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來(lái)源：Digi-Key 作者：Steven Keeping 電力、通信和安全系統(tǒng)是現(xiàn)代工廠的關(guān)鍵要素，它們能讓高度互聯(lián)、價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的機(jī)器可靠運(yùn)行。此外，這些關(guān)鍵要素的布線系統(tǒng)必須可靠和經(jīng)久耐用，同時(shí)能夠應(yīng)對(duì)高溫和振動(dòng)問(wèn)題，克服輸入功率電壓波動(dòng)、潮濕和高濃度顆粒物等挑戰(zhàn)。 若將大量的線路整合到一個(gè)工廠中，這既困難又昂貴；而且，這項(xiàng)工作應(yīng)該最好只做一次。因此，務(wù)必確保用于組成系統(tǒng)的線纜組件、連接器和配電盒堅(jiān)固可靠且可擴(kuò)展，以滿足當(dāng)前和未來(lái)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，介紹了構(gòu)建和發(fā)展工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的模塊化方法，使用的是來(lái)自 Molex 公司的真實(shí)部件實(shí)例。文中展示了模塊化方法如何簡(jiǎn)化部署并滿足核心環(huán)境、操作、安全性、可靠性和成本要求，同時(shí)保留足夠的靈活性，以便隨著工廠的發(fā)展進(jìn)行擴(kuò)展和調(diào)整。 為未來(lái)的工廠布線 工業(yè)自動(dòng)化 (IA) 改變了現(xiàn)代工廠。現(xiàn)在，通信的重要性堪比制造商品的大型機(jī)器的驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)所需的電力，而且由于人類(lèi)和機(jī)器人緊密合作，安全問(wèn)題至關(guān)重要。自動(dòng)化工程師面臨的挑戰(zhàn)是電力、通信和安全系統(tǒng)的布線的選擇和安裝，既要利用當(dāng)今的技術(shù)，又要著眼于未來(lái)的可擴(kuò)展性。 這是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)楣S建設(shè)投資巨大，而且是為持久發(fā)展而建。在工廠的使用壽命內(nèi)，制造技術(shù)將不斷發(fā)展，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)能力的提高，每一個(gè)附加系統(tǒng)都需要建立自己的連接，而重新為工廠布線不僅昂貴和耗時(shí)，還意味著昂貴的機(jī)器會(huì)被閑置。 工程師們?cè)絹?lái)越多地轉(zhuǎn)向使用模塊化系統(tǒng)，電源、通信和安全系統(tǒng)的布線均在同一護(hù)套中實(shí)現(xiàn)，同時(shí)允許未來(lái)以備用線的形式進(jìn)行擴(kuò)展。這種方法的一個(gè)關(guān)鍵部分是 M23 連接器系統(tǒng)，稱(chēng)之為 M23 是因?yàn)殡娎|接頭的螺紋直徑是 23 mm。這種模塊化系統(tǒng)相對(duì)容易組裝和測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大可靠的電力和通信基礎(chǔ)設(shè)施（圖 1）。 
圖 1：M23 線纜組件，帶有 23 mm 的插口和 8 芯母頭。（圖片來(lái)源：Molex） M23 連接器和電纜專(zhuān)門(mén)服務(wù)于工業(yè)自動(dòng)化中常見(jiàn)的電力驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和編碼器。M23 系統(tǒng)具有一系列插頭和外殼，廣泛用于數(shù)據(jù)、通信以及電力和數(shù)據(jù)組合，這使該系統(tǒng)同樣適用于涉及信號(hào)或電力傳輸?shù)膽?yīng)用。M23 線纜組件可以在 9、18 或 30 A 的電流下承載 250、630 或 800 V 的電壓。 M23 布線不受?chē)?guó)際標(biāo)準(zhǔn)的約束。然而，為確保可互操作性，制造商通常會(huì)遵循有關(guān)線纜組件制造的建議。因此，M23 可以被視為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。 M23 系統(tǒng)有一個(gè)變體 M12，其連接螺紋直徑為 12 mm。由于 M12 不用于電力，所以線纜組件更加緊湊，節(jié)省了成本和空間（圖 2）。
