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Verwenden Sie zuverlässige industrielle Systeme und sorgen Sie für die Sicherheit der Bediener durch die richtigen Anschlüsse und Sensoren

Von Bill Giovino

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Da Industrieanlagen das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) immer mehr nutzen, um einen zunehmenden Grad an Automatisierung, vorausschauender Analyse und Sicherheit zu erreichen, werden zuverlässige Verbindungen zwischen Geräten und Systemen immer wichtiger. Einige Anwendungen können jedoch äußerst herausfordernd sein. Sowohl die Kabel als auch die in der Nähe befindlichen menschlichen Bediener können Temperaturextremen von heiß und kalt ausgesetzt sein, während sie gleichzeitig korrosiven Chemikalien und Gasen ausgesetzt sind.

Darüber hinaus ist das Vorhandensein korrosiver Gase wie Schwefelwasserstoff, die von einigen Geräten freigesetzt werden, nicht nur schädlich für menschliche Bediener, sondern diese Gase erzeugen bei Kontakt mit Feuchtigkeit an einem Kabel gefährliche Reaktionsnebenprodukte wie Schwefelsäure. Dies kann schnell den Kabelmantel auflösen und die Abschirmung und die Leiter freilegen, was häufig zu Kurzschlüssen und Systemausfällen führt.

In diesem Artikel werden die Herausforderungen der Verkabelung in rauen Umgebungen erörtert. Anschließend wird gezeigt, wie Entwickler industrieller Systeme durch die Auswahl industrietauglicher Sensorkabel unter Verwendung realer Beispiele von Molex zuverlässige Verbindungen und die Sicherheit des Bedieners gewährleisten können. In dem Artikel wird auch ein praktisches Beispiel dafür erörtert, wie gefährliches Schwefelwasserstoffgas entdeckt werden kann, bevor es ernsthafte Schäden an Ausrüstung oder Personal verursacht.

Verkabelung in sehr rauen Industrieumgebungen

Industrielle Automatisierungssysteme stützen sich auf Sensoren, um den Status von Prozessen und Systemen in einer Fabrik zu erfassen. Die Arten der verwendeten Sensoren variieren und können Temperatur-Thermistoren, Druckwandler, Füllstandssensoren, Lichtdetektoren und Näherungsschalter umfassen. Genaue Sensordaten sind notwendig, damit der Hauptcomputer richtig entscheiden kann, wie und wann er Aktoren für Motoren, Förderbänder, Beleuchtung, Flüssigkeitsmessung und ähnliche Geräte ansteuert. Falsche Sensordaten können dazu führen, dass Aktoren zur falschen Zeit oder mit den falschen Parametern angesteuert werden. Die Ergebnisse können von einem ineffizienten Betrieb mit einem entsprechenden Anstieg der Betriebskosten bis hin zu einem Ausfall des Systems reichen, der zu teuren Ausfallzeiten führt. Die richtige Auswahl und Verwendung von Kabeln für raue Umgebungen, kann die Zuverlässigkeit der Sensordaten und Aktuator-Steuersignale verbessern. Die falsche Wahl der Verkabelung kann zu intermittierenden Verbindungsfehlern führen, die notorisch schwer zu beheben sind und teure Ausfallzeiten verursachen. Schlecht ausgewählte Kabel können schließlich zu einer Signalverschlechterung oder einem totalen Signalverlust führen.

Eine Verkabelung von einem Hersteller, der das Kabel als industrietaugliche Verkabelung mit einer Schutzart von IP67 oder IP68 zertifiziert hat, kann viele dieser Probleme lösen. Beachten Sie, dass die Kennzeichnung eines Kabels als IP67 oder IP68 nicht bedeutet, dass das Kabel industrietauglich ist - der IP-Code bescheinigt lediglich, dass das Kabel gegen übliche Staubpartikel und Wasser beständig ist. So können gängige Kabel in Verbraucherqualität zwar nach IP68 zertifiziert sein und robust erscheinen, jedoch nicht den extremen Temperaturschutz, die Beständigkeit gegen gängige Lösungsmittel und korrosive Flüssigkeiten oder die Unempfindlichkeit gegen Verdrehen und Abrieb aufweisen, die mit robusten Kabeln in Industriequalität einhergehen.

