Криза щільності проводки в сучасних промислових панелях керування

Якщо ви хоч раз перебували всередині шафи програмованого логічного контролера (ПЛК) середнього розміру, зібраної понад п'ять років тому, ви добре знаєте проблему щільності підключення. Шафа заповнена — абсолютно заповнена — окремими проводами, більшість з яких несуть однакові сигнали 24 В постійного струму з однієї й тієї ж шини живлення. Кожна вхідна плата отримує свій окремий провід з ряду клемних колодок. Кожен вихідний канал має зворотний шлях, який відображає складність вхідних даних. Результатом є джгут проводів, який є дорогим у виробництві, надзвичайно складним для усунення несправностей і який практично неможливо модифікувати без появи нових помилок.

Я особисто був свідком панелі керування двигуном на 400 ампер, де двом технікам знадобилося майже вісім годин, щоб діагностувати вихідну несправність одного вхідного каналу, яка зрештою виявилася через ослаблений гвинт на клемній блоці. Така діагностична одіссея зайняла б менше 30 хвилин у добре спроектованій розподільній панелі ПЛК з використанням триярусних клемних колодок високої щільності з архітектурою перехресного з'єднання.

Це не гіпотетична проблема. У сучасних середовищах промислової автоматизації щільність каналів вводу/виводу ПЛК різко зросла, оскільки системи керування стали складнішими. ПЛК S7-1500 від Siemens може адресувати до 8192 окремих точок вводу/виводу на кількох стійках, і кожна з цих точок потребує підключення проводки як на модулі вводу/виводу ПЛК, так і на польовому пристрої. Якщо помножити це навіть на скромну установку, скажімо, 256 точок вводу/виводу, проблема управління проводкою стає справді екзистенційною як для розробника панелей, так і для техніка з обслуговування.

Електроніка Ningbo J-Guang займається проектуванням та виробництвом клемні колодки високої щільності конкретно для розподільчих застосувань ПЛК з 2008 року, і я витратив значний час, працюючи безпосередньо з інтеграторами систем керування та виробниками щитів по всійЄвропа, Північна Америка та Південно-Східна Азія де звичайні клемні блоки невдачі та як багатоярусна архітектура стекування вирішує ці проблеми. Ця стаття є коротким викладом того, що я дізнався про те, чому триярусні клемні колодки з перехресним з'єднанням є найсучаснішим способом розподільчої проводки ПЛК, які технічні характеристики насправді важливі та як вибрати правильний продукт для вашого конкретного середовища встановлення.

Розуміння архітектури триярусного стекування

Фундаментальним обмеженням звичайних однорівневих клемних колодок у розподільчих системах ПЛК є просторова неефективність. Стандартний однорівневий DIN41616 абоІЕК 60947-7-1 Сумісний клемний блок займає одну ширину модуля (зазвичай 6,2 мм або 12 мм залежно від номінального струму) та забезпечує один рівень введення проводів. Коли вам потрібно розподілити 24 В постійного струму на дванадцять окремих вхідних каналів ПЛК із загальної шини живлення, вам потрібно дванадцять окремих позицій клемного блоку, що означає дванадцять ширини модуля простору на DIN-рейці.

Трирівневі клемні колодки вирішують цю просторову неефективність, об'єднуючи три незалежні рівні замикання проводів в межах однієї ширини модуля. Архітектура використовує загальну струмову шину, яка проходить через усі три рівні, але кожен рівень електрично ізольований ізоляційною перегородкою, і кожен рівень має власну незалежну точку введення проводу. В результаті ви можете замикати три окремі дротові кола — кожна з власним вхідним та вихідним з'єднанням — в межах одного розміру DIN-рейки, який знадобився б для однорівневого клемного блоку.

Оскільки три колоди мають спільну струмову смугу, але ізольовані точки контактуТриярусна конфігурація ідеально підходить для розподілу ПЛК, де є спільна шина живлення або сигналу, яка розгалужується до кількох пунктів призначення. Загальна шина підключається до верхньої яруси, а три незалежні вихідні схеми розгалужуються від середньої та нижньої ярусів. У сценарії розподілу входу ПЛК 24 В постійного струму це означає, що один триярусний клемний блок може обслуговувати три вхідні канали від одного спільного живлення, що зменшує необхідну довжину DIN-рейки на дві третини.

