Robuste elektrische Energie-, Kommunikations- und Sicherheitssysteme für die Fabrikautomation

Stromversorgungs-, Kommunikations- und Sicherheitssysteme sind entscheidende Elemente einer modernen Fabrik, die den zuverlässigen Betrieb von hochgradig vernetzten, millionenschweren Maschinen ermöglichen. Darüber hinaus müssen die Verdrahtungssysteme für diese kritischen Elemente über viele Jahre hinweg zuverlässig sein und gleichzeitig Hitze und Vibrationen sowie andere Herausforderungen wie schwankende Eingangsspannungen, Feuchtigkeit und hohe Feinstaubkonzentrationen bewältigen.

Die Integration einer umfangreichen Verkabelung in eine Fabrik ist schwierig und teuer, und im Idealfall sollte diese Aufgabe nur einmal erledigt werden. Daher muss sichergestellt werden, dass die Kabel, Steckverbinder und Verteilerkästen, aus denen ein System besteht, robust, zuverlässig und skalierbar sind, damit sie den heutigen und künftigen Normen, Protokollen und Vorschriften entsprechen.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Anforderungen in einer modernen Fabrik. Anschließend wird ein modularer Ansatz für den Aufbau und die Weiterentwicklung von industriellen Automatisierungsnetzwerken anhand von realen Komponentenbeispielen von Molex vorgestellt. Sie zeigt, wie ein modularer Ansatz die Einführung vereinfachen und die wichtigsten Umwelt-, Betriebs-, Sicherheits-, Zuverlässigkeits- und Kostenanforderungen erfüllen kann, während gleichzeitig genügend Flexibilität für die Erweiterung und Anpassung an das Wachstum der Fabrik erhalten bleibt.

Verkabelung der Fabrik von morgen

Die industrielle Automatisierung (IA) hat die moderne Fabrik verändert. Die Kommunikation ist heute ebenso wichtig wie der Strom für die Antriebe und Servomotoren der großen Maschinen, die Waren herstellen, und die Sicherheit ist von entscheidender Bedeutung, da Menschen und Roboter eng zusammenarbeiten. Die Herausforderung für den Automatisierungstechniker besteht in der Auswahl und Installation von Energie-, Kommunikations- und Sicherheitsverkabelungen, die die Vorteile der heutigen Technologie nutzen und gleichzeitig die Zukunft im Hinblick auf die Skalierbarkeit im Auge behalten.

Das ist eine große Herausforderung, denn Fabriken sind eine große Investition und für eine lange Lebensdauer ausgelegt. Während ihrer Lebensdauer wird sich die Fertigungstechnologie weiterentwickeln, und Verdrahtungssysteme, die noch vor wenigen Jahren zufriedenstellend waren, sind möglicherweise nicht mehr angemessen. Wenn die Produktionskapazität steigt, benötigt jedes zusätzliche System seine eigene Vernetzung, und die Neuverkabelung einer Fabrik ist nicht nur teuer und zeitaufwändig, sondern bedeutet auch, dass teure Maschinen stillstehen.

Ingenieure wenden sich zunehmend modularen Systemen zu, die die Verdrahtung für Strom, Kommunikation und Sicherheit im selben Mantel unterbringen und gleichzeitig künftiges Wachstum in Form von Ersatzkabeln ermöglichen. Ein wichtiger Bestandteil dieses Konzepts ist das M23-Stecksystem, das so genannt wird, weil der Durchmesser des Gewindes der Kabelkupplung 23 Millimeter (mm) beträgt. Das System ist relativ einfach zu montieren und zu testen und bietet eine robuste und zuverlässige Energie- und Kommunikationsinfrastruktur (Abbildung 1),

Abbildung 1: Ein M23-Kabelsatz mit einer 23mm-Steckbuchse und einem 8-poligen Buchseneinsatz. (Bildquelle: Molex)

Die M23-Steckverbinder und -Kabel sind für die Wartung von elektrischen Antrieben, Servomotoren und Encodern in der Industrieautomation konzipiert. Das M23-System verfügt über eine Reihe von Einsätzen und Gehäusen für Daten, Kommunikation und kombinierte Energie- und Datenübertragung, so dass es sich gleichermaßen für Anwendungen mit Signal- oder Energieübertragung eignet. M23-Kabelsätze können Spannungen von 250, 630 oder 800 Volt bei Strömen von 9, 18 oder 30 Ampere (A) übertragen.

Die M23-Verkabelung ist nicht durch eine internationale Norm geregelt. Die Hersteller halten sich jedoch in der Regel an die Empfehlungen für die Herstellung der Kabelsätze, was die Interoperabilität ermöglicht. M23 kann somit als De-facto-Norm angesehen werden.