Anschluss an USB-Sensoren und -Aktoren in industriellen Umgebungen

Während viele verschiedene Arten von Sensoren und Aktoren unterschiedliche Schnittstellenoptionen verwenden, ist es eine sichere und allgegenwärtige Methode, USB als Schnittstelle zu verwenden. Moderne Einrichtungen nutzen die Möglichkeiten von USB 3.0 aufgrund der hohen Geschwindigkeit, der Leistungsübertragung und der verbesserten Zuverlässigkeit. Molex liefert das Industriekabel 0847330005 für USB 3.0 (Abbildung 1). Dieses Kabel ist 1,31 Meter (m) lang, bietet eine gekapselte runde Steckbuchse für USB 3.0 Typ A an einem Ende und einen Stecker für USB 3.0 Typ A am anderen Ende. Die gesamte Kabelkonfektion hat die Schutzart IP67. Es unterstützt eine Datenrate von 5 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) und ist abwärtskompatibel zu USB2.0-Steckern und -Buchsen. Das Kabel ist für Temperaturen von -40 °C bis +85 °C ausgelegt und eignet sich für die meisten rauen Industrieumgebungen.

Abbildung des USB3.0-Kabels 0847330005 von MolexAbbildung 1: Das USB3.0-Kabel 0847330005 von Molex hat an einem Ende eine runde USB3.0-Buchse vom Typ A und am anderen Ende einen Standard-USB3.0-Stecker vom Typ A. Es handelt sich um ein Kabel in Industriequalität, das für raue Umgebungen geeignet ist. (Bildquelle: Molex)

Das USB3.0-Kabel 0847330005 von Molex ist für die sichere Handhabung von maximal 1 Ampere (A) pro Kontakt ausgelegt. Es ist vollständig gegen elektromagnetische Interferenzen (EMI) abgeschirmt, was notwendig ist, damit eine 5Gbit/s-USB3.0-Datenübertragung nicht mit anderen elektronischen Geräten interferiert.

Der USB3.0-Stecker vom Typ A kann an einen Industriecomputer oder ein eingebettetes System angeschlossen werden, das über eine Standard-USB3.0-Buchse verfügt, wie sie bei den meisten Personalcomputern (PCs) üblich ist. Das andere Ende des Kabels mit der runden USB3.0-Buchse vom Typ A wird an die Sensorausrüstung angeschlossen, die über eine USB-Schnittstelle verfügt. Die Gegenmutter am Rundsteckverbinder der Buchse verfügt über einen einfach zu handhabenden Drehverriegelungsmechanismus, der einem Drehmoment von 20 lb-in standhalten kann. Dies bietet eine solide Verbindung zu Sensorausrüstung, die sich nicht versehentlich lösen kann. Jeder Steckverbinder ist für 500 Steckzyklen ausgelegt, was für Industrieanlagen geeignet ist, die regelmäßig neu konfiguriert werden müssen.

Die Dichtung des runden Buchsenverbinders besteht aus schwarzem Nitril, das eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Wasser und Industrieöle bietet. Nitrildichtungen sind außerdem beständig gegen Benzin, Hydraulikflüssigkeiten und übliche Lösungsmittel. Dadurch eignet sich dieses Kabel hervorragend für den Anschluss an Sensoren, die in benzinbetriebenen Maschinen verwendet werden. Überlauf oder Unfälle mit Lösungsmitteln oder anderen Flüssigkeiten, die ihren Weg zum Stecker finden, können die Dichtung nicht durchdringen und die Datenübertragung beeinträchtigen.

Sonnenlicht und ultraviolettes Licht (UV) können eine Verfärbung des Kabelmantels verursachen, was unangenehm sein kann, wenn die Kabel aus Gründen der Wartungsfreundlichkeit farblich gekennzeichnet sind. Sonnenlicht kann auch dazu führen, dass kommerzielle Kabelmäntel Risse bekommen und die EMI-Abschirmung den Elementen ausgesetzt wird. Die Ummantelung des USB3.0-Kabels von Molex besteht aus langlebigem PVC-Harz, das eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Sonnenlicht und UV-Strahlen aufweist. PVC-Harz ist auch gegen Wasser beständig, welches im Laufe der Zeit die Länge kommerzieller Kabel aus Materialien in Verbraucherqualität verkürzen kann.

Anschluss an mechanische Aktoren und Magnete

DIN-Ventilstecker werden zur Aktivierung von Magneten verwendet, die zur Steuerung von Aktoren wie Ventilen, Druckschaltern, Endschaltern und Motoren mit niedrigem Energieverbrauch verwendet werden. Für solide Verbindungen zu DIN-Ventilantrieben in industriellen Umgebungen bietet Molex den DIN-Ventilstecker 2210503466 und ein 5 m langes Kabel an (Abbildung 2). Es bietet an einem Ende drei freie Drähte zum Anschluss an eine Aktorspannung von bis zu 24 Volt. Die Kabelkonfektion ist für Temperaturen von -40 °C bis +90 °C ausgelegt und eignet sich daher nicht nur für kalte Umgebungen, sondern auch für einige Motoren und Geräte, die sehr heiß werden.

