如何設(shè)計節(jié)省空間、高效率和高安全性的工業(yè)控制面板

作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

工業(yè)控制面板設(shè)計人員面臨著諸多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括有限的空間和預(yù)算、環(huán)境危害（如電能損耗和接觸化學(xué)品）和人為因素（如誤用和篡改）。盡管面臨這些困難，但設(shè)計人員必須設(shè)計出在安全性、可靠性和符合標(biāo)準(zhǔn)方面完全達(dá)到要求的面板。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，設(shè)計人員需要創(chuàng)新型解決方案，以簡化控制面板的開發(fā)、安裝和使用。具體來說，他們需要針對具體用例量身定制的元器件，以及確保正常工作的安裝和維護(hù)工具。

本文將以成本和空間優(yōu)化為重點(diǎn)，提供有關(guān)選擇這些元器件的指導(dǎo)。內(nèi)容涵蓋布線系統(tǒng)、標(biāo)識系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、訪問控制和不間斷電源 (UPS)。本文以 [Panduit]的產(chǎn)品為例，探討了每種元器件的作用和選擇標(biāo)準(zhǔn)。文中還說明了如何部署這些元器件，以確?？煽啃?、安全性和符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

通過選擇線槽來設(shè)計節(jié)省空間的控制面板

要設(shè)計高效的控制面板，自動化和控制工程師必須綜合考量各種因素，如電纜隔離、熱管理、進(jìn)線、電磁干擾 (EMI)、電纜彎曲半徑和未來擴(kuò)展空間。線槽在這個過程中扮演著至關(guān)重要的角色，因?yàn)樗鼈儤?gòu)成了整個面板設(shè)計的“骨架”。在為工業(yè)控制面板選擇線槽時，設(shè)計人員應(yīng)考慮以下因素：

• 面板設(shè)計 ：面板的尺寸、類型和規(guī)格（如母線尺寸和冷卻能力）都會影響到所需線槽的類型和特性。
• 尺寸 ：線槽應(yīng)留出一定空間，以備日后增加或調(diào)整線纜。但是，線槽也不宜太大，以免浪費(fèi)控制面板的空間。
• 布線類型 ：不同尺寸和功能的線纜（如電源線、控制線或數(shù)據(jù)線）可能需要不同類型的線槽或通道才能正確安裝。
• 環(huán)境和材料 ：常見的材料包括聚氯乙烯 (PVC) 和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 ( ABS ) 塑料，但在高溫、潮濕或腐蝕性物質(zhì)等條件下，需要使用由特定材料制成或具有特定保護(hù)功能的線槽。
• 安裝和維護(hù) ：線槽應(yīng)能夠輕松地增減線纜，并應(yīng)易于在控制面板中安裝。
• 合規(guī)性 ：線槽應(yīng)符合適用的安全標(biāo)準(zhǔn)、電氣規(guī)范和行業(yè)特定法規(guī)。

標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)尤為重要，因?yàn)槭褂貌环蠘?biāo)準(zhǔn)的線槽，可能會導(dǎo)致安全隱患或控制面板故障。作為符合標(biāo)準(zhǔn)零件的實(shí)例，Panduit 的 [F1X3LG6] 線槽采用無鉛 PVC 制成，可在高達(dá) +122°F (+50°C) 的額定溫度下連續(xù)使用。其阻燃等級達(dá)到 UL 94 V-0，并滿足 NFPA 79-2007 標(biāo)準(zhǔn)第 13.3.1 節(jié)對阻燃材料的要求。

F1X3LG6 還非常適合節(jié)省空間的設(shè)計。窄槽設(shè)計與高密度元器件的間距一致，其刻痕線便于開出較大的孔，用于分支或其他線路管理（圖 1）。它還配有卡入式蓋板，以便快速安全地檢修線路。