Eine Variante des M23-Systems ist das M12-System, das einen Gewindedurchmesser von 12 mm hat. Da das M12 nicht für die Stromversorgung verwendet wird, sind die Kabelsätze kompakter und sparen Kosten und Platz (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der M12-Kabelsatz wird nur für die Kommunikation und die Sicherheit verwendet; er hat einen kompakteren Formfaktor als der M23-Kabelsatz. (Bildquelle: Molex)

Der Schlüssel zum Erfolg der M23/M12 ist ihre Flexibilität. Erstens können Entwickler ihre eigenen maßgeschneiderten Systeme zusammenstellen, indem sie Kabel, Kupplungen, Buchsen, Einsätze, Steckergehäuse und sogar den Durchmesser der Gegenstifte spezifizieren. Die Kupplungen sind in geraden und abgewinkelten Ausführungen erhältlich, und die Einsätze können mit verschiedenen Pin-Zahlen und Mustern bezogen werden. Das Ergebnis ist eine breite Palette von anpassbaren Varianten für praktisch jede Anwendung.

Alternativ kann der Entwickler aus einer Reihe von werkseitig gelieferten Kabel-/Kupplungs- oder Kabel-/Dosenbaugruppen wählen. Der Vorteil von vorgefertigten Produkten ist die Zeitersparnis bei der Montage und die Gewissheit, dass die Integrität des Kabels und des Steckers bereits im Werk geprüft wurde. Der Nachteil ist eine relativ begrenzte Auswahl an Lösungen im Vergleich zu einer Neuentwicklung. Das vorgefertigte Sortiment ist jedoch nach wie vor breit gefächert und deckt Steckverbinderalternativen und Kabellängen für die meisten Fabrikautomatisierungsoptionen ab, einschließlich rotierender Maschinen, Schweißroboter oder automatisierter Montageanlagen.

Schutz vor Verschmutzung, Vibration und EMV

Von einigen Ausnahmen abgesehen, z. B. bei der Herstellung von Lebensmitteln, Pharmazeutika und Hightech-Elektronik, ist die Fabrikumgebung in der Regel voller Feuchtigkeit, Staub, Fett und anderer Verunreinigungen, die der Feind von elektrischen Systemen sind. Bei anderen Anwendungen kann es erforderlich sein, dass die Kabel- und Steckerlösung gegen die bei der Produktion und Reinigung verwendeten Säuren und Laugen beständig sein muss, so dass das Eindringen von Flüssigkeiten, Partikeln und anderen Stoffen verhindert werden muss.

Die erforderliche spezifische Beständigkeit gegen Verunreinigungen hängt von den Anforderungen des Werks ab. Die Hersteller kategorisieren ihre Produkte hilfreicherweise nach dem IP-Klassifizierungssystem. Die IP-Schutzart gibt den Schutzgrad an, den das Produkt bietet, und wird durch die internationale Norm EN 60529 definiert.

Das Schema besteht aus zwei Ziffern, von denen die erste den Schutzgrad vor festen Gegenständen angibt, z.B. von Werkzeugen oder Fingern, die gefährlich sein könnten, wenn sie mit elektrischen Leitern in Berührung kommen, bis hin zu Schmutz und Staub in der Luft, die Schaltkreise beschädigen könnten. Die zweite Ziffer definiert den Schutz vor verschiedenen Tropfen, Spritzern oder Untertauchen. Die Palette reicht von IP00 (kein Schutz gegen Staub oder Wasser) bis IP69 (vollständiger Schutz gegen Staub und starkes, hochtemperiertes Strahlwasser).

Nicht nur Schadstoffe können bei schlecht konzipierten elektrischen Anlagen in der Fabrik Probleme verursachen. Die Kabelkonfektionen sind außerdem potenziell thermischen Belastungen, Vibrationen und mechanischer Biegung ausgesetzt (insbesondere beim Einsatz in einer Roboteranwendung, wo die Kabel ständig in Bewegung sein können). Darüber hinaus werden in Fabriken in der Regel große Elektromotoren eingesetzt, die beim Einschalten hohe Ströme ziehen und dadurch Strom- und Spannungsspitzen sowie elektromagnetische Interferenzen (EMI) verursachen, die empfindliche Kommunikationssysteme stören können.

Die M23- und M12-Kabelkonfektionen sind speziell für den Einsatz in Werksumgebungen konzipiert, und ihre Schraubverbindungen widerstehen Vibrationen und mechanischen Belastungen. Für schwierige EMI-Umgebungen bieten die Kabelsatzhersteller in der Regel Optionen mit integrierter Abschirmung an.

