Криза густине ожичења у модерним индустријским контролним панелима

Ако сте провели било какво време у кућишту програмабилног логичког контролера (PLC) средње величине које је направљено пре више од пет година, добро познајете проблем густине ожичења. Кућиште је пуно – апсолутно пуно – појединачних жичних снопова, од којих већина носи идентичне сигнале од 24 V једносмерне струје са исте шине напајања. Свака улазна картица добија своју наменску жицу из реда терминалних блокова. Сваки излазни канал има повратну путању која одражава сложеност улаза. Резултат је кабловски сноп који је скуп за производњу, изузетно тежак за решавање проблема и готово немогућ за модификацију без увођења нових грешака.

Лично сам био сведок контролне табле мотора од 400 ампера где је двојици техничара требало скоро осам сати да дијагностикују квар једног улазног канала, што се на крају испоставило као лабави завртањ на терминалном блоку. Та дијагностичка одисеја би трајала мање од 30 минута у добро дизајнираној PLC дистрибутивној табли која користи трослојне терминалне блокове високе густине са архитектуром унакрсног повезивања.

Ово није хипотетички проблем. У модерним окружењима индустријске аутоматизације, густина PLC I/O канала се драматично повећала како су системи управљања постали софистициранији. Један S7-1500 PLC компаније Siemens Може да адресира до 8192 дискретне У/И тачке на више рекова, а свака од тих тачака захтева завршетак жице и на У/И PLC модулу и на теренском завршетку. Када се то помножи чак и са скромном инсталацијом - рецимо, 256 У/И тачака - изазов управљања ожичењем постаје заиста егзистенцијалан и за произвођача панела и за техничара за одржавање.

Нингбо Ј-Гуанг Електроникс пројектовао је и производио терминални блокови високе густине посебно за PLC дистрибутивне апликације од 2008. године, и провео сам значајно време радећи директно са интеграторима система управљања и произвођачима панела широмЕвропа, Северна Америка и Југоисточна Азија где је конвенционално терминални блокови квар и како архитектура вишеслојног слагања решава те кварове. Овај чланак је сажетак онога што сам научио о томе зашто трослојни терминални блокови са дизајном унакрсног спајања представљају најсавременију технологију за PLC дистрибутивно ожичење, које су техничке спецификације заправо важне и како одабрати прави производ за ваше специфично инсталационо окружење.

Разумевање архитектуре слагања са три спрата

Основно ограничење конвенционалних једностепених терминалних блокова у PLC дистрибутивним апликацијама је просторна неефикасност. Стандардни једностепени ДИН41616 илиИЕЦ 60947-7-1 Компатибилни терминални блок заузима једну ширину модула (обично 6,2 мм или 12 мм у зависности од номиналне струје) и обезбеђује један ниво увода жице. Када треба да дистрибуирате 24V DC на дванаест одвојених PLC улазних канала са заједничке шине за напајање, потребно вам је дванаест појединачних позиција терминалних блокова, што значи дванаест ширина модула простора на DIN шини.

Трослојни терминални блокови решавају ову просторну неефикасност слагањем три независна нивоа завршетка жица у једној ширини модула. Архитектура користи заједничку струјну шину која пролази кроз сва три нивоа, али сваки ниво је електрично изолован изолационом преградом, а сваки ниво има своју независну тачку улаза жице. Резултат је да можете завршити три одвојена жичана кола - свако са својим улазним и излазним прикључком - унутар истог простора на DIN шини који би захтевао једнослојни терминални блок.

Пошто три палубе деле заједничку струјну шипку, али имају изоловане контактне тачке, трослојна конфигурација је идеална за PLC дистрибуцију где имате заједничку напајање или сигналну магистралу која се грана ка више одредишта. Заједничка сабирница се повезује са горњом платформом, а три независна излазна кола се гранају са средње и доње платформе. У сценарију дистрибуције улаза PLC-а од 24V DC, то значи да један трослојни терминални блок може да опслужује три улазна канала из једног заједничког напајања - смањујући потребну дужину DIN шине за две трећине.