Der DIN-Ventilstecker von Molex bietet eine feste und sichere IP67-Dichtung über einem DIN-Ventil. Bei Aktivierung wird das Ventil je nach Art des gesteuerten DIN-Ventils aktiviert oder deaktiviert. Der Verbinder ist mit einer Schraube gesichert, um maximalen Schutz gegen unbeabsichtigtes Entfernen zu bieten. Eine gelbe Leuchtdiode (LED) auf dem DIN-Stecker zeigt optisch an, dass das DIN-Ventil aktiviert wurde.

Abbildung: Das 2210503466 von Molex bietet einen DIN-VentilsteckerAbbildung 2: Das 2210503466 von Molex bietet an einem Ende einen DIN-Ventilstecker und am anderen Ende drei freie Anschlussdrähte. Eine gelbe LED zeigt dem Bediener an, dass das Ventil aktiviert wurde. (Bildquelle: Molex)

Das Molex-Kabel 2210503466 mit DIN-Ventilstecker hat eine Polyurethan-Ummantelung, die gegen die meisten aggressiven Chemikalien beständig und extrem widerstandsfähig gegen Missbrauch durch Verdrehen und Biegen ist. Kabelmäntel aus Polyurethan sind auch sehr widerstandsfähig gegen Schnitt- und Quetschkräfte. Ein beschädigtes DIN-Ventilkabel kann zu intermittierendem Betrieb der DIN-Ventilausrüstung oder zum Totalausfall der Ausrüstung führen. Dadurch eignet sich dieses Kabel für Aktuatoren an sich bewegenden schweren Maschinen, bei denen das Kabel schnell aus- und eingezogen werden kann, und auch dort, wo eine Fehlfunktion oder Fehlkonfiguration der Maschine dazu führen kann, dass das Kabel gequetscht wird.

Aus Sicherheitsgründen ist es nicht empfehlenswert, das Kabel so kurz zu halten, dass eine Verlängerung des Kabels während des normalen Betriebs eine Belastung für beide Enden der Kabelverbindung darstellt. Dies erfordert genügend Spiel im Kabel, um ein Ziehen an beiden Enden des Kabelendes zu verhindern; je mehr Spiel jedoch im Kabel vorhanden ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Kabel versehentlich eingeklemmt oder gequetscht wird. Bei diesen Anwendungen ist ein Polyurethan-Mantel eine geeignete und kostengünstige Lösung.

Schutz vor korrosiven Substanzen

Benzinmotoren und einige industrielle chemische Prozesse können gefährliches Schwefelwasserstoffgas ausstoßen. Während die Industrieanlagen so ausgelegt sind, dass diese Gase sicher zurückgehalten werden, weiß jeder, der ein benzinbetriebenes Fahrzeug fährt, dass Auspuffkrümmer undicht werden können; außerdem kann es vorkommen, dass jemand in der Fabrik vergisst, ein Ventil zu schließen. Schwefelwasserstoffgas ist schon in kleinen Mengen extrem giftig für den Menschen. Obwohl er oft als nach faulen Eiern riechend erkannt werden kann, ist Schwefelwasserstoff schwerer als Luft und kann sich schnell unbemerkt auf dem Boden eines großen Industriekomplexes weit entfernt von seinem Entstehungsort ausbreiten.

Wenn Schwefelwasserstoff mit Wasser in Kontakt kommt, bildet er korrosive Schwefelsäure, die sehr schnell Kupfer-, Eisen- und Aluminiumgeräte korrodieren kann. Bei Kontakt mit einem nassen Kabel kann Schwefelsäure die meisten Arten von Kabelisolierungen, wie z.B. Polyurethan, schnell korrodieren. Während Kabelmäntel aus PVC-Harz bei Raumtemperatur säurebeständiger sind als Polyurethan, kann bei extremen Temperaturen heiße und kalte Schwefelsäure PVC-Kabelmäntel schnell auflösen. Unabhängig von den Materialdatenblättern sollten Schwefelwasserstoff und Schwefelsäure als gefährlich für alle Materialien außer Auspuffkrümmern und anderen Geräten, die speziell zur Aufnahme dieser gefährlichen Stoffe ausgelegt sind, betrachtet werden.

Für die Sicherheit von Kabeln, Geräten und Bedienungspersonal bietet Molex Sensorcon den Schwefelwasserstoff-Gasanalysator 2023150001 an (Abbildung 3). Es handelt sich um ein Handgerät mit einem LCD-Display, das Gaskonzentrationen von Schwefelwasserstoff mit einer Auflösung von nur 1 ppm (parts per million) bis zu 400 ppm erkennen und anzeigen kann.

