如何構(gòu)建和發(fā)展工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)

　　電力、通信和安全系統(tǒng)是現(xiàn)代工廠的關(guān)鍵要素，它們使高度連接的價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的機(jī)器能夠可靠運(yùn)行。此外，這些關(guān)鍵元件的接線系統(tǒng)必須在多年內(nèi)保持可靠，同時(shí)應(yīng)對(duì)熱量和振動(dòng)以及應(yīng)對(duì)輸入電源電壓波動(dòng)、水分和高水平顆粒物等挑戰(zhàn)。

　　將大量布線集成到工廠中既困難又昂貴；而且，理想情況下，這是一項(xiàng)只應(yīng)完成一次的工作。因此，重要的是確保用于構(gòu)成系統(tǒng)的線組、連接器和配電箱堅(jiān)固、可靠且可擴(kuò)展，以滿足當(dāng)今和未來的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和法規(guī)。

　　本文簡(jiǎn)要概述了現(xiàn)代工廠的要求。然后介紹了一種模塊化方法，使用Molex的真實(shí)組件示例來構(gòu)建和發(fā)展工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。它展示了模塊化方法如何簡(jiǎn)化部署并滿足核心環(huán)境、運(yùn)營(yíng)、安全、可靠性和成本要求，同時(shí)保持足夠的靈活性以隨著工廠的發(fā)展而擴(kuò)展和適應(yīng)。

　　布線明天的工廠

　　工業(yè)自動(dòng)化 （IA） 改變了現(xiàn)代工廠?，F(xiàn)在，通信與制造商品的大型機(jī)器的驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)所用的電力一樣重要，而且隨著人類和機(jī)器人緊密合作，安全至關(guān)重要。自動(dòng)化工程師面臨的挑戰(zhàn)是選擇和安裝電源、通信和安全布線，以利用當(dāng)今的技術(shù)，同時(shí)在可擴(kuò)展性方面著眼于未來。

　　這是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)楣S是一項(xiàng)巨大的投資，而且經(jīng)久耐用。在其生命周期中，制造技術(shù)將不斷發(fā)展，僅在幾年前還令人滿意的布線系統(tǒng)可能不再適用。此外，隨著生產(chǎn)能力的增加，每個(gè)額外的系統(tǒng)都需要自己的連接性，而為工廠重新布線不僅昂貴且耗時(shí)，而且還意味著昂貴的機(jī)器處于閑置狀態(tài)。

　　工程師越來越多地轉(zhuǎn)向模塊化系統(tǒng)，該系統(tǒng)在同一護(hù)套中容納電源、通信和安全布線，同時(shí)允許未來以備用電線的形式增長(zhǎng)。這種方法的一個(gè)關(guān)鍵部分是 M23 連接器系統(tǒng)，之所以這么稱呼是因?yàn)殡娎|耦合器的螺紋直徑為 23 毫米 （mm）。該系統(tǒng)相對(duì)容易組裝和測(cè)試，并提供強(qiáng)大而可靠的電力和通信基礎(chǔ)設(shè)施（圖 1），

　　M23 連接器和電纜設(shè)計(jì)用于維修工業(yè)自動(dòng)化常見的電驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和編碼器。M23 系統(tǒng)具有一系列用于數(shù)據(jù)、通信以及組合電源和數(shù)據(jù)的插件和外殼，使其同樣適用于涉及信號(hào)或電力傳輸?shù)膽?yīng)用。M23 線組可以在 9、18 或 30 安培 （A） 的電流下承載 250、630 或 800 伏的電壓。

　　M23 布線不受國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的約束。然而，制造商通常遵循有關(guān)允許互操作性的電線組制造的建議。因此，M23 可以被視為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。

　　M23 系統(tǒng)的一個(gè)變體是 M12，它具有 12 mm 的耦合螺紋直徑。由于 M12 不用于供電，因此線組更緊湊，節(jié)省了成本和空間（圖 2）。