Практични утицај на економичност израде панела је значајан. У типичном PLC панелу са 256 улазно-излазних конектора, прелазак са једнослојних на трослојне терминалне блокове за дистрибуцију напајања може смањити укупан број терминалних блокова за 60–80 позиција, што се директно преводи на смањену дужину DIN шине, смањену величину кућишта панела (и трошкове) и смањену количину жица. Сарађивали смо са произвођачима панела који су смањили своје просечно време израде панела за 4–6 сати по панелу након преласка на трослојну архитектуру за PLC дистрибутивне секције.

Дизајн унакрсних веза: Дистрибуција сигнала без хаоса у жицама

Трослојна архитектура је само половина решења за дистрибуцију PLC-а високе густине. Друга половина је дизајн унакрсног повезивања – систем унутрашњих сабирница и спољашњих краткоспојних шина које омогућавају електрично повезивање више нивоа терминала на контролисан, реверзибилан начин. Овде заиста постаје видљива инжењерска софистицираност произвођача терминалних блокова.

У контексту PLC дистрибуције, унакрсно повезивање се односи на могућност електричног повезивања више позиција терминала дуж DIN шине тако да се заједнички сигнал (као што је 24V DC или 0V) дистрибуира преко више нивоа терминала без повезивања појединачних жица између сваке позиције. Ово је аналогно начину на који плоча за израду прототипова електронике дистрибуира шине за напајање преко више позиција компоненти - али са механичком робусношћу и електричном сертификацијом потребном за индустријска контролна окружења.

Постоје две основне архитектуре унакрсног повезивања које се користе у дизајну терминалних блокова високе густине за PLC апликације:

Унутрашње унакрсно повезивање сабирница. Чврста бакарна или месингана сабирница пролази унутрашње кроз кућиште терминалног блока, повезујући више тачака завршетка унутар једног уређаја. Ово је механизам који омогућава архитектуру заједничке струјне шине код трослојног дизајна. Унутрашња сабирница мора бити прецизно димензионисана да носи номиналну струју без прекомерног пораста температуре - обично захтева површину попречног пресека од најмање 4 mm² за терминални блок номиналне снаге 30A са три позиције на палуби. Квалитет завршетка унутрашње сабирнице са контактном опругом је критичан: лабава или високоотпорна унутрашња веза ће створити локализовано загревање које временом деградира контактну површину, што на крају доводи до квара.

Спољна унакрсна веза краткоспојне шипке. Фабрички инсталиране екстерне краткоспојне шине (такође назване дистрибутивни блокови или мостови за напајање) се укључују у врх суседних терминалних блокова како би се створила заједничка магистрала за више уређаја. Ова архитектура је флексибилнија од интерног унакрсног повезивања јер можете поново конфигурисати који су терминални блокови повезани на коју магистралу без растављања интерне архитектуре. У PLC дистрибутивним апликацијама, екстерне краткоспојне шине се обично користе за креирање паралелних магистрала за дистрибуцију напајања за PLC улазне групе. Краткоспојне шине су оцењене за исту струју као и сам терминални блок, а њихова контактна сила на струјну шину терминалног блока одржава се опружним механизмом или завртњем.

У Ј-Гуанг, наши трослојни терминални блокови Користите комбинацију унутрашњих сабирница за слагање унутар уређаја и спољашњих краткоспојница за дистрибуцију између уређаја. Ова двострука архитектура даје произвођачима панела максималну флексибилност у начину на који конфигуришу мреже за дистрибуцију сигнала и омогућава модификацију на терену без поновног ожичења — јер можете искључити одређени сегмент краткоспојнице без ометања остатка дистрибутивне мреже.

Називне вредности напона и струје: Шта ИЕЦ 60947-7-1 Заправо захтева

Један од најчешће погрешно схваћених аспеката избора терминалних блокова за PLC дистрибуцију је систем напонског назнака. Терминални блокови носе и називни напон и називну струју, а обе спецификације су регулисане међународним стандардима — али нису заменљиви, а њихово мешање је један од најчешћих извора грешака у спецификацијама са којима се сусрећем у пракси.