Практичний вплив на економіку складання панелей є значним. У типовій панелі ПЛК на 256 входів/виходів перехід від однорівневих до трирівневих клемних колодок для розподілу живлення може зменшити загальну кількість клемних колодок на 60–80 позицій, що безпосередньо призводить до зменшення довжини DIN-рейки, зменшення розміру корпусу панелі (і вартості) та зменшення обсягу проводів. Ми працювали з виробниками панелей, яким вдалося скоротити середній час складання панелей на 4–6 годин на панель після переходу на трирівневу архітектуру для розподільчих секцій ПЛК.

Проектування перехресних з'єднань: розподіл сигналів без хаосу в проводах

Трипалубна архітектура – ​​це лише половина рішення для розподілу ПЛК високої щільності. Друга половина – це конструкція перехресного з'єднання – система внутрішніх шин та зовнішніх перемичок, які дозволяють електрично з'єднувати кілька рівнів клем контрольованим та реверсивним способом. Саме тут дійсно стає помітною інженерна витонченість виробника клемних блоків.

У контексті розподілу ПЛК, перехресне з'єднання означає можливість електрично з'єднати кілька клемних позицій вздовж секції DIN-рейки таким чином, щоб загальний сигнал (наприклад, 24 В постійного струму або 0 В) розподілявся по багатьох рівнях клемних позицій без прокладання окремих проводів між кожною позицією. Це аналогічно тому, як макетна плата в прототипуванні електроніки розподіляє шини живлення по кількох позиціях компонентів, але з механічною надійністю та електричною сертифікацією, необхідною для промислових середовищ керування.

Існує дві основні архітектури перехресного з'єднання, що використовуються в проектуванні клемних блоків високої щільності для застосувань ПЛК:

Внутрішнє перехресне з'єднання шин. Суцільна мідна або латунна шина проходить всередині корпусу клемної колодки, з'єднуючи кілька точок підключення в одному пристрої. Саме цей механізм забезпечує архітектуру спільної струмової шини в триярусній конструкції. Внутрішня шина повинна бути точно підібрана для витримування номінального струму без надмірного підвищення температури — зазвичай для клемної колодки на 30 А з трьома положеннями ярусу потрібна площа поперечного перерізу щонайменше 4 мм². Якість внутрішнього підключення шини до контактної пружини має вирішальне значення: нещільне або високоомне внутрішнє з'єднання створить локальне нагрівання, яке з часом погіршить стан контактної поверхні, що зрештою призведе до виходу з ладу.

Зовнішнє перехресне з'єднання перемичок. Зовнішні перемички, встановлені на заводі або післяпродажне обладнання (також звані розподільними блоками або містками живлення), підключаються до верхньої частини сусідніх клемних колодок, створюючи спільну шину для кількох пристроїв. Ця архітектура є більш гнучкою, ніж внутрішнє перехресне з'єднання, оскільки ви можете переналаштувати, які клемні колодки підключені до якої шини, не розбираючи внутрішню архітектуру. У розподільчих системах ПЛК зовнішні перемички зазвичай використовуються для створення паралельних шин розподілу живлення для вхідних груп ПЛК. Перемички розраховані на той самий струм, що й сама клемна колодка, а їхнє зусилля контакту зі струмовою шиною клемної колодки підтримується пружинним механізмом або гвинтовим затискачем.

О J-Guang, наші триповерхові клемні колодки Використовуйте комбінацію внутрішніх шин для внутрішньопристроєвого стекування та зовнішніх перемичок для міжпристроєвого розподілу. Така подвійна архітектура надає розробникам панелей максимальну гнучкість у налаштуванні мереж розподілу сигналів, а також дозволяє модифікувати їх на місці без перемонтажу, оскільки ви можете від'єднати певний сегмент перемички, не порушуючи роботу решти розподільчої мережі.

Номінальні значення напруги та струму: Що ІЕК 60947-7-1 Насправді вимагає

Одним із найчастіше неправильно тлумачених аспектів вибору клемних колодок для розподільчої системи ПЛК є система номінальної напруги. Клемні колодки мають як номінальну напругу, так і номінальний струм, і обидві специфікації регулюються міжнародними стандартами, але вони не є взаємозамінними, і їх плутанина є одним із найпоширеніших джерел помилок у специфікаціях, з якими я стикаюся в цій галузі.

