Kundenspezifische Kabel für die Industrieautomation

Automatisierung spart Arbeit, Energie und Material und erhöht gleichzeitig die Genauigkeit und Qualität. Eine potenzielle Schwachstelle besteht jedoch darin, dass die heutigen Industriemaschinen und -betriebe - die eine noch nie dagewesene Systemkomplexität aufweisen - besonders auf eine stabile Konnektivität für die Übertragung von Leistung, Steuerung und Betriebsdaten angewiesen sind. Jede Verletzung dieser Konnektivität kann zu größeren Durchsatzunterbrechungen und teuren Maschinen- oder Endproduktschäden führen.

Aus diesem Grund ist die Zuverlässigkeit industrieller Kabellösungen zur Verbindung aller Steuerungen, Sensoren und Aktoren automatisierter Systeme von entscheidender Bedeutung, um ungeplante Wartung zu minimieren und die Zuverlässigkeit automatisierter Abläufe aufrechtzuerhalten.

Abbildung 1: Industriekabel in automatisierten Umgebungen werden für die elektrische Energieverteilung sowie für die Übertragung von Steuersignalen und Daten (zur Datenerfassung und Betriebsüberwachung) verwendet. Kabelbaugruppen, die diese Funktionen kombinieren (wie z.B. ÖLFLEX CONNECT kundenspezifische Kabellösungen von Lapp USA) sind auf dem Vormarsch. (Bildquelle: Lapp USA)

Zuverlässige Kabel erfordern eine robuste Erdung, Leitungsdrähte und Steckverbinder; und es gibt viele andere Überlegungen. Zum Beispiel ist die Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenz (EMI) entscheidend, um eine zuverlässige Steuerung und Datenübertragung zu gewährleisten. Bei beweglichen Achsen müssen die Kabel auch flexibel genug sein, um tausenden von Biegezyklen standzuhalten. Die Isolierung um jede leitende Litze muss außerdem robust und abriebfest sein.

Für Anwendungen in der Industrieautomation mit besonders hohen Anforderungen werden daher zunehmend kundenspezifische Kabel verwendet. Neue Optionen für Abschirmung, Isolierung, Robustheit der Ummantelung und Formfaktor helfen den Ingenieuren, die Kabel für eine vollständige Optimierung auf ihre Anwendungen zuzuschneiden.

Modulare Kabel im Kontext der industriellen Automatisierung

Modulare Kabel und Steckverbinder sind werksseitig konfektionierte Produkte, die aus einem standardisierten Satz von Unterkomponenten bestehen, die für einen schnellen und äußerst zuverlässigen Betrieb oft zusammengesteckt oder zusammengeklemmt werden. Kein Wunder, dass kundenspezifische Kabelbaugruppen, die auf modularen Subkomponenten basieren, in der Industrieautomation - aber auch in anderen Branchen wie dem Bauwesen - immer häufiger anzutreffen sind.

Modulare Kabel können den Installationsaufwand vor Ort im Vergleich zu herkömmlichen Kabelsätzen um etwa 60% bis 70% reduzieren. Das liegt zum großen Teil daran, dass modulare Kabelbaugruppen es nicht mehr erforderlich machen, dass Anlagenpersonal oder Integratortechniker elektrische Leiter physisch anschließen und Tests und Fehlerbehebung vor Ort durchführen müssen. Tatsächlich erfordern die meisten traditionellen Kabelinstallationsverfahren, dass ein Elektriker das Kabel auf die erforderlichen Längen zuschneidet, seine Ummantelung abisoliert und die Verbindungen von Hand verdrillt. Modulare Kabel machen diese lästigen Aufgaben überflüssig und erhöhen gleichzeitig die Zuverlässigkeit; denn auch hier werden alle Anpassungen, Zuschnitte, Verbindungen und Endbearbeitungen mit wiederholbaren Fabrikprozessen durchgeführt. Darüber hinaus werden Kabel, die von Lieferanten bezogen werden, die kundenspezifische Baugruppen verkaufen, in der Regel automatisierten Tests unterzogen, bevor die Kabel verschifft werden. Auf diese Weise werden die anwendungsspezifischen Kabel bereits in der Konstruktionsphase vollständig spezifiziert - und die Installation vor Ort besteht aus dem einfachen Einstecken dieser Kabel in die Maschinenkomponenten.