Применљиви стандард за модуларне терминалне блокове који се користе у индустријској контролној опреми је ИЕЦ 60947-7-1 (Нисконапонска расклопна и управљачка постројења — Део 7-1: Помоћна опрема — Прикључни блокови за бакарне проводнике). Овај стандард дефинише захтеве за механичка, електрична и испитивања утицаја околине које прикључни блок мора да прође да би добио оцену. Кључне спецификације према овом стандарду укључују:

Називни напон. Максимални напон који терминални блок може да издржи између суседних кола или између кола и монтажне шине (ако је применљиво). За PLC дистрибутивне примене које користе 24V DC сигнале, ово ретко представља ограничење — али за трофазну контролу мотора или 480V AC дистрибуцију, номинални напон постаје критичан. Увек проверите да ли номинални напон терминалног блока испуњава или прелази максимални напон система, а не само номинални напон. За индустријска PLC окружења са мешовитим нивоима напона (укључујући 480V AC напајање мотора), препоручујемо да изаберете терминалне блокове оцењене заМинимум 630V AC да би се обезбедила адекватна маргина безбедности.

Називна струја. Максимална континуирана струја која може да се преноси кроз терминални блок без прекорачења дозвољеног пораста температуре. Граница пораста температуре испод ИЕЦ 60947-7-1 је 45°C изнад температуре околине при номиналној струји, мерено на завршетку проводника. Ово је важно јер номинална струја претпоставља одређени пречник жице (обично 2,5 mm² за терминални блок од 20A) и одређену температуру околине. Ако користите мањи пречник жице него што је претпостављено у номиналној вредности, стварна носивост струје биће нижа од номиналне вредности због повећаног загревања I²R у премалом проводнику.

Називни импулсни напон. Максимални импулс напона (пренапон) који терминални блок може да издржи без квара. За PLC улазе у индустријским окружењима са оптерећењима мотора, импулси напона од индуктивног прекидача могу достићи 2,5–4 kV чак и на 24V DC колима. Називни импулсни напон је наведен на2,5 kV, 4 kV, 6 kV или 8 kV у зависности од категорије опреме (категорија пренапона I, II, III или IV). За PLC ормане који укључују погоне са променљивом фреквенцијом (VFD), препоручљиво је одабрати терминалне блокове са импулсном отпорношћу од најмање 4 kV.

Степен загађења. ИЕЦ 60947-7-1 захтева да терминални блокови буду оцењени за одређени степен загађења (1, 2 или 3), који описује услове околине под којима ће опрема радити. Степен загађења 3 примењује се у индустријским контролним ормарима где се може очекивати проводљиво загађење (као што су прашина и кондензација). Увек наведите степен загађења 3 за примене у индустријским PLC ормарима и проверите да ли су пузне стазе и растојања терминалног блока сходно томе наведена.

Методе завршетка жице: стезаљка са завртњем у односу на опружни кавез у односу на померање изолације

Метода завршетка жице је механизам којим проводник жице остварује електрични контакт са струјном шипком терминалног блока. За PLC дистрибутивне примене, три доминантне технологије завршетка имају различите предности:

Завршетак са завртњем стезаљке. Најстарија технологија, која користи завртањ за притискање стезне плоче која осигурава проводник уз струјну шипку. Завртњи са завртњем пружају одличну поузданост контакта и широко су прихваћени у индустријским стандардима широм света. Међутим, за инсталацију је потребан одвијач или имбус кључ (што додаје време изради панела) и подложни су деградацији контакта ако се завртањ олабави под утицајем вибрација - познати начин квара у индустријским контролним панелима са тешким сноповима жица или вибрирајућом опремом. Спецификујемо завртње са завртњем за примене где ће се завртњима често приступати ради одржавања или где ожичење на терену обавља особље које преферира тактилну повратну информацију.