Застосовуваний стандарт для модульних клемних колодок, що використовуються в промисловому контрольному обладнанні, це ІЕК 60947-7-1 (Низьковольтні розподільні апарати та апаратура керування — Частина 7-1: Допоміжне обладнання — Клемні колодки для мідних провідників). Цей стандарт визначає вимоги до механічних, електричних та екологічних випробувань, які клемна колодка повинна пройти, щоб отримати рейтинг. Основні специфікації згідно з цим стандартом включають:

Номінальна напруга. Максимальна напруга, яку може витримувати клемна колодка між сусідніми ланцюгами або між ланцюгом та монтажною рейкою (якщо застосовується). Для розподільчих систем ПЛК, що використовують сигнали 24 В постійного струму, це рідко є обмеженням, але для трифазного керування двигуном або розподілу змінного струму 480 В номінальна напруга стає критично важливою. Завжди перевіряйте, чи номінальна напруга клемної колодки відповідає або перевищує максимальну напругу системи, а не лише номінальну напругу. Для промислових середовищ ПЛК зі змішаними рівнями напруги (включаючи живильники двигунів змінного струму 480 В) ми рекомендуємо вибирати клемні колодки з номіналом...Мінімум 630 В змінного струму щоб забезпечити достатній запас міцності.

Номінальний струм. Максимальний безперервний струм, який може проходити через клемну колодку без перевищення допустимого підвищення температури. Межа підвищення температури за ІЕК 60947-7-1 є на 45°C вище температури навколишнього середовища при номінальному струмі, виміряному на кінці провідника. Це важливо, оскільки номінальний струм розраховується для певного калібру дроту (зазвичай 2,5 мм² для клемної колодки 20 А) та певної температури навколишнього середовища. Якщо використовувати дріт меншого калібру, ніж передбачає номінальний, фактична вантажопідйомність буде нижчою за номінальне значення через збільшення нагрівання I²R у провіднику малого калібру.

Номінальна імпульсна напруга. Максимальний імпульс напруги (стрибок), який клемна колодка може витримувати без пробою. Для входів ПЛК у промисловому середовищі з навантаженням двигуна імпульси напруги від індуктивного перемикання можуть досягати 2,5–4 кВ навіть у колах 24 В постійного струму. Номінальна імпульсна напруга вказана на2,5 кВ, 4 кВ, 6 кВ або 8 кВ залежно від категорії обладнання (категорія перенапруги I, II, III або IV). Для шаф ПЛК, що містять частотно-регульовані приводи (ЧРП), доцільно вибирати клемні колодки, розраховані на імпульсну напругу щонайменше 4 кВ.

Ступінь забруднення. ІЕК 60947-7-1 вимагає, щоб клемні колодки мали певний ступінь забруднення (1, 2 або 3), який описує умови навколишнього середовища, за яких працюватиме обладнання. Ступінь забруднення 3 застосовується в промислових шафах керування, де можна очікувати кондуктивного забруднення (наприклад, пил і конденсат). Завжди вказуйте ступінь забруднення 3 для промислових шаф ПЛК і перевіряйте, чи шляхи витоку та зазори клемної колодки вказані відповідно.

Методи замикання проводів: гвинтовий затискач проти пружинного затискача проти зміщення ізоляції

Метод замикання проводів – це механізм, за допомогою якого провідник дроту встановлює електричний контакт зі струмовою шиною клемної колодки. Для розподільчих застосувань ПЛК три домінуючі технології замикання мають різні переваги:

Гвинтове затискання. Найбільш усталена технологія, що використовує гвинт для притискання до затискної пластини, яка кріпить провідник до струмової шини. Гвинтові затискачі забезпечують чудову надійність контакту та широко прийняті в промислових стандартах по всьому світу. Однак для встановлення вони вимагають викрутки або шестигранного ключа (що збільшує час складання панелі), і вони схильні до погіршення контакту, якщо гвинт послаблюється під дією вібрації — відомий режим відмови в промислових панелях керування з важкими пучками проводів або вібраційним обладнанням. Ми використовуємо гвинтові затискачі для застосувань, де до затискачів буде часто доступ для технічного обслуговування або де польове підключення виконується персоналом, який віддає перевагу тактильному зворотному зв'язку.

