Configurer des capteurs et des actionneurs industriels de manière plus rapide, plus sûre et plus fiable grâce aux boîtiers capteurs/actionneurs

Les concepteurs d'équipements d'automatisation industrielle (IA) modernes apprécient la vitesse avec laquelle ils peuvent couvrir des centaines de mètres carrés dans une usine. L'installation de câbles séparés entre l'ordinateur de contrôle et les capteurs de proximité et les bras mécaniques dans la zone de traitement peut encombrer le sol de l'usine et ralentir le temps requis pour configurer ces équipements. En outre, le remplacement ou la reconfiguration d'un capteur ou d'un actionneur existant peut nécessiter le passage d'un autre câble entre le lieu de traitement et l'ordinateur de contrôle, ce qui ralentit la maintenance. Le problème ne fait que s'amplifier avec la volonté de connecter davantage de systèmes à l'Internet des objets (IoT) pour effectuer leur suivi depuis un tableau de bord distant via le cloud.

Pour simplifier ces problèmes de connectivité, les concepteurs de systèmes industriels peuvent utiliser des boîtiers capteurs/actionneurs (également appelés boîtes de jonction ou boîtiers répartiteurs). Grâce à ces dispositifs, il est possible de connecter de nombreux capteurs et actionneurs en faisant passer une ligne principale de l'ordinateur de contrôle à un boîtier qui se termine par de nombreux connecteurs sur le lieu de traitement, simplifiant le câblage au sol.

Cet article aborde brièvement les problèmes associés à la connectivité dans l'automatisation industrielle. Il présente ensuite trois exemples concrets de boîtiers capteurs/actionneurs — un de Molex, un d'Alpha Wire et un de Phoenix Contact — et il montre comment ces boîtiers peuvent simplifier le câblage dans un environnement industriel tout en facilitant la maintenance et la configuration.

Connexion des ordinateurs de contrôle aux capteurs et aux actionneurs

Dans les environnements d'automatisation industrielle, de nombreux ordinateurs de contrôle sont situés à proximité des équipements qu'ils contrôlent. Les câbles reliant l'ordinateur aux capteurs et aux actionneurs peuvent être relativement courts, souvent d'environ un ou deux mètres. Cependant, dans certaines installations industrielles, les ordinateurs de contrôle peuvent être situés à plusieurs mètres de distance, ce qui nécessite le passage de plusieurs câbles entre les deux emplacements. Ce phénomène est courant dans les robots des usines d'assemblage, dans les chaînes de montage, mais également dans les grands véhicules industriels tels que les camions et les aéronefs. Dans certains cas, la zone de traitement peut être dangereuse, l'endroit étant exposé à des produits chimiques dangereux ou à des températures extrêmes. Pour ce type de machines, l'ordinateur de contrôle est souvent placé à une distance sûre et protégée afin de maximiser la fiabilité.

Le câblage conventionnel dans de telles situations implique l'installation de plusieurs câbles entre l'ordinateur de contrôle et chaque capteur et actionneur. Ce n'est pas toujours une opération simple. Des connecteurs de terminaison de câble appropriés doivent être utilisés à chaque extrémité du câble de capteur ou d'actionneur. Dans de nombreux environnements dangereux, il faut parfois plus de temps que prévu pour s'assurer que le câble est routé correctement et en toute sécurité. Enfin, le temps requis pour configurer et connecter le câblage de chaque capteur et actionneur ralentit l'opération de déploiement et augmente les coûts. Si le fonctionnement de l'usine doit être suspendu pour remplacer ou configurer plusieurs capteurs ou actionneurs, cela entraîne des temps d'arrêt supplémentaires qui augmentent encore les coûts, parfois de façon spectaculaire selon l'usine.

Boîtiers capteurs/actionneurs

Une solution sûre et rentable consiste, pour une installation d'automatisation industrielle, à utiliser des boîtiers capteurs/actionneurs. Ces boîtiers regroupent tous les câbles de capteurs et d'actionneurs depuis l'ordinateur de contrôle en un seul câble principal, souvent appelé câble individuel, qui va jusqu'à la zone de traitement. Le câble se termine près de la zone de traitement dans une seule boîte de raccordement robuste qui contient les prises de connecteurs, généralement huit connecteurs M12 ou plus. Les boîtiers capteurs/actionneurs sont parfois appelés boîtes de jonction, boîtiers répartiteurs ou encore boîtiers E/S. La boîte de raccordement avec les prises M12 montées est une unité étanche, pré-câblée, avec indice de protection IP67 ou supérieur.

