电力、通信和安全系统是现代工厂的关键要素，使高度连接的数百万美元机器能够可靠运行
 
作者：Digi Key Electronics应用工程师Rolf Horn
工业自动化改变了现代工厂。通信现在与用于制造货物的大型机器的驱动器和伺服电机的电力一样重要，安全至关重要，因为人类和机器人密切合作。自动化工程师面临的挑战是选择和安装电力、通信和安全电缆，这些电缆利用了当今的技术，同时着眼于未来的可扩展性。
这是一个艰巨的挑战，因为工厂是一项巨大的投资，并且是为持久而建造的。在它们的生命周期中，制造技术将不断发展，仅在几年前令人满意的布线系统可能不再足够。此外，随着生产能力的增加，每个额外的系统都需要自己的连接，重新组装工厂不仅昂贵而且耗时，还意味着昂贵的机器闲置。
工程师越来越多地转向模块化系统，该系统在同一护套中容纳电源、通信和安全布线，同时允许未来以备用电线的形式增长。这种方法的一个关键部分是M23连接器系统，因为电缆接头的螺纹直径为23毫米（mm）。该系统相对容易组装和测试，并有助于建立强大和可靠的电源和通信基础设施（图1）。
 

图1：M23套件带有8极内螺纹插孔的23 mm插座（来源：Molex）
 
M23连接器和电缆旨在为工业自动化通用的电气驱动器、伺服电机和编码器提供服务。M23系统具有一系列用于数据、通信和组合电源和数据的插件和外壳，使其同样适用于涉及信号或电力传输的应用。M23可以在9、18或30安培（A）的电流下承载250、630或800伏的电压。
M23布线不受国际标准的约束。然而，制造商通常遵循关于线缆组制造的建议，以实现互操作性。因此，M23可以被视为事实上的标准。
M23系统的一种变体是M12，其联轴器螺纹直径为12 mm。由于M12不用于供电，因此线缆组更紧凑，节省了成本和空间（图2）。
 

图2：M12仅用于通信和安全；它的外形比M23更紧凑（来源：Molex）
 
M23/M12成功的关键是其灵活性。首先，设计师可以选择通过指定电缆、连接器、插座、插件、连接器外壳，甚至配对销的直径来构建自己的定制系统。联轴器有直的和斜的设计，插入件可以用多个针数和图案采购。其结果是为几乎任何应用提供了广泛的可定制变体。
或者，设计师可以从一系列工厂提供的电缆/耦合器或电缆/插座组件中进行选择。选择预装产品的优势在于节省组装时间，并确保电缆和连接器的完整性已经过工厂测试。缺点是与从头开始构建相比，解决方案的范围相对有限。然而，预制范围仍然很广，涵盖了大多数工厂自动化选项的连接器替代品和电缆长度，包括旋转机器、焊接机器人或自动装配设备。
 
防止污染、振动和EMC
除了一些例外，如食品、药品和高科技电子产品的制造，工厂环境通常充满了水分、灰尘、油脂和其他污染物，这些污染物是电气系统的敌人。在其他应用中，电缆和连接器溶液可能需要耐生产和清洁过程中使用的酸和碱溶液，这使得它们能够抵抗所有液体、颗粒和其他物质的渗透至关重要。
特定的抗污染性将根据工厂要求而变化。制造商根据IP分类系统对其产品进行了有益的分类。IP等级表示产品提供的保护程度，并由国际标准EN 60529定义。
该方案由两个数字组成，第一个数字表示对固体物体的保护级别，从工具或手指（如果遇到导体可能会有危险）到空气中可能损坏电路的灰尘。第二个数字定义了防止各种滴水、喷雾或浸没的保护。范围从IP00（无防尘或防水保护）扩展到IP69（全面防尘和强大的高温喷水）。
不仅仅是污染物会给设计拙劣的工厂电气系统带来问题。电缆组件也可能受到热应力、振动和机械弯曲的影响（特别是在电缆可以持续运动的机器人应用中）。此外，工厂通常是大型电机的所在地，这些电机会消耗大量启动电流，产生功率和电压浪涌以及电磁干扰（EMI），这可能会扰乱精密的通信系统。
M23和M12电缆组件是专门设计用于处理工厂环境的，它们的螺旋联轴节能够抵抗振动和机械负载。对于具有挑战性的EMI环境，电缆组制造商通常提供集成屏蔽的选项。
例如，Molex提供了一系列特别坚固的电源电缆——Brad®120480 M23电源二次成型电线组。这些电缆组件是为苛刻的环境而构建的，具有塑料二次成型护套等功能，以保护电缆/连接器接头和可选的EMI屏蔽。它们的离散长度从1米（m）到20米不等，并且呈橙色以获得高能见度（图3）。
 

图3：120480 M23具有二次成型功能，可提供额外的保护和一系列插入件；此处显示了六极和八极变体（来源：Molex）
 
电缆有六极或八极（电线）版本。最大电压和电流为800伏和18安，接触电阻为3欧姆（Ω），绝缘电阻为100兆欧姆（MΩ）。它可以在25°C到+85°C的温度范围内工作，一旦匹配，则提供IP67防尘和防水等级。
模块化系统（如M23）的优势在于，随着工厂的发展，工厂布线可以快速构建和调整。该系统允许工程师轻松地将布线网络耦合在一起，并将电缆端直接匹配到配备M23插座的机器。接线不仅提供工厂自动化所需的高电压和高电流，还能够支持工厂通信系统，如以太网、EtherCAT、Modbus和PROFINET（图4）。
 

图4：M23布线使扩展工厂有线网络变得更容易，因为添加了新的制造单元（来源：Molex）
 
确保工厂安全
连通性在现代工厂中发挥着关键作用。控制和更新设备是网络工作的一大部分，但工厂自动化安全也很重要，特别是在人和机器人靠近的地方。机器人通常具有多个传感器，以在工人侵犯工作范围时停止移动，安全单元由联锁门和检修面板完成。所有这些系统都需要连接，如果每个传感器都由主工厂网络的一个分支提供服务，则有线网络可能很快变得复杂和笨拙。
相反，工程师们正在通过使用连接到主工厂网络的多端口互连系统（MPIS）配电箱来进行简化。从那里，M12控制电缆连接到接线盒的输出，以连接制造单元的安全系统。例如，Molex的坚固、IP67等级1202480510安全MPIS配电箱，它有助于管理安装在机器周围的安全设备（图5）。
1202480510具有5米长的集成电缆，用于连接到主工厂网络，四个M12八针端口，以及一个壳体中的四个M14四针和五针端口。配电箱允许在有限的空间内安装标准I/O布线系统，同时最大限度地提高安全设计灵活性。每个端口可以处理高达30伏DC，最大电流为4安（配电箱的总电流为12 安）。配电箱适用于Molex的1 m、M12、8极1200652383 Micro-Change系列和1 m、M22、4极1200652.378版本的电线组。


图5：安全MPIS配电箱简化了安全接线，同时节省了空间和成本（来源：Molex）
 
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