Пружинне замикання каркаса. Пружинний механізм застосовує постійне зусилля затискання до провідника, що усуває необхідність використання гвинта та дозволяє вставляти дріт без інструментів. Пружинні клемні наконечники швидше підключаються у виробничих середовищах і є за своєю суттю вібростійкими, оскільки пружина підтримує постійне зусилля контакту незалежно від вібрації. Однак пружинні клемні наконечники зазвичай мають дещо вищий контактний опір, ніж гвинтові затискачі, і вони можуть бути неприйнятними в деяких старих промислових стандартах, що передують технології пружинних клемних наконечників. Ми рекомендуємо пружинні клемні наконечники для середовищ з високою вібрацією ПЛК, таких як насосні станції, корпуси компресорів та панелі керування системами опалення, вентиляції та кондиціонування повітря.

Замикання ізоляційного зміщення (IDC). Контакт у формі лопаті, який пронизує ізоляцію дроту та контактує з провідником, коли дріт вставляється в гніздо для затискання. Затискачі IDC надзвичайно швидкі (не потребують зачистки) та забезпечують чудову вібростійкість, але підходять лише для одножильних або тонкодротяних провідників у певному діапазоні розмірів. Вони не підходять для грубодротяних провідників. Для розподільчої проводки ПЛК з використанням попередньо нарізаних суцільних дротяних трас у виробничих середовищах затискачі IDC можуть скоротити час затискання на 40–60% порівняно з методами гвинтових затискачів. Ми спеціалізуємося на затискачах IDC для виробників OEM-щитів, які затискають великі обсяги стандартизованих дротяних трас.

Матеріали корпусу: PA6.6 проти PPE/PPO та наслідки для експлуатаційних характеристик

Матеріал корпусу клемної колодки визначає її теплові характеристики, вогнестійкість та хімічну стійкість — усі ці фактори є критично важливими в умовах використання шаф ПЛК, де компоненти, що генерують тепло, такі як блоки живлення ПЛК та модулі приводів, створюють підвищені температури навколишнього середовища. Двома домінуючими матеріалами корпусу для промислових клемних колодок є поліамід 6.6 (PA 6.6) та модифікований поліфеніленовий ефір/поліфеніленоксид (суміші PPE/PPO).

PA 6.6 (часто званий просто нейлоном) є найпоширенішим матеріалом для корпусів клемних колодок. Його ключовими перевагами є чудова механічна міцність, добрі діелектричні властивості та широка хімічна сумісність. PA 6.6 досягає UL94 V-0 вогнестійкість при товщині 0,8 мм, що відповідає вимогам горючості ІЕК 60947-7-1Однак, PA 6.6 має граничну робочу температуру приблизно 105°C, і з часом він поглинає вологу, що може знизити його діелектричну міцність до 30% у середовищах з високою вологістю.

Матеріали корпусу з PPE/PPO забезпечують чудову вологостійкість і вищі тривалі робочі температури (до 115–120°C). Їхні діелектричні властивості стабільніші за різних рівнів вологості, що робить їх кращими для зовнішніх установок ПЛК або установок з високою вологістю. Однак PPE/PPO дорожчий, ніж PA 6.6, а його механічна стійкість до ударів за низьких температур нижча, тому для стандартного використання в шафах ПЛК у приміщенні PA 6.6 залишається більш економічно вигідним вибором.

Для розподільчих клемних колодок ПЛК, що використовуються в закритих шафах з температурою навколишнього середовища до 55°C (типово для герметичних шаф з компонентами, що генерують тепло), достатньо корпусу з PA 6.6. Для встановлення у зовнішніх корпусах, під впливом прямих сонячних променів або в промислових середовищах з високою температурою ми рекомендуємо корпуси з PPE/PPO. Завжди перевіряйте специфікацію матеріалу корпусу в технічному описі — багато універсальних технічних описів клемних колодок не містять чіткого опису матеріалу корпусу, що має бути тривожним сигналом.

Примітки щодо застосування: Розгортання клемних колодок високої щільності в реальних установках ПЛК

Поставивши клемні колодки для розподільчих застосувань ПЛК у широкому спектрі галузей промисловості — автоскладання, переробки харчових продуктів та напоїв, очищення води та управління системами опалення, вентиляції та кондиціонування повітря — я хочу поділитися практичними моделями застосування, які постійно забезпечують найкращі результати, та помилками специфікацій, які найчастіше призводять до проблем у польових умовах.