Abbildung des tragbaren Schwefelwasserstoff-Gasdetektors 2023150001 von Molex Sensorcon Abbildung 3: Der 2023150001 von Molex Sensorcon ist ein tragbarer Schwefelwasserstoff-Gasdetektor, der Schwefelwasserstoffgas von 1 ppm bis 400 ppm detektieren kann. (Bildquelle: Molex)

Der Schwefelwasserstoff-Gasdetektor 2023150001 von Molex Sensorcon bietet die Schutzklasse IP67 und kann zwei verschiedene Alarme für hohe und niedrige Alarmgrenzwerte ausgeben. Der werkseitig eingestellte niedrige Alarmgrenzwert beträgt 10 ppm, kann aber manuell auf bis zu 1 ppm eingestellt werden. Der werkseitig eingestellte hohe Alarmgrenzwert beträgt 15 ppm, kann aber manuell auf 100 ppm oder höher eingestellt werden. Neben diesen Alarmen kann das Handgerät bei Alarm auch vibrieren, was in lauten Industrieumgebungen nützlich ist.

Der Detektor eignet sich zum Nachweis kleiner Konzentrationen von Schwefelwasserstoffgas in Bodennähe und insbesondere in Maschinenbodenschächten, in denen sich Gase sammeln können, die schwerer als Luft sind. Dies ist nützlich zum Nachweis von Schwefelwasserstoff, wenn der Geruch von faulen Eiern nicht hoch genug ist, um von den Nasen menschlicher Bediener erkannt zu werden.

Bei Motoren und den meisten industriellen Prozessen, bei denen Schwefelwasserstoffgas freigesetzt wird, wird auch Kohlenmonoxid freigesetzt, das geruchlos ist und selbst in kleinen Mengen für den Menschen giftig sein kann. Molex Sensorcon bietet den Kohlenmonoxid-Gasdetektor 2023100001 an, der den gleichen physikalischen Aufbau wie der Schwefelwasserstoff-Detektor hat. Das Vorhandensein von Kohlenmonoxid stellt nicht nur eine Gefahr für den Menschen dar, sondern kann auch auf das unentdeckte Vorhandensein von Schwefelwasserstoff hinweisen. Beide Einheiten sind in einer industriellen Automatisierungsanlage nützlich, um die Sicherheit von Mensch und Gerät zu gewährleisten.

Fazit

Industrielle Automatisierungseinrichtungen können eine große Herausforderung für Kabelkonfektionen darstellen, insbesondere bei extremer Hitze und Kälte und wenn gefährliche und korrosive Gase und Flüssigkeiten vorhanden sein können. Industrietaugliche Sensorkabelkonfektionen stellen sicher, dass Computer über genaue Sensordaten verfügen, so dass die industriellen Systeme ordnungsgemäß und effizient gesteuert werden können, während industrietaugliche Kabel für Aktuatoren dafür sorgen, dass der Betrieb ordnungsgemäß und zuverlässig verläuft. Durch die Erhöhung der Zuverlässigkeit und die Reduzierung der Wartung werden die Betriebskosten gesenkt.

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Über den Autor

Bill Giovino

Bill Giovino ist Elektronikingenieur mit einem BSEE von der Syracuse University und einer der wenigen, die erfolgreich vom Entwicklungsingenieur über den Anwendungsingenieur zum Technologiemarketing wechselten.

Seit über 25 Jahren wirbt Bill für neue Technologien vor technischem und nicht-technischem Publikum für viele Unternehmen, darunter STMicroelectronics, Intel und Maxim Integrated. Während seiner Zeit bei STMicroelectronics trug Bill dazu bei, die frühen Erfolge des Unternehmens in der Mikrocontroller-Industrie voranzutreiben. Bei Infineon inszenierte Bill die ersten Erfolge des Unternehmens im Bereich Mikrocontroller-Design in den USA. Als Marketingberater für sein Unternehmen CPU Technologies hat Bill vielen Unternehmen geholfen, unterbewertete Produkte in Erfolgsgeschichten zu verwandeln.

Bill war zudem ein früher Anwender des Internets der Dinge, einschließlich der Implementierung des ersten vollständigen TCP/IP-Stacks auf einem Mikrocontroller. Die Botschaft von „Verkauf durch Aufklärung“ und die zunehmende Bedeutung einer klaren, gut geschriebenen Kommunikation bei der Vermarktung von Produkten im Internet sind Bills Anliegen. Er ist Moderator der beliebten „Semiconductor Sales & Marketing Group“ auf LinkedIn und spricht fließend B2E.

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