圖 1：Panduit F1X3LG6 具有間距很小的窄槽，采用雙重限制槽設(shè)計，用于固定電線。（圖片來源：Panduit）

控制面板的替代布線解決方案

當(dāng)然，線槽并非適用于所有情況。例如，線纜可能需要通過無法在機(jī)柜上鉆孔的區(qū)域。在這種情況下，可以考慮 [ABM100-A-C] 背膠電纜扎帶固定座等解決方案。這種四向固定座旨在實(shí)現(xiàn)快速安裝并提供長期可靠性。

與所有粘合劑系統(tǒng)一樣，我們應(yīng)注意確保針對應(yīng)用環(huán)境，選擇正確的粘合劑（圖 2）。

| | 表面 | 橡膠泡棉膠帶固定座 | 丙烯酸泡棉膠帶固定座 | 環(huán)氧樹脂粘合劑固定座 |
| -------------------- | -------------------- | ---------------------- | ---------------------- |
| 塑料 | 良好 | 良好 | 良好 |
| 木材 | 良好 | 良好 | 良好 |
| 玻璃 | 良好 | 良好 | 良好 |
| 漆面 | 良好 | 良好 | 一般 |
| 粉末涂層 | 良好 | 一般 | 良好 |
| 金屬 | 良好^1^ | 良好^1^ | 良好 |
| 紙張 | 良好 | 良好 | 一般 |
| 混凝土、石材、磚石 | 不推薦 | 不推薦 | 良好 |

圖 2：應(yīng)選擇符合應(yīng)用環(huán)境要求的粘合劑系統(tǒng)。（圖片來源：Panduit）

保護(hù)控制面板電線和電纜免受磨損

在線槽之外布線時，應(yīng)注意確保線纜不會因磨損或其他危險而損壞。例如，控制面板通常需要從機(jī)柜內(nèi)部走線，到達(dá)前面板。應(yīng)將這些線纜包裹起來以免損壞。控制工程師可選擇的選項包括：

• 螺線包材 ：用于線束和電纜束的通用磨損保護(hù)材料。易于分線，提供不同的顏色、材質(zhì)和尺寸。
• Pan-wrap 分離式線束包材 ：為線束和電纜束提供柔性、耐磨的保護(hù)。它具有獨(dú)特的槽型和較大的重疊度，可縮短安裝時間，并適應(yīng)各種線束直徑。
• 編織套管 ：為電線、電纜、軟管和管道提供持續(xù)耐磨保護(hù)。采用柔性鏤空織法，不會積聚熱量或濕氣。
• 波紋管 ：經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案，采用實(shí)壁設(shè)計，可為電纜束提供全面保護(hù)。采用不同的材料，有些還采用了便于安裝和拆卸的縫壁設(shè)計。
• 熱縮管 ：非常適合電線和電纜的絕緣、保護(hù)和顏色編碼。還可與接線端子和接線片一起使用，以實(shí)現(xiàn)整潔、安全和可靠的安裝。其具有不同的材料、尺寸和壁厚，有的還帶有用于防水密封的粘合襯布。

要選擇合適的包材，必須考量諸多因素（圖 3）。例如，如果應(yīng)用需要一種重量輕、柔性好、能夠適應(yīng)不規(guī)則形狀的解決方案，[T25F-C]螺線包材就是很好的選擇。這種線纜包材不僅便于安裝，而且經(jīng)久耐用，可在高達(dá) +122°F(+50°C) 的額定溫度下使用。

| | 特性 | 螺線
包材 | PAN-WRAP 分離式

圖 3：各種類型的線纜包材可滿足不同需求。（圖片來源：Panduit）

通過電纜端接、管理和標(biāo)簽提高控制面板的可維護(hù)性和安全性

為確?？刂泼姘宓挠行О惭b、使用和維護(hù)，設(shè)計人員必須選擇合適的電線端接方法和材料（圖 4）。

圖 4：端接類型及其特性的示例。（圖片來源：Panduit）

最佳選擇取決于多個因素，包括所需的端子數(shù)。例如，[DNF14-250FIB-C] 尼龍絕緣母端子無需使用工具，即可從公接線片上插入和拔出，從而降低了安裝成本，而且更加易于維護(hù)。相比之下，[FSD80-8-KD6] 單線 DIN 端部套管絕緣套圈可與自動壓接機(jī)配合使用，更適合高數(shù)量端子。