Abbildung 2: Benutzerdefinierte Kabelbaugruppen können dem Elektriker die hier gezeigte Verkabelung und Prüfung vor Ort ersparen.

Abschirmung zum Schutz der Übertragungsqualität

Mit immer komplexeren Systemen, die die Übertragung von Energie-, Steuer- und Datensignalen beinhalten, sind moderne Industrieumgebungen elektrisch verrauscht. Deshalb müssen empfindliche Geräte und Signale vor EMI geschützt werden. Diese Störungen des elektrischen Stromkreises werden durch elektromagnetische Induktion, elektrostatische Kopplung und Leitung verursacht. Tatsächlich müssen Kabel in elektrisch verrauschten Umgebungen möglicherweise abgeschirmt werden, um die Ausbreitung von EMI zu verhindern:

• Die Kabel können Störungen von EMI ausgesetzt sein, die ihren Ursprung anderswo haben.
• Die Industriekabel selbst können die Quelle von EMI sein
• Die Kabel können sonst wie eine Antenne wirken, um Rauschen auszustrahlen

Motoren, Generatoren, Transformatoren, Induktionserwärmung und Stromkabel können alle Quellen hoher EMI sein. Steuer- und Datenkabel in unmittelbarer Nähe dieser Quellen müssen abgeschirmt werden. Sehr empfindliche Signale müssen möglicherweise abgeschirmt werden, auch wenn sie sich in einiger Entfernung von der EMI-Quelle befinden.

Tatsächlich kann die Abschirmung die Form eines Käfigs haben, der einen gesamten automatisierten Betrieb umgibt, eines Metallschranks oder eines Kabelkanals, der die Kabel umgibt, oder (wie hier im Detail besprochen) direkt in die Kabel eingebaut sein.

Die Abschirmung von Kabeln gegen EMI kann mit einer Faraday-Abschirmung (das ist eine durchgehende Ummantelung aus leitfähigem Material um die Kabeladern) oder einem Faraday-Käfig (das ist ein leitfähiges Geflecht um die Kabeladern) erfolgen. Erstere besteht in der Regel aus Folie und letztere aus geflochtenem Draht.

Folienabschirmungen bestehen oft aus dünnem Aluminium für eine kontinuierliche Abschirmung, die kostengünstig und flexibel, aber schwieriger zu erden ist.

Geflochtene Drähte sind ein Geflecht aus Kupferdraht, das sich leichter mit der Erde verbinden lässt, aber in einigen Fällen keine 100%ige Abdeckung bietet - da kleine Öffnungen das Eindringen von Hochfrequenzsignalen ermöglichen können. Damit ein Faraday-Käfig funktioniert, müssen also alle Löcher oder Lücken im Gitter deutlich kleiner sein als die Wellenlänge der abzublockenden Strahlung. Einige Hersteller verzinnen ihre geflochtenen Schirmdrähte, um den Schutz vor EMI zu verbessern. Andere sorgen für saubere Signale in sehr verrauschten Umgebungen mit mehreren Abschirmungsebenen - zum Beispiel zwischen einzelnen Paaren sowie um das gesamte Kabel herum. Eine solche Abschirmung kann teurer und weniger flexibel sein als andere Optionen.

Sowohl Käfige als auch Abschirmungen sind Leiter, die elektromagnetische Strahlung reflektieren, um zu verhindern, dass diese Strahlung ins Innere der leitenden Litzen des Kabels gelangt. Die Abschirmung in Kabeln wird typischerweise zwischen Isolationsschichten gelegt, die die leitenden Drähte umgeben. Dann wird diese Abschirmung normalerweise mit der Erde verbunden, um eine effiziente Verteilung der EM-Energie zu ermöglichen.