　　M23/M12 成功的關(guān)鍵在于其靈活性。首先，設(shè)計(jì)人員可以選擇通過指定電纜、耦合器、插座、插入件、連接器外殼，甚至配合引腳的直徑來構(gòu)建自己的定制系統(tǒng)。聯(lián)軸器有直的和有角度的設(shè)計(jì)，并且可以采購(gòu)具有多種銷數(shù)和圖案的插入件。結(jié)果是為幾乎任何應(yīng)用程序提供了廣泛的可定制變體。

　　或者，設(shè)計(jì)人員可以從一系列工廠提供的電纜/耦合器或電纜/插座組件中進(jìn)行選擇。選擇預(yù)制產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)在于可以節(jié)省組裝時(shí)間，并確保電纜和連接器的完整性已經(jīng)過工廠測(cè)試。與從頭開始構(gòu)建相比，缺點(diǎn)是解決方案的范圍相對(duì)有限。然而，預(yù)建的范圍仍然很廣，涵蓋了大多數(shù)工廠自動(dòng)化選項(xiàng)的連接器替代品和電纜長(zhǎng)度，包括旋轉(zhuǎn)機(jī)器、焊接機(jī)器人或自動(dòng)化裝配設(shè)備。

　　防止污染、振動(dòng)和 EMC

　　除了一些例外，例如食品、藥品和高科技電子產(chǎn)品的制造，工廠環(huán)境通常充滿濕氣、灰塵、油脂和其他污染物，這些污染物是電氣系統(tǒng)的敵人。在其他應(yīng)用中，電纜和連接器解決方案可能需要耐受生產(chǎn)和清潔過程中使用的酸和堿溶液，因此它們能夠抵抗所有液體、顆粒和其他物質(zhì)的滲透至關(guān)重要。

　　所需的對(duì)污染物的特定抵抗力將根據(jù)工廠要求而變化。制造商有助于根據(jù) IP 分類系統(tǒng)對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行分類。IP 等級(jí)表示產(chǎn)品提供的防護(hù)等級(jí)，由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) EN 60529 定義。

　　該方案包括兩個(gè)數(shù)字，第一個(gè)數(shù)字代表對(duì)固體物體的保護(hù)水平，從遇到導(dǎo)電體可能會(huì)造成危險(xiǎn)的工具或手指，到可能損壞電路的空氣中的污垢和灰塵。第二個(gè)數(shù)字定義了對(duì)各種滴水、噴霧或浸沒的保護(hù)。范圍從 IP00（無防塵或防水保護(hù)）到 IP69（完全防塵和強(qiáng)大的高溫水射流保護(hù)）。

　　不僅僅是污染物會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)不良的工廠電氣系統(tǒng)出現(xiàn)問題。電纜組件還可能受到熱應(yīng)力、振動(dòng)和機(jī)械彎曲的影響（尤其是在電纜可以持續(xù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人應(yīng)用中）。此外，工廠通常擁有大型電動(dòng)機(jī)，這些電動(dòng)機(jī)會(huì)消耗大量啟動(dòng)電流，從而產(chǎn)生功率和電壓浪涌以及電磁干擾 （EMI），從而擾亂精密的通信系統(tǒng)。

　　M23 和 M12 電纜組件專為應(yīng)對(duì)工廠環(huán)境而設(shè)計(jì)，其螺紋連接器可抵抗振動(dòng)和機(jī)械負(fù)載。對(duì)于具有挑戰(zhàn)性的 EMI 環(huán)境，電纜組制造商通常會(huì)提供帶有集成屏蔽的選項(xiàng)。

　　例如，Molex 提供一系列特別堅(jiān)固的電源線及其Brad ? 120480 M23 電源包覆成型電線組。這些電纜組件專為要求苛刻的環(huán)境而設(shè)計(jì)，具有塑料包覆成型護(hù)套以保護(hù)電纜/連接器接頭和可選的 EMI 屏蔽等功能。它們的離散長(zhǎng)度從 1 米 （m） 到 20 m 不等，并且為高能見度的橙色（圖 3）。

