Options de connecteurs, de presse-étoupes et de serre-câbles pour le câblage dans l'automatisation industrielle

Il existe différents connecteurs pour relier les câbles et les composants utilisés dans l'automatisation industrielle. Ces connecteurs doivent transmettre tous les flux de signaux d'alimentation et de données circulant sur les câbles, tout en terminant la ligne de manière à ce que les conducteurs restent étroitement connectés et protégés. La difficulté réside dans le fait que les équipements associés à l'automatisation industrielle sont souvent situés dans des environnements sales, chauds, mobiles et électriquement bruyants. Les connecteurs de câbles industriels exigent donc un niveau de robustesse et de fiabilité qui n'est pas requis dans d'autres applications.

Tout d'abord, il convient de rappeler les principes de base des connecteurs industriels : les connecteurs incluent les composants classifiés comme coupleurs (qui relient deux câbles) ainsi que les systèmes qui comprennent à la fois les parties mâle et femelle (fiche et prise) d'un assemblage de connecteur. Dans certains contextes, le terme connecteurs peut également désigner des presse-étoupes, c'est-à-dire des terminaisons qui traversent des boîtiers, souvent avec un sous-composant à rotation libre qui comprime un joint torique autour de l'extrémité du câble pour le rendre étanche aux produits chimiques, aux flammes, à la saleté et aux courants étrangers.

Les connecteurs de câbles industriels relient les câbles (le plus souvent) à des prises d'équipement à montage avant et arrière. Tous les connecteurs et les presse-étoupes ont un indice de protection IP défini par la norme CEI 60529 qui quantifie leur résistance à la saleté et à l'humidité. Ces indices sont les mêmes que ceux utilisés pour décrire la robustesse des logements de composants et des boîtiers d'équipements industriels. Un code IP comporte deux chiffres, les valeurs les plus élevées indiquant un niveau de protection plus élevé.

Le premier chiffre de l'indice IP spécifie le niveau de protection contre les objets solides tels que la poussière — s'étendant de 0 pour une protection nulle à 6 pour une étanchéité à la poussière.

Le deuxième chiffre de l'indice IP spécifie le niveau de protection contre les fluides — de 0 pour une protection nulle à 8 pour une protection continue contre l'eau à une profondeur de 1 mètre.

Figure 1 : Spécification des différents indices IP de la norme CEI 60529. Les indices IP des connecteurs de câbles sont d'une importance capitale. (Source de l'image : connectortips.com)

Comparaison des connecteurs Ethernet RJ et M12 pour l'automatisation

Ethernet, défini par la norme IEEE 802.3, reste la technologie de réseau local (LAN) la plus utilisée dans le monde. Les normes de communications basées sur Ethernet pour l'automatisation industrielle incluent ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP et Profinet. Les connecteurs fréquemment associés aux câbles Ethernet sont les omniprésents connecteurs RJ (Registered Jack). La plupart des connecteurs RJ incluent une fiche munie d'une simple languette en plastique qui s'enclenche dans la géométrie correspondante d'une prise RJ pour maintenir ensemble les deux parties en toute sécurité. Les fiches et les prises s'adaptent facilement aux câbles — et le personnel d'installation peut simultanément les serrer et établir les contacts électriques à l'aide d'un outil de sertissage à usage spécial. Les terminateurs de sertissage permettent de construire des câbles coupés sur mesure (façonnés sur place) qui sont raisonnablement fiables. Les sous-composants de fiches conçus pour une telle installation sur site sont souvent dotés d'un corps transparent permettant au personnel d'installation d'inspecter tous les contacts internes avant la mise en service. Cela étant dit, la fiabilité des câbles assemblés en usine est imbattable.

Figure 2 : Outil de sertissage manuel TL2253-ND permettant la terminaison sur le terrain des fiches RJ des câbles Ethernet à quatre, six et huit fils coupés à longueur. D'une seule pression, les lames de l'outil dénudent les fils Cat5e et Cat6 plats ou ronds et sécurisent le corps du connecteur. (Source de l'image : Tripp Lite)

Lorsque les connecteurs RJ ne sont pas assez robustes pour un environnement industriel particulier, les connecteurs M12 peuvent être mieux adaptés. En effet, les connecteurs M12 offrent une connexion plus fiable et physiquement plus robuste, avec l'avantage supplémentaire d'être protégés contre la pénétration de la poussière et des fluides.