電纜扎帶在安全和維護(hù)方面也發(fā)揮著重要作用，能使布線保持有序和牢固。如圖 5 所示，電纜扎帶種類繁多，可滿足不同需求。除了扎帶的基本設(shè)計，材料選擇也是一個重要的考量因素。例如，[PLT1.5M-M]鎖式電纜扎帶由尼龍 6.6 制成，因而最適合室內(nèi)使用。對于存在鹽和酸雨等危險的室外應(yīng)用，最好使用丙烯等材料。

圖 5：電纜扎帶的材料選擇需要仔細(xì)考慮各種環(huán)境因素；PLT1.5M-M 鎖式電纜扎帶使用尼龍 6.6，最適合室內(nèi)使用。（圖片來源：Panduit）

使用合適的電纜扎帶工具可以提高生產(chǎn)率、降低成本并加強(qiáng)工人的安全防護(hù)。例如，[GTH-E]電纜扎帶槍的設(shè)計便于使用（圖 6）。與同類工具相比，它所需的操縱力減少了 15%，其電纜扎帶切斷機(jī)制可讓用戶手部遭受的沖擊減少 40% 以上。

圖 6：GTH-E 電纜扎帶槍的主要特性，其采用便于使用的設(shè)計。（圖片來源：Panduit）

最后，清晰的標(biāo)簽對于正確使用和維護(hù)控制面板至關(guān)重要。標(biāo)簽的選擇不僅取決于目標(biāo)用途，還取決于環(huán)境危害（圖 7）。例如，如果電纜只接觸溫和的水基液體，那么像 [S100X150VATY]熱轉(zhuǎn)印乙烯基自層壓標(biāo)簽之類的解決方案就非常適用。這些標(biāo)簽的尺寸專門針對電線和電纜應(yīng)用設(shè)計，可在高達(dá) +150°F (+65°C) 的額定溫度下使用。

圖 7：標(biāo)簽解決方案樣本及其對各種環(huán)境危害的適用性。（圖片來源：Panduit）

[TDP43ME]熱轉(zhuǎn)印打印機(jī)等解決方案有助于確保正確貼標(biāo)（圖 8）。使用這種熱轉(zhuǎn)印打印機(jī)，操作人員可將標(biāo)簽放置在距離連接器和端子末端 12.7 mm (1/2") 的電線和電纜上。這種打印機(jī)的周期時間比傳統(tǒng)手動安裝快三倍，速度是競爭解決方案的兩倍。其采用符合人體工程學(xué)的設(shè)計，可減少操作人員的疲勞，并將重復(fù)性運(yùn)動損傷的風(fēng)險降至最低。

圖 8：TDP43ME 熱轉(zhuǎn)印打印機(jī)配有軟件和配件，可實(shí)現(xiàn)高效貼標(biāo)。（圖片來源：Panduit）

控制面板應(yīng)用中的接地和安全

考慮到工業(yè)控制面板的高功率，正確接地對安全至關(guān)重要。選擇接地棒是一項關(guān)鍵的設(shè)計選擇——不僅會影響安全性，還會影響控制面板的成本效益和可維護(hù)性。

[UGB2/0-414-6]通用接地棒就說明了這一點(diǎn)。它屬于 Panduit 獲得專利的 StructuredGround? 通用接地棒系統(tǒng) (UGB)，該系統(tǒng)兼容所有類型的電線端接方法和 140 多種連接器。這種靈活性顯著簡化了設(shè)計和維護(hù)工作。此外，它還提供兩種支座安裝方式，為狹小區(qū)域提供額外布線空間。

安全和生產(chǎn)率有時會發(fā)生沖突。例如，法規(guī)強(qiáng)制要求在維修電氣設(shè)備之前必須進(jìn)行測試，確認(rèn)沒有電壓。如果使用手持式儀器，這可能是一個耗時的過程。[VS-AVT-C02-L03]VeriSafe 無電壓測試儀通過自動化程序簡化了操作。一旦將該裝置安裝到前面板中，工人只需按一下按鈕，即可確認(rèn)無電壓（圖 9）。