　　電纜有六極或八極（線）版本。最大電壓和電流為 800 伏特和 18 安培，接觸電阻為 3 歐姆 （Ω），絕緣電阻為 100 兆歐 （MΩ）。這些線組可在 25°C 至 +85°C 的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，并提供 IP67 防塵和防水等級(jí)，一旦配接。

　　M23 等模塊化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，可以隨著工廠的發(fā)展迅速建立和調(diào)整工廠布線。該系統(tǒng)允許工程師輕松地將布線網(wǎng)絡(luò)連接在一起，并將電纜末端直接連接到配備 M23 插座的機(jī)器上。該接線不僅提供工廠自動(dòng)化所需的高電壓和電流，而且還能夠支持以太網(wǎng)、EtherCAT、Modbus 和 PROFINET 等工廠通信系統(tǒng)（圖 4）。

　　圖 4：隨著新制造單元的添加，M23 布線可以更輕松地?cái)U(kuò)展工廠有線網(wǎng)絡(luò)。（圖片來源：莫仕）

　　確保工廠安全

　　連接性在現(xiàn)代工廠中起著關(guān)鍵作用?？刂坪透略O(shè)備是網(wǎng)絡(luò)工作的重要組成部分，但工廠自動(dòng)化安全也很重要，尤其是在人和機(jī)器人靠近的地方。該機(jī)器人通常具有多個(gè)傳感器，以在工人侵入工作范圍時(shí)停止移動(dòng)，并且安全單元由互鎖的門和檢修面板完成。所有這些系統(tǒng)都需要連接，如果每個(gè)傳感器都由主要工廠網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分支提供服務(wù)，那么有線網(wǎng)絡(luò)很快就會(huì)變得復(fù)雜和笨重（圖 5）。

　　圖 5：機(jī)器人工作單元需要重要的安全系統(tǒng)來保護(hù)工廠自動(dòng)化環(huán)境中的工人。（圖片來源：莫仕）

　　相反，工程師正在通過使用連接到主要工廠網(wǎng)絡(luò)的多端口互連系統(tǒng) （MPIS） 配電箱來簡(jiǎn)化事情。從那里，M12 控制電纜連接到盒子的輸出，以連接制造單元的安全系統(tǒng)。一個(gè)例子是 Molex 堅(jiān)固的 IP67 等級(jí)1202480510安全 MPIS 配電箱，它有助于管理安裝在機(jī)器周圍的安全設(shè)備（圖 6）。

　　電箱簡(jiǎn)化了安全接線，同時(shí)節(jié)省了空間和成本。（圖片來源：莫仕）

　　1202480510 具有用于連接到主要工廠網(wǎng)絡(luò)的 5 m 長(zhǎng)集成電纜、四個(gè) M12 八針端口以及四個(gè) M12 四針和五針端口在一個(gè)外殼中。配電箱允許在有限空間內(nèi)安裝標(biāo)準(zhǔn) I/O 布線系統(tǒng)，同時(shí)最大限度地提高安全設(shè)計(jì)的靈活性。每個(gè)端口可以處理高達(dá) 30 伏的直流電壓，最大電流為 4 A（配電箱的總電流為 12 A）。配電箱設(shè)計(jì)用于 Molex 的 1 m、M12、8 極1200652383 Micro-Change 系列和 1 m、M12、4 極1200652378版本等電線組。

　　結(jié)論

　　工廠自動(dòng)化需要強(qiáng)大、可靠和可擴(kuò)展的電源、通信和安全布線網(wǎng)絡(luò)?；?M23 和 M12事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的模塊化系統(tǒng)簡(jiǎn)化了初始安裝并滿足了這些要求。他們使用的電線組和配電箱在制造時(shí)考慮到了嚴(yán)苛的工廠環(huán)境，使其能夠抵抗灰塵和濕氣，并能夠應(yīng)對(duì)極端溫度、振動(dòng)和機(jī)械應(yīng)力。