圖 2：M12 線纜組件僅用于通信和安全；其特點(diǎn)是外形比 M23 更緊湊。（圖片來(lái)源：Molex） M23/M12 的成功關(guān)鍵在于其靈活性。首先，設(shè)計(jì)人員可以選擇通過(guò)指定電纜、聯(lián)接器、插口、插頭、連接器外殼，甚至配接針的直徑來(lái)組成自己的定制系統(tǒng)。聯(lián)接器有直列式和直角式兩種設(shè)計(jì)，而且可以采購(gòu)多種針數(shù)和模式的插頭。其結(jié)果是為幾乎所有應(yīng)用提供了廣泛的可定制變化。 另外，設(shè)計(jì)人員可以從一系列工廠提供的電纜/聯(lián)接器或電纜/插口組件中進(jìn)行選擇。選擇預(yù)制產(chǎn)品的好處是可以節(jié)省裝配時(shí)間，并且可以保證電纜和連接器的完整性已經(jīng)過(guò)工廠測(cè)試。缺點(diǎn)是與從頭開(kāi)始制造相比，解決方案的應(yīng)用范圍相對(duì)有限。然而，預(yù)制的范圍仍然很廣，涵蓋了大多數(shù)工廠自動(dòng)化選件（包括旋轉(zhuǎn)機(jī)器、焊接機(jī)器人或自動(dòng)化組裝設(shè)備）的連接器替代品以及電纜長(zhǎng)度。 防止污染和振動(dòng)以及電磁兼容問(wèn)題 除了某些例外情況（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，這些都對(duì)電氣系統(tǒng)不利。在其他應(yīng)用中，可能會(huì)要求電纜和連接器解決方案耐受生產(chǎn)和清潔過(guò)程中使用的酸性和堿性溶液，因此，耐受所有液體、顆粒和其他物質(zhì)的滲透至關(guān)重要。 所需的具體耐污染物能力將根據(jù)工廠要求而有所不同。制造商根據(jù) IP 分類(lèi)系統(tǒng)對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行了有益的分類(lèi)。IP 等級(jí)表示產(chǎn)品具有的防護(hù)等級(jí)，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) EN 60529 定義。 該 IP 等級(jí)方案包含兩個(gè)數(shù)字，第一個(gè)數(shù)字表示對(duì)固體物的防護(hù)等級(jí)，從碰到電導(dǎo)線就會(huì)有危險(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、噴水或浸水的防護(hù)等級(jí)。范圍從 IP00（無(wú)防塵或防水保護(hù)）到 IP69（完全防塵和強(qiáng)大的高溫水柱保護(hù)）。 對(duì)于設(shè)計(jì)不良的工廠電氣系統(tǒng)，不僅污染物會(huì)造成問(wèn)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（特別是如果用于機(jī)器人應(yīng)用，電纜可能處于持續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）。此外，工廠中通常配有大型電機(jī)，這些電機(jī)的啟動(dòng)電流很大，會(huì)產(chǎn)生電源和電壓浪涌以及電磁干擾 (EMI)，從而擾亂脆弱的通信系統(tǒng)。 M23 和 M12 電纜組件專(zhuān)門(mén)為應(yīng)對(duì)工廠環(huán)境而設(shè)計(jì)，其螺紋連接的聯(lián)接器可以耐受振動(dòng)和機(jī)械負(fù)荷。對(duì)于具有挑戰(zhàn)性的 EMI 環(huán)境，電纜套件制造商通常提供帶有集成屏蔽的選件。 例如，Molex 提供的一系列特別堅(jiān)固的電源線，以及其 Brad® 120480 M23 電源包塑線纜組件。這些電纜組件專(zhuān)為應(yīng)對(duì)苛刻的環(huán)境而設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)包括用于保護(hù)電纜/連接器接頭的塑料包覆護(hù)套和可選的 EMI 屏蔽功能。它們的長(zhǎng)度從 1 m 至 20 m 不等，顏色為橙色，具有很高的可視性（圖 3）。
