмалку 150% од пресметаната струја во стационарна состојба, за да се обезбеди соодветна маргина за услови на вклучување и дефект.

Друго практично разгледување е управување со жици и насочувањеТројните терминални блокови го намалуваат бројот на жици, но ја зголемуваат густината на жиците на секоја точка на завршување (три жици по позиција наместо една). Ова бара внимателно обложување на жиците во редот на терминалните блокови за да се осигура дека радиусот на свиткување на ниту една жица не е премногу тесен, што може да ја оштети изолацијата на жиците со текот на времето. Препорачуваме одржување на минимален радиус на свиткување од 3 пати поголем од надворешниот дијаметар на жицата за флексибилни низи од жици.

Одржување, решавање проблеми и модификација на терен

Еден од најубедливите аргументи за тројно-катните терминални блокови со висока густина во дистрибутивните апликации на PLC е предноста во одржувањето и решавањето проблеми што ја нудат. Кога влезниот канал на PLC ќе откаже во конвенционално ожичен панел, дијагностичкиот процес бара следење на поединечната жица од влезниот модул назад низ терминалниот блок до теренскиот уред - процес што може да трае со часови во сложен сноп. Во добро дизајнирана... троен терминален блок инсталацијата, дијагностичката патека е драматично пократка бидејќи секоја позиција на терминалниот блок служи за дефинирана и предвидлива функција.

За модификации на полето - кои се случуваат многу почесто отколку што очекуваат повеќето дизајнери на контролни системи - тројните терминални блокови со вкрстена врска на надворешни шипки за скокање нудат дополнителни предности. Кога проширувањето на PLC системот бара додавање влезни канали, процесот обично е ограничен на додавање позиции на терминалните блокови на достапен дел од DIN шината, инсталирање нови шипки за скокање за да се продолжи дистрибутивната шина до новите позиции и прекинување на новите жици на полето. Ова е значително побрзо од пуштање нови поединечни жици од низа на централни терминални блокови до секоја нова I/O точка.

За тековно одржување, препорачувам да се воспостави распоред за верификација на вртежниот момент на терминалните блокови за завршетоци со завртки во средини со високи вибрации. Интервалот на вртежниот момент зависи од нивото на вибрации: за кабинети во општи индустриски средини (типични работилници), годишната верификација на вртежниот момент е соодветна; за кабинети на вибрирачки машини (пумпи, компресори, вибрирачки сита), полугодишната верификација е попрецизна. Користете калибриран шрафцигер за вртежен момент поставен на вредноста на вртежниот момент наведена во листот со податоци - обично 0,5–0,8 Nm за терминален блок од 4 mm².

Набавка и проверка на квалитет: Што да барате од вашиот добавувач

Не сите терминални блокови со висока густина се создадени еднакви, а разликите во спецификациите што го одделуваат вистински инженерскиот производ од ребрендирањето на стока не се секогаш видливи на фотографија од каталог. Еве што препорачувам да побарате од вашите добавувач на терминални блокови:

Побарајте го IEC 60947-7-1 извештај од тестотСекој производител кој тврди дека е усогласен со овој стандард треба да биде во можност да обезбеди извештај од тестот од акредитирана лабораторија за тестирање (како на пр. TÜV Rheinland, УЛ, CSA, или Биро Веритас). Извештајот од тестот ги документира фактичките измерени вредности за диелектрична цврстина, отпорност на изолација, зголемување на температурата и механичка издржливост - не само наведените оценки. Добавувач кој не може или нема да ја обезбеди оваа документација е значително црвено светло.

Потврди го номинална вредност на напонскиот импулс и степен на загадување на извештајот од тестот. Многу генерички листови со податоци за терминални блокови наведуваат IEC 60947-7-1 тврдење за усогласеност без да се наведе номиналната вредност на напонскиот импулс или степенот на загадување - што значи дека тие параметри не се тестирани или резултатите од тестот биле доволно лоши за да бидат изоставени од техничкиот лист. За индустриски PLC средини, треба да ги видите Степенот на загадување 3 и Импулсниот напон 4 kV или повисок како минимални спецификации.

Потврдете го лист со податоци за материјал за домувањеПобарајте го степенот на материјал за домување и UL94 рејтинг на запаливост. PA 6.6 терминалните блокови треба да бидат сертифицирани за UL94 V-0 на дебелината на ѕидот на куќиштето што се користи во производот. Доколку добавувачот не може да го достави листот со податоци за материјалот, тврдењето за материјалот на куќиштето е непроверено.

Оценете го спецификација на контактен отпорВисококвалитетниот терминален блок треба да има контактен отпор помал од 1 mΩ (милиом) при номиналната струја, мерена на точката на завршување на жицата. Повисоките вредности на контактниот отпор укажуваат на несоодветна подготовка на контактната површина или неоптимален дизајн на силата на пружината/стегата, што ќе доведе до предвремено откажување при апликации со висока струја или висока температура.

Нови трендови: Паметни терминални блокови и интегрирана дијагностика

Пазарот на терминални блокови почнува да гледа воведување на интегрирани дијагностички функции кои претходно беа невозможни со пасивни компоненти. Неколку производители - вклучувајќи го и J-Guang - развиваат производи за терминални блокови со вградени сензори за следење на струјата, LED диоди за статус и комуникациски интерфејси што му овозможуваат на самиот терминален блок да го пријави својот статус на PLC или BMS преку дигитална магистрала.

За апликации за дистрибуција на PLC, најперспективниот развој е интеграцијата на шини со сензори за струја што може да детектира отворени кола или абнормални вредности на струја на поединечни позиции на терминалните блокови без дополнителни надворешни сензори. Ова овозможува превентивно предупредување за одржување (наместо реактивен одговор на дефект) за дистрибутивната мрежа на PLC. Терминален блок со интегриран сензор за струја што известува до PLC преку Модбус RTU или CANopen Интерфејсот може да ги предупреди операторите за развој на проблеми со жиченото поврзување пред тие да предизвикаат дефект на влезот на PLC.

Исто така, гледаме зголемено усвојување на механизми за отпуштање без алатки за терминални блокови со пружински кафез што овозможуваат отстранување на жици без алатки - карактеристика што значително го намалува времето за пристап до одржување. Комбинацијата од завршување на пружинскиот кафез (за брзина на почетната инсталација) со отпуштање без алатки (за брзина на пристап до одржување) е особено привлечна за дистрибутивни средини на PLC каде што и почетната цена на изградбата на панелот и тековните трошоци за одржување се значајни фактори.

Често поставувани прашања