圖 9：使用 VS-AVT-C02-L03 VeriSafe 無電壓測試儀等儀器進(jìn)行自動測試，不僅更快捷，而且更安全。（圖片來源：Panduit）

利用工業(yè)以太網(wǎng)解決方案和 UPS 保持可靠的網(wǎng)絡(luò)連接并避免篡改

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在已成為大多數(shù)控制面板設(shè)計的組成部分。為了避免因篡改或?yàn)E用而造成安全漏洞和停機(jī)，必須確保網(wǎng)絡(luò)電纜保持在適當(dāng)位置，這一點(diǎn)非常重要。[PSL-DCJB]RJ45 插孔模塊屏蔽裝置就是為此而開發(fā)的。這些裝置插入到未使用的以太網(wǎng)端口，只有經(jīng)過授權(quán)的工作人員才能使用專用工具拔出插頭。相反，鎖定裝置可防止從活動以太網(wǎng)端口拔出網(wǎng)線。

在某些情況下，必須從控制面板的外部接入以太網(wǎng)端口。在這一方面，[IAEBHC6]IndustrialNet Cat 6 UTP 穿板 RJ45 耦合器模塊（帶保護(hù)帽）等解決方案發(fā)揮了重要作用。這種穿板提供 IP67 級密封防護(hù)，可防止灰塵入侵，并具有一定的防水功能，因此非常適合需要沖洗的工作單元。

對于網(wǎng)絡(luò)供電設(shè)備，以太網(wǎng)插頭需要特殊的特性。例如，[FPS6X88MTG]IndustrialNet 6A 類現(xiàn)場可端接屏蔽 RJ45 插頭專為以太網(wǎng)供電 (PoE) 和類似應(yīng)用而設(shè)計，符合 IEEE 802.3af/802.3at (PoE/PoE+) 標(biāo)準(zhǔn)。這款插頭還具備其他一些特性，超過 ANSI/TIA 568-C.2 6A 類和 ISO 11801 EA 類通道性能要求，并且符合 ANSI/TIA-1096-A（原 FCC 第 68 部分）、IEC 60603-7 和 IEC 60529 (IP20) 標(biāo)準(zhǔn)。

無論使用哪種電源，許多控制面板都需要不間斷電源 (UPS)，以便在斷電時保持運(yùn)行。在為控制面板選擇 UPS 時，控制工程師應(yīng)考慮以下因素：

• 功率容量： UPS 的輸出功率應(yīng)超過控制面板的耗電量。
• 維護(hù)： 遠(yuǎn)程管理可實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)視和控制，從而節(jié)省成本和時間。
• 安裝： DIN 導(dǎo)軌安裝等選項讓 UPS 易于集成到控制面板中。
• 安全性和合規(guī)性： UPS 至少應(yīng)符合 UL508 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

[UPS00100DC]工業(yè)網(wǎng)絡(luò) UPS 在很多方面都超越了這些基本要求。它使用超級電容器代替電池，降低了停機(jī)風(fēng)險，并避免了潛在的氫氣積聚。無電池設(shè)計無需維護(hù)，與基于電池的 UPS 相比，投資回報率提高 2 倍，擁有成本降低 50% 至 70%。

總結(jié)

設(shè)計工業(yè)控制面板是一個要求嚴(yán)格而復(fù)雜的過程，需要在空間、安全性和可靠性之間達(dá)到平衡。為了達(dá)到最佳效果，設(shè)計人員需要使用各種控制面板解決方案，幫助進(jìn)行面板規(guī)劃、布線和貼標(biāo)，并使其免受外部和內(nèi)部危險的影響。這些解決方案應(yīng)該針對工業(yè)控制面板應(yīng)用的具體要求量身定制，并且配備安裝和維護(hù)工具，以確保正常工作。通過使用符合這些標(biāo)準(zhǔn)的控制面板解決方案，設(shè)計人員可以設(shè)計出高效、安全、合規(guī)的控制面板。