Figure 3 : Les connecteurs RJ tels que ceux illustrés ici sont les plus courants sur les câbles Ethernet. Mais il existe d'autres types de connecteurs disponibles pouvant être utilisés sur les câbles Ethernet. (Source de l'image : Getty Images)

L'alimentation Power over Ethernet (PoE), définie par la norme IEEE 802.3, constitue un moyen pratique d'obtenir à la fois l'alimentation électrique et les données sur un seul câble. L'alternative A de PoE (souvent appelée mode A) utilise les deux mêmes paires torsadées pour transporter à la fois les données et l'alimentation, ce qui permet d'utiliser des câbles avec moins de fils — et la bande passante est limitée à 100 Mbps (100BASE-TX). L'alternative B de PoE (souvent appelée mode B) utilise un câble Ethernet Cat 5 avec quatre paires torsadées — deux paires transportant les données et deux paires transportant l'alimentation. Cela réduit la bande passante disponible pour les données — limitant le débit de données à 100 Mbps même si les câbles sont répertoriés pour Gigabit Ethernet.

Le câble à quatre paires ou 4PPoE nécessite un câble avec quatre paires torsadées transmettant toutes à la fois l'alimentation et les données. Cela signifie que des courants et des débits de données supérieurs (Gigabit Ethernet et au-delà) sont pris en charge. Les dispositifs acceptant l'alimentation par PoE doivent être configurés pour accepter le mode A ou le mode B tel que fourni. Cela étant, ils peuvent utiliser une résistance fixe ou alternative entre les paires de fils pour indiquer la compatibilité et demander une configuration électrique spécifique. Bien entendu, ce sont les alimentations PoE (l'équipement émetteur d'alimentation ou PSE) qui déterminent réellement le mode PoE du système.

Figure 4 : La conception du connecteur est largement dictée par le câble qu'il termine. Les connecteurs de câbles Ethernet M12, tels que ceux présentés ici, sont généralement plus robustes que les connecteurs RJ. Certains fabricants leur attribuent un code couleur pour indiquer la compatibilité avec les modes PoE et la disposition des conducteurs. (Source de l'image : Lumberg Automation)

Les connecteurs de la série M terminent les câbles de données et d'alimentation (ainsi que le câblage réseau tel qu'Industrial Ethernet, PROFINET et Fieldbus). Il s'agit de connecteurs ronds avec un manchon femelle fileté (à monter sur une prise mâle) enroulé autour d'un ensemble de broches conductrices. Les filetages M8 (8 mm) et M12 (12 mm) sont les plus courants, mais M5, M16 et M23 sont également des normes bien connues. Le verrouillage positif (vissé) des connecteurs série M garantit une connexion très fiable qui minimise les signaux intermittents, tout en protégeant contre les débris environnementaux très fréquents dans les environnements de lavage et corrosifs. Il n'est pas étonnant que les connecteurs de la série M soient une norme de premier ordre sur les câbles pour les actionneurs, les PLC, les capteurs, les commutateurs et les commandes d'automatisation industrielle.

Les connecteurs M8 et M12 peuvent avoir 2, 3, 4, 5, 8 ou 12 broches (également appelées positions). Les capteurs et les alimentations nécessitent généralement trois ou quatre broches. Pour les connecteurs série M aux extrémités des câbles Ethernet et PROFINET, quatre ou huit broches sont nécessaires. En revanche, ceux qui se trouvent aux extrémités des câbles transportant des données Fieldbus, CANbus et DeviceNet ont généralement quatre ou cinq broches. Bien sûr, les câbles transportant plusieurs flux de données et d'alimentation peuvent nécessiter une terminaison avec un connecteur de la série M doté des 12 broches.

Figure 5 : Ce connecteur à angle droit Brad Ultra-Lock 120108 est une adaptation propriétaire d'une conception de connecteur M12 pour améliorer la fiabilité. (Source : Molex)

En fait, une conception connecteur-prise connexe assez courante dans l'industrie est la paire de broches et de prises, introduite à l'origine par Molex, de sorte qu'elle est parfois appelée interconnexions Molex dans le langage courant. La série de connecteurs Molex Brad propriétaire est basée sur les connecteurs M12 mais remplace le manchon fileté par un système push-to-lock plus pratique et plus fiable. Comme le verrouillage ne dépend pas du serrage par l'opérateur, la fiabilité est garantie et le risque d'un signal intermittent est réduit. Les variantes de connecteurs Brad incluent :

• Connecteurs Brad Micro-Push M12 — Connecteurs enfichables et à déconnexion par traction offrant une protection IP65
• Connecteurs push-to-lock Brad MX-PTL M12 offrant une protection IP65
• Connecteurs filetés Brad Micro-Change M12 offrant une protection IP67
• Connecteurs M12 Brad Ultra-Lock et Ultra-Lock EX avec raccords push-to-lock et joints toriques pour un niveau complet de protection IP69K.