So bietet Molex mit seinen umspritzten M23-Stromkabeln Brad^® 120480 eine Reihe besonders robuster Stromkabel an. Diese Kabelkonfektionen sind für anspruchsvolle Umgebungen ausgelegt und verfügen über Merkmale wie kunststoffumspritzte Ummantelungen zum Schutz der Kabel/Steckverbinder-Verbindung und optionale EMI-Abschirmung. Sie sind in diskreten Längen von 1 Meter (m) bis zu 20 m erhältlich und zur besseren Sichtbarkeit orange gefärbt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die M23-Kabelsätze 120480 verfügen über Umspritzungen für zusätzlichen Schutz und eine Reihe von Einsätzen; hier sind sechs- und achtpolige Varianten abgebildet. (Bildquelle: Molex)

Die Kabel sind entweder in sechs- oder achtpoliger Ausführung erhältlich. Die maximale Spannung und Stromstärke beträgt 800 Volt und 18 A, mit einem Kontaktwiderstand von 3 Ohm (Ω) und einem Isolationswiderstand von 100 Megaohm (MΩ). Die Kabelsätze können in einem Temperaturbereich von 25°C bis +85°C betrieben werden und bieten nach dem Zusammenstecken die Schutzart IP67 für Staub und Wasser.

Der Vorteil eines modularen Systems wie M23 ist, dass die Fabrikverkabelung schnell aufgebaut und angepasst werden kann, wenn die Fabrik wächst. Das System ermöglicht es dem Techniker, Kabelnetze einfach miteinander zu verbinden und die Kabelenden direkt an Maschinen mit M23-Buchsen anzuschließen. Die Verdrahtung bietet nicht nur die für die Fabrikautomatisierung erforderliche hohe Spannung und Stromstärke, sondern ist auch in der Lage, Fabrikkommunikationssysteme wie Ethernet, EtherCAT, Modbus und PROFINET zu unterstützen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die M23-Verkabelung erleichtert die Erweiterung des kabelgebundenen Netzwerks in der Fabrik, wenn neue Fertigungszellen hinzugefügt werden. (Bildquelle: Molex)

Gewährleistung der Sicherheit in der Fabrik

Die Vernetzung spielt in der modernen Fabrik eine Schlüsselrolle. Die Steuerung und Aktualisierung von Geräten ist ein wichtiger Teil der Aufgabe des Netzwerks, aber auch die Sicherheit der Fabrikautomation ist wichtig, insbesondere dort, wo sich Menschen und Roboter auf engem Raum befinden. Der Roboter verfügt in der Regel über mehrere Sensoren, die die Bewegung stoppen, wenn ein Arbeiter in den Arbeitsbereich eindringt, und die Sicherheitszelle wird durch verriegelte Tore und Zugangstüren vervollständigt. All diese Systeme erfordern Vernetzung, und das kabelgebundene Netzwerk kann schnell komplex und unhandlich werden, wenn jeder Sensor von einem Zweig des Hauptnetzwerks der Fabrik versorgt wird (Abbildung 5).

Abbildung 5: Roboterarbeitszellen erfordern lebenswichtige Sicherheitssysteme zum Schutz menschlicher Arbeitskräfte in der Fabrikautomation. (Bildquelle: Molex)

Stattdessen vereinfachen die Ingenieure die Dinge, indem sie Verteilerkästen des Multiport Interconnection Systems (MPIS) verwenden, die an das Hauptnetz der Fabrik angeschlossen sind. Von dort aus werden M12-Steuerkabel an die Ausgänge der Boxen angeschlossen, um die Sicherheitssysteme der Fertigungszelle zu verdrahten. Ein Beispiel dafür ist der robuste MPIS-Verteilerkasten 1202480510 von Molex mit Schutzart IP67, der die Verwaltung von Sicherheitsvorrichtungen an Maschinen erleichtert (Abbildung 6).

Abbildung 6: MPIS-Sicherheitsverteilerboxen von Molex vereinfachen die Sicherheitsverdrahtung und sparen gleichzeitig Platz und Kosten. (Bildquelle: Molex)

Die 1202480510 verfügt über ein 5 m langes integriertes Kabel für den Anschluss an das Hauptnetzwerk im Werk, vier achtpolige M12-Anschlüsse und vier vier- und fünfpolige M12-Anschlüsse in einem Gehäuse. Der Verteilerkasten ermöglicht die Installation von Standard-I/O-Verkabelungssystemen auf begrenztem Raum und maximiert gleichzeitig die Flexibilität des Sicherheitsdesigns. Jeder Port kann bis zu 30 Volt DC mit einem maximalen Strom von 4 A (12 A Gesamtstrom für den Verteilerkasten) handhaben. Der Verteilerkasten ist für die Verwendung mit Kabelsätzen wie dem der 1 m langen, achtpoligen M12-Micro-Change-Serie 1200652383 und der 1 m langen, vierpoligen M12-Version 1200652378 von Molex vorgesehen.

Fazit

Die Fabrikautomatisierung erfordert robuste, zuverlässige und skalierbare Stromversorgungs-, Kommunikations- und Sicherheitsverkabelungsnetze. Modulare Systeme, die auf den De-facto-Standards M23 und M12 basieren, vereinfachen die Erstinstallation und erfüllen diese Anforderungen. Die Kabelsätze und Verteilerkästen, die sie verwenden, sind für die strengen Bedingungen in der Fabrikumgebung ausgelegt, so dass sie schmutz- und feuchtigkeitsbeständig sind und extremen Temperaturen, Vibrationen und mechanischen Belastungen standhalten.