圖 3：120480 M23 線纜組件采用了可提供額外保護(hù)的包塑，并配有各種插頭；此處顯示的是 6 芯和 8 芯變體。（圖片來(lái)源：Molex） 這些電纜有 6 芯或 8 芯（線）型式。最大電壓和電流分別為 800 V 和 18 A，接觸電阻為 3 Ω，絕緣電阻為 100 MΩ。該線纜組件可在 25°C 至 +85°C 的溫度范圍內(nèi)工作，配接后，可提供 IP67 等級(jí)的防塵防水性能。 M23 這種模塊化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，工廠布線可以隨著工廠的發(fā)展而快速建立和調(diào)整。此類(lèi)系統(tǒng)允許工程師輕松地將布線網(wǎng)絡(luò)耦合在一起，并將電纜末端直接與配備 M23 插孔的機(jī)器配接。這種布線不僅提供工廠自動(dòng)化所需的高電壓和高電流，而且還能夠?yàn)楣S通信系統(tǒng)（如以太網(wǎng)、EtherCAT、Modbus 和 PROFINET）提供支持（圖 4）。
圖 4：M23 布線使得增加新生產(chǎn)單元后，更容易擴(kuò)展工廠的有線網(wǎng)絡(luò)。（圖片來(lái)源：Molex） 確保工廠安全 連通性在現(xiàn)代工廠中起著關(guān)鍵作用。控制和更新設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)工作的一個(gè)重要部分，但工廠自動(dòng)化安全也很重要，特別是在人與機(jī)器人離得很近的地方。機(jī)器人通常具有多個(gè)傳感器，一旦有工作人員侵入工作區(qū)域，機(jī)器人便會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，安全單元由互鎖的閘門(mén)和檢修面板構(gòu)成。所有這些系統(tǒng)都需要連通，如果每個(gè)傳感器都由工廠主網(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(lái)保護(hù)工廠自動(dòng)化環(huán)境中的人類(lèi)工人。（圖片來(lái)源：Molex） 取而代之的是，工程師們正在使用連接到工廠主網(wǎng)絡(luò)的多端口互連系統(tǒng) (MPIS) 配電盒來(lái)簡(jiǎn)化布線。在配電盒中，M12 控制電纜連接到接線盒的輸出端，以連接生產(chǎn)單元的安全系統(tǒng)。例如 Molex 堅(jiān)固耐用的 IP67 等級(jí) 1202480510 安全 MPIS 配電盒，它有助于管理安裝在機(jī)器周?chē)陌踩O(shè)備（圖 6）。
圖 6：安全 MPIS 配電盒簡(jiǎn)化了安全布線，同時(shí)節(jié)省了空間和成本。（圖片來(lái)源：Molex） 1202480510 具有一根 5 m 長(zhǎng)的集成電纜，用于連接到工廠主網(wǎng)絡(luò)，在一個(gè)殼體內(nèi)集成了四個(gè) M12 八針端口和四個(gè) M12 四針與五針端口。該配電盒可在狹窄空間內(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 V 的直流電，最大電流為 4 A（配電盒的總電流為 12 A）。該配電盒設(shè)計(jì)可配合 Molex 的 1 m 長(zhǎng) 8 芯 M12 1200652383 Micro-Change 系列，以及 1 m 長(zhǎng) 4 芯 M12 1200652378 型式等線纜組件使用。 總結(jié) 工廠自動(dòng)化需要強(qiáng)大、可靠和可擴(kuò)展的電力、通信和安全系統(tǒng)布線網(wǎng)絡(luò)。基于 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這些要求。這些系統(tǒng)使用的線纜組件和配電盒在制造時(shí)考慮了工廠環(huán)境的嚴(yán)苛性，確保防塵防潮，并能夠耐受極端溫度、振動(dòng)和機(jī)械壓力。 |