Найважливіший принцип застосування — сегрегація за типом сигналуУ шафі ПЛК зі змішаними рівнями напруги (живлення двигунів змінного струму 480 В, кола керування змінним струмом 230 В, введення/виведення ПЛК 24 В постійного струму) клемні колодки для кожного рівня напруги повинні бути фізично розділені, або шляхом монтажу на окремих DIN-рейках з чітким розділенням, або шляхом використання клемних колодок бар'єрного типу, які забезпечують фізичне розділення між сусідніми колами з різною напругою. Таке розділення вимагається... ІЕК 60204-1 (Безпека машин — Електрообладнання) і не є необов'язковою в більшості режимів інспекції промислової безпеки.

Зокрема, для секції розподілу вводу/виводу ПЛК 24 В постійного струму ми рекомендуємо використовувати тридекову конфігурацію, де верхня дека є загальною шиною живлення (24 В постійного струму від джерела живлення), середня дека живить групу вводів ПЛК A, а нижня дека живить групу вводів ПЛК B. Така конфігурація дозволяє ізолювати загальну шину для блокування та маркування, тоді як обидві групи вводів залишаються під живленням, а також дозволяє відключати окремі групи вводів для обслуговування, не впливаючи на іншу групу.

Поширеною помилкою специфікації, яку я спостерігаю, є заниження номінального струму клемної колодки для розподілу живлення ПЛК. Шина живлення 24 В постійного струму, що живить 32 вхідні канали ПЛК зі струмом 20 мА на канал, передає загалом 640 мА, що цілком в межах номінального струму будь-якої клемної колодки. Однак пусковий струм від вхідних модулів ПЛК (який може бути в 3–5 разів більшим за усталений струм під час увімкнення) може короткочасно навантажувати розподільну клемну колодку. Ми рекомендуємо вибирати клемні колодки для розподілу живлення ПЛК з номінальним струмом щонайменше 150% від розрахункового усталеного струму, щоб забезпечити достатній запас на випадок пускового струму та несправностей.

Ще одним практичним міркуванням є управління проводами та маршрутизаціяТриярусні клемні колодки зменшують кількість проводів, але збільшують щільність проводів у кожній точці підключення (три дроти на позицію замість одного). Це вимагає ретельної уваги до обробки проводів у ряду клемних колодок, щоб гарантувати, що жоден радіус вигину окремого дроту не буде занадто щільним, що з часом може пошкодити його ізоляцію. Ми рекомендуємо підтримувати мінімальний радіус вигину в 3 рази перевищує зовнішній діаметр дроту для гнучких багатожильних провідників.

Технічне обслуговування, усунення несправностей та модифікація польових умов

Одним із найпереконливіших аргументів на користь використання триярусних клемних колодок високої щільності в розподільчих системах ПЛК є перевага, яку вони забезпечують, у сфері обслуговування та усунення несправностей. Коли вхідний канал ПЛК виходить з ладу в панелі з традиційною проводкою, процес діагностики вимагає відстеження окремого дроту від вхідного модуля назад через клемну колодку до польового пристрою — процес, який може тривати годинами у складному джгуті. У добре спроектованій системі триповерховий клемний блок під час встановлення шлях діагностики значно скорочується, оскільки кожна позиція клемної колодки виконує визначену та передбачувану функцію.

Для польових модифікацій, які трапляються набагато частіше, ніж очікує більшість розробників систем керування, триярусні клемні колодки із зовнішнім перехресним з'єднанням перемичок пропонують додаткові переваги. Коли розширення системи ПЛК вимагає додавання вхідних каналів, процес зазвичай обмежується додаванням позицій клемних колодок до доступної секції DIN-рейки, встановленням нових перемичок для розширення розподільчої шини до нових позицій та завершенням нових польових проводів. Це значно швидше, ніж прокладання нових окремих проводів від центрального масиву клемних колодок до кожної нової точки вводу/виводу.