Завршетак кавеза са опругом. Опружни механизам примењује константну силу стезања на жичани проводник, елиминишући потребу за завртњем и омогућавајући уметање жице без алата. Опружни кавезни завршеци се брже ожиче у производним окружењима и по својој природи су отпорни на вибрације јер опруга одржава константну контактну силу без обзира на вибрације. Међутим, опружни кавезни завршеци обично имају нешто већи контактни отпор од завршетака са завртњим стезаљкама и можда неће бити прихватљиви у неким старијим индустријским стандардима који претходе технологији опружних кавеза. Препоручујемо опружне кавезне завршетке за окружења са PLC-ом са високим вибрацијама као што су пумпне станице, кућишта компресора и HVAC контролне табле.

Завршетак изолационог померања (IDC). Контакт у облику сечива који пробија изолацију жице и остварује контакт са проводником када се жица угура у отвор за завршетак. IDC завршеци су изузетно брзи (није потребно скидање изолације) и пружају одличну отпорност на вибрације, али су погодни само за чврсте проводнике или фино-жичане проводнике унутар одређеног опсега величина. Нису погодни за грубо-жичане проводнике. За PLC дистрибутивне инсталације коришћењем претходно исечених чврстих жица у производним окружењима, IDC завршеци могу смањити време завршетка за 40–60% у поређењу са методама са завртњима. Спецификујемо IDC завршетке за произвођаче OEM панела који завршавају велике количине стандардизованих жица.

Материјали за кућиште: PA6.6 у односу на PPE/PPO и импликације на перформансе

Материјал кућишта терминалног блока одређује његове термичке перформансе, отпорност на пламен и хемијску отпорност — све су то критични фактори у окружењима PLC кућишта где компоненте које генеришу топлоту, попут PLC напајања и погонских модула, стварају повишене температуре околине. Два доминантна материјала кућишта за индустријске терминалне блокове су полиамид 6.6 (PA 6.6) и модификовани полифенилен етар/полифенилен оксид (мешавине PPE/PPO).

PA 6.6 (често називан једноставно најлон) је најчешће коришћени материјал за кућишта терминалних блокова. Његове кључне предности су одлична механичка чврстоћа, добра диелектрична својства и широка хемијска компатибилност. PA 6.6 постиже UL94 V-0 отпорност на пламен дебљине 0,8 мм, што задовољава захтеве запаљивости ИЕЦ 60947-7-1Међутим, PA 6.6 има континуирано ограничење радне температуре од приближно 105°C и временом апсорбује влагу, што може смањити његову диелектричну чврстоћу и до 30% у окружењима са високом влажношћу.

Материјали кућишта од PPE/PPO нуде врхунску отпорност на влагу и више континуиране радне температуре (до 115–120°C). Њихова диелектрична својства су стабилнија у различитим нивоима влажности, што их чини пожељнијим за спољне или PLC инсталације са високом влажношћу. Међутим, PPE/PPO је скупљи од PA 6.6, а његова механичка отпорност на ударце на ниским температурама је инфериорна - тако да за стандардну употребу у затвореном простору PLC кућишта, PA 6.6 остаје исплативији избор.

За PLC дистрибутивне терминалне блокове који се користе у затвореним ормарићима са температурама околине до 55°C (типично у затвореним ормарићима са компонентама које генеришу топлоту), кућиште од PA 6.6 је адекватно. За инсталације у спољним кућиштима, излагање директној сунчевој светлости или индустријска окружења са високим температурама, препоручујемо PPE/PPO кућиште. Увек проверите спецификацију материјала кућишта у техничком листу – многи генерички технички листови терминалних блокова не наводе јасно материјал кућишта, што би требало да буде упозорење.

Напомене о примени: Примена терминалних блокова високе густине у реалним PLC инсталацијама

Испоручени терминални блокови за PLC дистрибутивне апликације у широком спектру индустрија – аутомобилској монтажи, преради хране и пића, пречишћавању воде и контроли HVAC система – желим да поделим практичне обрасце примене који доследно дају најбоље резултате и грешке у спецификацијама које најчешће доводе до проблема на терену.