Le câble individuel pour tous les capteurs et actionneurs ne doit être routé et placé qu'une seule fois. C'est un avantage lorsqu'il s'agit de router le câble dans des zones confinées, car les techniciens n'ont pas besoin de passer du temps supplémentaire à se contorsionner dans des espaces exigus.

Avec un boîtier capteurs/actionneurs, au lieu de connecter les équipements en faisant passer un long câble entre l'ordinateur de contrôle et la zone de traitement pour chaque capteur et actionneur, un technicien connecte l'extrémité d'un câble plus court au boîtier capteurs/actionneurs situé à proximité et l'autre extrémité à l'équipement. Cette opération peut s'effectuer en quelques secondes et minimise le temps que l'installateur passe dans la zone de traitement. Cela simplifie la maintenance et améliore la sécurité tout en permettant de gagner du temps et de réduire les erreurs.

Sélection et utilisation des boîtiers capteurs/actionneurs

Les boîtiers capteurs/actionneurs sont disponibles dans une grande variété de modèles, mais certains facteurs doivent être pris en compte, notamment la visibilité, la robustesse, le type de matériau, le poids, le facteur de forme, le nombre de prises, la tenue en courant, les options de montage, et les indices IP pour la pénétration de poussière, d'humidité et de gaz, entre autres.

Par exemple, pour les environnements particulièrement difficiles, tels que les camions et les entrepôts industriels où les équipements peuvent être exposés à des chocs importants, Molex propose la gamme de boîtiers répartiteurs de système d'interconnexion multiport (MPIS) Brad Safety. Ces boîtiers à usage intensif sont en polybutylène-téréphtalate (PBT), un matériau à la fois léger et solide, capable de supporter les chocs d'équipements lourds ou même l'impact d'un véhicule en mouvement.

Le boîtier répartiteur MPIS à 8 ports 1202480510 de Molex supporte jusqu'à 4 ampères (A) par port, avec un maximum de 12 A pour les huit ports combinés (Figure 1). Pour une aide pendant l'interconnexion, chaque port comporte un renforcement pour apposer une étiquette en plastique acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS). Ces étiquettes sont plus robustes et ne se déchirent pas par rapport aux étiquettes en papier.

Figure 1 : Le dispositif MPIS 1202480510 de Molex est un boîtier capteurs/actionneurs avec huit prises M12. Pour faciliter l'interconnexion, chaque port accepte une étiquette en plastique ABS robuste. (Source de l'image : Molex)

Le 1202480510 de Molex est orange vif pour une meilleure visibilité et il est répertorié IP67, ce qui permet de l'utiliser dans des environnements sales, poussiéreux et humides, et à des températures typiques de -25°C à +85°C. Le câble individuel a une longueur de 5 mètres (m) et prend en charge une terminaison de câble personnalisée qui est généralement un connecteur M23 mais qui peut être tout connecteur nécessaire pour l'application. Chaque prise M12 encastrée comporte huit broches dans une configuration standard de l'industrie. Chaque port est doté d'un voyant LED ambre pour indiquer si le port est alimenté. Cela permet de vérifier rapidement qu'un port est actif, ce qui est utile lors de la configuration et du diagnostic des problèmes de connexion.

Le boîtier capteurs/actionneurs de Molex comporte deux trous oblongs pour les vis de montage M4. Cela permet de monter le boîtier sur un équipement ou de le fixer solidement à un mur. Le boîtier doit être monté de manière à ce que les huit prises M12 soient facilement accessibles, et il doit être suffisamment sécurisé pour que la force d'insertion d'un connecteur M12 dans sa prise ne le déplace pas.

Applications de boîtiers capteurs/actionneurs légers

Pour les applications dans lesquelles le poids constitue une préoccupation, comme dans un aéronef ou certains véhicules industriels, Alpha Wire propose la gamme de boîtiers répartiteurs passifs Alpha Connect, notamment le boîtier capteurs/actionneurs à 8 ports Alpha Connect 901-10M NC032 (Figure 2). Ce boîtier Alpha Connect est en alliage de zinc léger convenant aux aéronefs, aux petits camions et aux véhicules alimentés par batterie tels que les chariots élévateurs à fourche et les petits engins de terrassement où chaque gramme compte. Il est doté d'un câble individuel de 10 m, qui est adapté aux aéronefs et aux véhicules lorsque la distance la plus courte entre deux points n'est souvent pas une ligne droite mais un passage sinueux. Le boîtier est passif et n'est pas équipé de voyant LED de port. Sa couleur beige neutre lui permet de se fondre discrètement dans de nombreux environnements.