Для постійного технічного обслуговування рекомендую встановити графік перевірки крутного моменту затягування клемних колодок з гвинтовими затискачами в середовищах з високою вібрацією. Інтервал перевірки крутного моменту залежить від рівня вібрації: для шаф у загальнопромислових середовищах (типові підлоги майстерень) достатньо щорічної перевірки крутного моменту; для шаф на вібраційному обладнанні (насоси, компресори, вібраційні грохоти) доцільніше проводити піврічну перевірку. Використовуйте калібровану динамометричну викрутку, налаштовану на значення крутного моменту, зазначене в технічному паспорті, зазвичай 0,5–0,8 Нм для клемної колодки 4 мм².

Постачальник та перевірка якості: чого вимагати від постачальника

Не всі клемні колодки високої щільності створені рівними, а відмінності в специфікаціях, які відрізняють справді розроблений продукт від товарного ребрендингу, не завжди видно на фотографії в каталозі. Ось що я рекомендую вимагати від вашого постачальник клемних блоків:

Запит ІЕК 60947-7-1 звіт про випробуванняБудь-який виробник, який заявляє про відповідність цьому стандарту, повинен мати можливість надати звіт про випробування з акредитованої випробувальної лабораторії (наприклад, ТЮВ Рейнланд, УЛ, CSA (Компанія з питань соціального забезпечення)або Бюро Верітас). У звіті про випробування задокументовано фактично виміряні значення діелектричної міцності, опору ізоляції, підвищення температури та механічної витривалості, а не лише заявлені номінали. Постачальник, який не може або не бажає надати цю документацію, є серйозним тривожним сигналом.

Перевірте імпульсна напруга та ступінь забруднення у звіті про випробування. У багатьох типових технічних описах клемних блоків зазначено ІЕК 60947-7-1 заява про відповідність без зазначення номінальної імпульсної напруги або ступеня забруднення, що означає, що ці параметри не були перевірені, або результати випробувань були настільки поганими, що їх не вказали в технічному описі. Для промислових середовищ ПЛК мінімальними характеристиками повинні бути ступінь забруднення 3 та імпульсна напруга 4 кВ або вище.

Підтвердіть паспорт матеріалів корпусуЗапитуйте клас матеріалу корпусу та UL94 клас займистості. Клемні колодки PA 6.6 повинні бути сертифіковані за UL94 V-0 при товщині стінки корпусу, що використовується у виробі. Якщо постачальник не може надати паспорт матеріалу, заява про матеріал корпусу вважається неперевіреною.

Оцініть специфікація контактного опоруВисокоякісний клемний блок повинен мати контактний опір менше 1 мОм (міліом) при номінальному струмі, виміряному в точці замикання дроту. Вищі значення контактного опору вказують на погану підготовку контактної поверхні або неоптимальну конструкцію пружини/затискача, що призведе до передчасного виходу з ладу в умовах високих струмів або високих температур.

Новітні тенденції: інтелектуальні клемні колодки та інтегрована діагностика

На ринку клемних блоків починають з'являтися інтегровані діагностичні функції, які раніше були неможливі для пасивних компонентів. Кілька виробників, включаючи J-Guang, розробляють клемні блоки з вбудованими датчиками моніторингу струму, світлодіодними індикаторами стану та комунікаційними інтерфейсами, які дозволяють самому клемному блоці повідомляти про свій стан до ПЛК або BMS через цифрову шину.

Для розподільчих застосувань ПЛК найперспективнішим розвитком є ​​інтеграція струмочутливі шини який може виявляти розірвані ланцюги або аномальні значення струму на окремих позиціях клемних колодок без додаткових зовнішніх датчиків. Це дозволяє видавати сповіщення про профілактичне обслуговування (а не реагувати на реактивні відмови) для розподільчої проводки ПЛК. Клемна колодка з інтегрованим датчиком струму, яка повідомляє ПЛК через Modbus RTU або CANopen Інтерфейс може попередити операторів про проблеми з підключенням проводів, перш ніж вони спричинять збій входу ПЛК.

Ми також спостерігаємо зростання впровадження механізми розблокування без інструментів для пружинних клемних колодок, які дозволяють знімати дроти без інструментів — функція, яка суттєво скорочує час доступу для обслуговування. Поєднання пружинного замикання (для швидкості початкового встановлення) з безінструментальним розмиканням (для швидкості доступу для обслуговування) є особливо привабливим для розподільчих середовищ ПЛК, де значними факторами є як початкова вартість складання панелі, так і поточні витрати на обслуговування.

Часті запитання