Најважнији принцип примене је сегрегација по типу сигналаУ PLC ормару са мешовитим нивоима напона (480V AC моторни доводи, 230V AC контролна кола, 24V DC PLC I/O), терминални блокови за сваки ниво напона треба да буду физички одвојени, било монтирањем на одвојене DIN шине са јасним раздвајањем или коришћењем терминалних блокова типа баријере који обезбеђују физичку преграду између суседних кола различитог напона. Ова сегрегација је потребна због... ИЕЦ 60204-1 (Безбедност машина — електрична опрема) и није опциона у већини режима инспекције индустријске безбедности.

За дистрибутивни део за 24V DC PLC I/O, препоручујемо коришћење конфигурације са три нивоа где је горњи ниво заједничка магистрала напајања (24V DC из напајања), средњи ниво напаја PLC улазну групу A, а доњи ниво напаја PLC улазну групу B. Ова конфигурација омогућава изолацију заједничке магистрале ради закључавања и означавања док обе улазне групе остају под напајањем, а омогућава и искључивање појединачних улазних група ради одржавања без утицаја на другу групу.

Уобичајена грешка у спецификацији коју видим је потцењивање номиналне струје терминалног блока за дистрибуцију напајања PLC-а. Шина за напајање од 24 V једносмерне струје која напаја 32 PLC улазна канала са 20 mA по каналу носи укупно 640 mA - што је далеко унутар номиналне струје било ког терминалног блока. Међутим, ударна струја из PLC улазних модула (која може бити 3-5 пута већа од струје у стационарном стању током укључивања) може тренутно оптеретити дистрибутивни терминални блок. Препоручујемо да се наведу терминални блокови за дистрибуцију напајања PLC-а са номиналном струјом од најмање 150% израчунате струје у стационарном стању, како би се обезбедила адекватна маргина за услове удара и квара.

Још једно практично разматрање је управљање и усмеравање жицаТрослојни терминални блокови смањују број жица, али повећавају густину жица на свакој тачки завршетка (три жице по позицији уместо једне). Ово захтева пажљиву пажњу на облагање жица у реду терминалних блокова како би се осигурало да ниједан полупречник савијања жице није преузак, што би временом могло оштетити изолацију жице. Препоручујемо одржавање минималног полупречника савијања од 3 пута већег од спољашњег пречника жице за флексибилне вишежичне жице.

Одржавање, решавање проблема и модификација терена

Један од најубедљивијих аргумената за трослојне терминалне блокове високе густине у PLC дистрибутивним апликацијама је предност коју пружају у одржавању и решавању проблема. Када PLC улазни канал откаже у конвенционално ожиченом панелу, дијагностички процес захтева праћење појединачне жице од улазног модула назад кроз терминални блок до теренског уређаја – процес који може трајати сатима у сложеном каблу. У добро дизајнираном трослојни терминални блок инсталације, дијагностички пут је драматично краћи јер свака позиција терминалног блока служи дефинисаној и предвидљивој функцији.

За модификације на терену – које се дешавају много чешће него што већина пројектаната система управљања очекује – трослојни терминални блокови са спољним унакрсним повезивањем краткоспојних шипки нуде додатне предности. Када проширење PLC система захтева додавање улазних канала, процес је обично ограничен на додавање позиција терминалних блокова на доступан део DIN шине, инсталирање нових краткоспојних шипки за проширење дистрибутивне магистрале на нове позиције и завршетак нових теренских жица. Ово је знатно брже него повезивање нових појединачних жичних праваца од централног низа терминалних блокова до сваке нове У/И тачке.

За текуће одржавање, препоручујем успостављање распореда провере обртног момента на терминалним блоковима за завршетке са завртњим стезаљкама у окружењима са високим вибрацијама. Интервал провере обртног момента зависи од нивоа вибрација: за ормаре у општим индустријским окружењима (типични подови радионица), годишња провера обртног момента је довољна; за ормаре на вибрирајућим машинама (пумпе, компресори, вибрирајућа сита), полугодишња провера је разумнија. Користите калибрирани обртни одвијач подешен на вредност обртног момента наведену у техничком листу - обично 0,5–0,8 Nm за терминални блок од 4 mm².