L'unité inclut deux couvercles anti-poussière pour garder les prises non utilisées à l'abri des contaminants. Le boîtier capteurs/actionneurs avec les connecteurs raccordés est répertorié IP67. Les prises non raccordées sont répertoriées IP65 et doivent donc être équipées de couvercles anti-poussière pour garantir une protection IP67.

Figure 2 : Le boîtier capteurs/actionneurs 901-10M NC032 d'Alpha Wire est en alliage de zinc léger. Les huit prises M12 dépassent du boîtier, de sorte que le couplage des connecteurs est simple et rapide. Deux couvercles anti-poussière inclus au premier plan à droite permettent de garder propres les prises inutilisées. (Source de l'image : Alpha Wire)

Chaque prise M12 comporte cinq broches. Pour faciliter l'installation lors de la configuration initiale, le code couleur du câble M12 standard et les fonctions de chaque broche sont imprimés sur le côté du boîtier capteurs/actionneurs. Les huit prises M12 ne sont pas encastrées mais dépassent du boîtier en alliage de zinc. Cela permet une connexion simple et rapide, ce qui est important dans un environnement industriel dense.

Le boîtier capteurs/actionneurs 901-10M NC032 d'Alpha Wire est répertorié pour des températures de -40°C à +80°C, et il est approprié pour les environnements industriels très froids, fréquents dans les aéronefs et certains véhicules.

Boîtier capteurs/actionneurs compact

Pour les petites applications où l'espace est limité, Phoenix Contact a conçu le boîtier capteurs/actionneurs à 4 ports 1692404 (Figure 3). Ce boîtier n'est pas équipé d'un câble individuel et nécessite un assemblage de câble M23 séparé pour se connecter à l'ordinateur de contrôle, de sorte que le boîtier peut être facilement déplacé. Il permet également la maintenance et le remplacement aisés du câble individuel si celui-ci est endommagé.

Figure 3 : Le boîtier capteurs/actionneurs 1692404 de Phoenix Contact est doté de quatre ports M12 à 4 broches. Il requiert un assemblage de câble M23 externe pour la connexion à l'ordinateur de contrôle. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Le 1692404 est en polyamide, qui présente une haute résistance à l'essence, aux huiles moteur et aux solvants, fréquents à proximité des moteurs. Le polyamide offre également une résistance à la traction extrêmement élevée et peut supporter les contraintes sans impact et la flexion mieux que la plupart des matériaux. L'unité est répertoriée IP67 et a une température de fonctionnement de -20°C à +75°C. Elle convient donc aux environnements difficiles dans les entrepôts, les immeubles de bureaux et les zones où le personnel travaille à proximité de produits chimiques.

Chacun des quatre connecteurs M12 peut supporter jusqu'à 4 A, avec une absorption totale de courant nominal maximum de 12 A pour l'unité. Chacun des quatre ports M12 est doté d'un voyant LED jaune indiquant si le port est correctement raccordé et opérationnel. Le port M23 est équipé d'un voyant LED vert pour indiquer si le câble individuel est correctement raccordé et alimente le boîtier. Cela est utile pour les diagnostics pendant l'installation et la configuration. Tous les capteurs et actionneurs connectés aux quatre prises M12 peuvent être facilement déconnectés en retirant le seul connecteur M23. Cela renforce la sécurité et réduit les temps d'arrêt pendant la maintenance et la reconfiguration.

Conclusion

Les boîtiers capteurs/actionneurs permettent de gagner du temps lors de la maintenance et de la configuration, tout en garantissant une connectivité fiable entre les ordinateurs de contrôle et les capteurs/actionneurs. De nombreux capteurs et actionneurs peuvent être facilement connectés localement sur la zone de traitement, au lieu de faire passer tous les câbles individuellement jusqu'à l'ordinateur de contrôle. Une sélection appropriée des matériaux permet de garantir que le boîtier fonctionnera de manière fiable dans l'environnement industriel cible.