Abbildung 3: ÖLFLEX CONNECT SERVO Kabel von Lapp USA enthalten Strom- und Datenanschlüsse sowie Steckverbinder zur Vereinfachung der Verwendung mit Antrieben und Servomotoren von Siemens, Rockwell/AB, Indramat, Lenze und SEW. Die EMV-Abschirmung in diesen Kabeln wird vom Hersteller in einem automatisierten Verfahren vorgenommen, bei dem die Kabelummantelung entfernt und die Abschirmung für einen 360°-Kontakt mit dem Steckverbinder aufgefächert wird. (Bildquelle: Lapp USA)

Optionen für industrielle Kabelisolierung

Isolierung ist das nicht leitende Material, das einen elektrischen Leiterdraht umgibt. Sie verhindert nicht nur die Leitung zwischen Drähten oder zur Erde, sondern dient häufig auch zum Schutz vor Abrieb und dem Eindringen von Flüssigkeiten. Es ist wichtig zu beachten, dass die Isolierung allein keine Barriere für EMI darstellt, wenn Magnetfelder und Strahlung direkt durch sie hindurchgehen. Im Folgenden sind einige gängige Dämmstoffe aufgeführt.

Polyvinylchlorid (PVC) ist eine kostengünstige und häufig verwendete Isolierung. Es hat einen Temperaturbereich von etwa -55° bis +105°C und ist beständig gegen übliche Lösungsmittel und Brennstoffe. Kapazität und Dämpfung führen zu einem gewissen Leistungsverlust.

Harthart-PVC (SR-PVC) hat eine höhere Abriebfestigkeit als andere Optionen; das ähnliche Plenum-Polyvinylchlorid-Material (Plenum-PVC) weist ebenfalls eine bessere Flammbeständigkeit auf.

Polyethylen (PE) hat eine niedrige Kapazität, wodurch es gut für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung geeignet ist. Es ist unflexibel und brennbar mit einem Temperaturbereich von -65° bis +80°C.

Chloriertes Polyethylen (CPE) hat eine ausgezeichnete Hitze- und Feuerbeständigkeit und wird häufig in industriellen Strom- und Steuerkabeln eingesetzt.

Silikon ist hoch hitzebeständig (sogar bis 180°C) sowie schwer entflammbar und flexibel.

Fiberglas wird häufig für Anwendungen verwendet, die extreme Hitzebeständigkeit erfordern, wie z.B. Gießereien und Metallverarbeitung. Es kann bei Dauertemperaturen von bis zu 480°C eingesetzt werden.

Beachten Sie, dass die Betriebsbedingungen nur als grobe Richtlinie angegeben werden. Konstrukteure sollten sich immer auf die Spezifikationen der Kabelhersteller beziehen, bevor sie ein Kabel für eine bestimmte Anwendung verwenden.

Industrielle Kabelmäntel und -ummantelungen

Bei einigen Kabeln sind die Funktion der elektrischen Isolierung und des äußeren Schutzes getrennt, wobei für jede Funktion optimierte Materialien verwendet werden. In diesem Fall wird die innere Schicht, die für die elektrische Isolierung sorgt, als Isolierung bezeichnet, während die äußere Schicht, die Schutz bietet, als Mantel bezeichnet wird. Dies kann sowohl die Robustheit als auch die Flexibilität verbessern.

Verschiedene Mantelmaterialien können verwendet werden, um einen speziellen Schutz vor Bedrohungen wie Abrieb, Flüssigkeiten, Hitze, Chemikalien oder Mikroben zu bieten. Einige gebräuchliche Mantelmaterialien gehören dazu:

Polyurethan (PUR) mit hoher Zähigkeit und Flexibilität sowie Chemikalien-, Wasser- und Abriebbeständigkeit. Polyurethan ist jedoch brennbar. Schlechte elektrische Eigenschaften bedeuten, dass es sich nicht zur Verwendung als Isolierung eignet.

Nylon mit ausgezeichneter Zähigkeit, Flexibilität sowie Abrieb- und Chemikalienbeständigkeit.

Neoprene handelt es sich um einen synthetischen duroplastischen Kautschuk mit ausgezeichneter Abrieb-, Durchstich-, Öl- und Lösungsmittelbeständigkeit. Es hat eine lange Lebensdauer und wird häufig in militärischen Anwendungen eingesetzt.

Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), der ein Duroplast mit ausgezeichneter Abrieb-, Öl- und Lösungsmittelbeständigkeit ist. Es wird in Mil-C-55668 Kabeln verwendet.

Litzenanordnungen in Industriekabeln

Einzelne Litzen innerhalb eines Kabels können auf verschiedene Weise angeordnet werden, um unterschiedliche Biegeeigenschaften zu vermitteln.

Festleiter bestehen aus einem einzigen dicken Draht, der kostengünstig, aber steif und weniger robust ist.

Bündelverseilung ist relativ einfach, wobei alle Litzen in der gleichen Richtung miteinander verdrillt sind, ist aber robuster als Massivkabel.

Konzentrische Verseilung hat einen einzelnen Draht in der Mitte, um den eine Lage von Drähten verdrillt ist; alle aufeinanderfolgenden Lagen sind in wechselnden Richtungen verdrillt. Dadurch entstehen glatte Kabel, die für den Einsatz in Automatisierungsanwendungen geeignet sind.

Seilverseilung hat Bündel von Kabeln, die auf verschiedene andere Arten verseilt sind - auch ein Design, das ein flexibles Kabel ergeben soll.

Schlussbemerkung zu Steckverbindern für Industriekabel

Kabelsteckverbinder für die industrielle Automation sind ebenso anpassbar wie die Kabel selbst. Dieses Thema wird in einem weiteren Artikel behandelt und diskutiert die verschiedenen Permutationen dieser Anschlüsse (sowie Stopfbuchsen- und Griffoptionen). Es ist jedoch bemerkenswert, dass Steckverbinder zunehmend auf bestimmte Komponenten spezialisiert sind - wie zum Beispiel die oben erwähnten Servomotorkabel.

Darüber hinaus bieten Kabelverbinder heute hochspezialisierte Designs, um die Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse aufrechtzuerhalten. Der Widerstand von Steckverbindern gegen Eindringen wird auf die gleiche Weise wie bei Gehäusen bewertet, wobei ein IP-Code (Ingress Protection) verwendet wird. Diese Codes bestehen aus zwei Ziffern - wobei die erste Ziffer den Grad des Schutzes vor Fremdkörpern und Staub und die zweite Ziffer den Grad des Schutzes vor Flüssigkeiten angibt. Die erste Ziffer reicht von 0 für ungeschützt bis 6 für staubdicht. Die zweite Ziffer reicht von 0 für keinen Schutz bis 8 für kontinuierlichen Schutz gegen kontinuierliches Untertauchen in einer Tiefe von 1 Meter.

An anderer Stelle sind standardisierte Geometrien für Kabelverbinder eingeführt worden, um die Spezifikation zu vereinfachen. Zum Beispiel sind modulare RJ Steckverbinder für Kabel, die in der Datenübertragung eingesetzt werden, immer häufiger anzutreffen. Beachten Sie, dass der Begriff RJ in diesem Zusammenhang für Registrierte Buchse steht und von den Anwendungen des Telefonsystems herrührt. Obwohl technisch gesehen, sind moderne modulare Steckverbinder eigentlich gar keine RJ-Stecker. Diese Verbinder lassen sich schnell und zuverlässig mit speziellen Crimpwerkzeugen, die den Verbinder fixieren und die elektrischen Kontakte in einem einzigen Arbeitsgang herstellen, zum Kabelanschluss montieren. Dies ermöglicht eine effiziente und bequeme Montage der Kabel vor Ort, obwohl werkseitig konfektionierte Kabel zuverlässiger sind. Diese Art von Verbindungsstecker hat normalerweise eine Lasche, um den Stecker sicher in einer Buchse zu halten, und hat oft einen durchsichtigen Kunststoffkörper, der eine visuelle Inspektion der internen Kontakte ermöglicht.

Abbildung 4: Der zweite und dritte hier gezeigte Kabelstecker sind RJ-Stecker. (Bildquelle: Lapp USA)

Für weitere Informationen zu diesem Thema lesen Sie unbedingt den DigiKey-Artikel "Das richtige Kabel für eine industrielle Anwendung: Auswahl und Verwendung für erfolgreiche Designs" für einige Hinweise zur Auswahl eines Industriekabels.