Набавка и верификација квалитета: Шта захтевати од свог добављача

Не сви терминални блокови високе густине су створени једнаки, а разлике у спецификацијама које разликују истински пројектовани производ од производа са новим брендом нису увек видљиве на фотографији у каталогу. Ево шта препоручујем да захтевате од свог добављач терминалних блокова:

Захтевајте ИЕЦ 60947-7-1 извештај о испитивањуСваки произвођач који тврди да је усклађен са овим стандардом требало би да буде у могућности да достави извештај о испитивању из акредитоване лабораторије за испитивање (као што је ТУВ Рајнланд, УЛ, Заједничко предузеће за услуге (CSA)или Биро Веритас). Извештај о испитивању документује стварне измерене вредности диелектричне чврстоће, отпора изолације, пораста температуре и механичке издржљивости — не само наведене вредности. Добављач који не може или неће да обезбеди ову документацију представља значајан упозоравајући знак.

Проверите номинални напонски импулс и степен загађења у извештају о испитивању. Многи генерички листови са подацима о терминалним блоковима наводе ИЕЦ 60947-7-1 тврдња о усклађености без навођења напонског импулсног напона или степена загађења — што значи да ти параметри нису тестирани или су резултати испитивања били довољно лоши да су изостављени из техничког листа. За индустријска PLC окружења, требало би да видите степен загађења 3 и импулсни напон 4 kV или више као минималне спецификације.

Потврдите лист са подацима о материјалу кућиштаЗахтевајте квалитет материјала кућишта и УЛ94 степен запаљивости. PA 6.6 терминални блокови треба да буду сертификовани за UL94 V-0 на дебљини зида кућишта која се користи у производу. Ако добављач не може да достави лист са подацима о материјалу, тврдња о материјалу кућишта је непроверена.

Процените спецификација контактног отпораВисококвалитетни терминални блок треба да има контактни отпор мањи од 1 mΩ (милиом) при номиналној струји, мерено на тачки завршетка жице. Веће вредности контактног отпора указују на лошију припрему контактне површине или неоптималан дизајн силе опруге/стезаљке, што ће довести до превременог квара у применама са високом струјом или високом температуром.

Нови трендови: Паметни терминални блокови и интегрисана дијагностика

Тржиште терминалних блокова почиње да се суочава са увођењем интегрисаних дијагностичких функција које раније нису биле могуће са пасивним компонентама. Неколико произвођача, укључујући J-Guang, развијају производе терминалних блокова са уграђеним сензорима за праћење струје, статусним ЛЕД диодама и комуникационим интерфејсима који омогућавају самом терминалном блоку да пријави свој статус PLC-у или BMS-у преко дигиталне магистрале.

За PLC дистрибутивне апликације, најперспективнији развој је интеграција сабирнице за мерење струје који може да детектује отворена кола или абнормалне вредности струје на појединачним позицијама терминалних блокова без додатних спољних сензора. Ово омогућава превентивно упозоравање на одржавање (уместо реактивног одговора на квар) за дистрибутивну мрежу ожичења PLC-а. Терминални блок са интегрисаним сензором струје који извештава PLC преко Модбус РТУ или CANopen Интерфејс може упозорити оператере на проблеме са жичним везама пре него што изазову квар PLC улаза.

Такође видимо повећано усвајање механизми за отпуштање без алата за опружне терминалне блокове који омогућавају уклањање жице без алата — карактеристика која значајно смањује време приступа за одржавање. Комбинација завршетка опружним кавезом (за брзину почетне инсталације) са отпуштањем без алата (за брзину приступа за одржавање) је посебно привлачна за PLC дистрибутивна окружења где су и почетни трошкови израде панела и трошкови текућег одржавања значајни фактори.

Често постављана питања