Connecteurs coaxiaux pour signaux haute fréquence

Les câbles coaxiaux (équipés de connecteurs coaxiaux) sont également utilisés dans l'automatisation industrielle pour la transmission de signaux haute fréquence — en particulier ceux qui supportent la surveillance des vibrations et la transmission de signaux analogiques. Les normes abondent.

Les connecteurs BNC ont une fixation à baïonnette qui nécessite un quart de tour pour les connecter ou les déconnecter. Ils peuvent être utilisés pour des fréquences supérieures à 12 GHz et, dans certains cas, jusqu'à 18 GHz. Les connecteurs DIN 0.4 à 2.5 sont des connecteurs à enficher très compacts, adaptés à des fréquences jusqu'à 3 GHz. Par contraste, les connecteurs DIN 1.0/2.3 sont de petits connecteurs radiofréquences à enficher, largement utilisés dans les télécommunications numériques.

Les câbles modulaires et personnalisés se multiplient pour les machines automatisées

Avec les approches d'intégration système conventionnelles, les câbles sont « confectionnés » — mesurés, coupés et terminés — sur site pendant l'installation de l'équipement automatisé. Cela signifie généralement qu'un électricien sur place coupe les câbles requis à la longueur voulue, dénude la gaine délicate de tous leurs conducteurs et installe les câbles avec les connecteurs nécessaires pour relier les composants. Une telle préparation des câbles sur le terrain est fastidieuse et entraîne une qualité de connexion variable. C'est pourquoi la tendance actuelle est de se procurer des systèmes de câbles et de connecteurs modulaires composés de câbles standard et de connecteurs montés en usine. Les longueurs de câble requises sont déterminées lors de la conception et fournies prêtes à être installées.

Certains estiment que les câbles modulaires réduisent le temps d'installation sur site de 60 % à 70 % tout en améliorant la fiabilité des connexions électriques.

Le cas particulier des presse-étoupes

Les connecteurs de câbles appelés presse-étoupes sont utilisés lorsque des câbles traversent un boîtier. Les presse-étoupes ont trois fonctions : sécuriser le câble, prévenir son usure et fournir une étanchéité autour du câble pour protéger les composants à l'intérieur du boîtier contre les débris environnementaux. La manière dont les presse-étoupes sécurisent le câble permet essentiellement d'éviter d'endommager les contacts électriques en cas d'arrachement ou d'autres perturbations. Ils permettent également d'éviter que le câble ne frotte ou ne s'use contre le bord métallique tranchant de la découpe du boîtier. C'est important car le métal peut facilement couper les gaines des câbles et provoquer des courts-circuits.

Les applications moins exigeantes utilisent souvent des presse-étoupes lamellaires dotés de plusieurs lamelles qui enserrent le câble. Ce type de presse-étoupe est moins coûteux mais nécessite un resserrage régulier pour maintenir la protection contre les infiltrations. Les presse-étoupes de qualité supérieure utilisent un joint continu à serrer autour du câble. Ce type de presse-étoupe est beaucoup moins susceptible de se desserrer avec le temps.

Construction des connecteurs d'alimentation industriels actuels

Les dispositifs utilisés pour l'automatisation industrielle nécessitent souvent une alimentation électrique câblée en plus d'une connexion de données. La technologie PoE relativement récente mentionnée plus haut est préférable lorsqu'elle peut être utilisée car elle simplifie le câblage. Cependant, la grande majorité des composants et des systèmes d'automatisation requièrent des cordons d'alimentation traditionnels.

Les connecteurs normalisés par la Commission électrotechnique internationale (CEI) sont courants sur les câbles d'alimentation destinés aux applications grand public, bureautiques et industrielles. La CEI définit une gamme de connecteurs non verrouillables dans la norme CEI 60320 avec des tensions jusqu'à 250 V et un courant ne dépassant pas 16 A. Ici, le connecteur C13/C14 est fréquemment utilisé pour les équipements électroniques — y compris les alimentations d'ordinateur. Les coupleurs C19/C20 plus grands sont utilisés aux extrémités des câbles transportant un courant plus élevé — y compris les enceintes de serveurs, par exemple.

Figure 6 : Les câbles d'alimentation à usage général incluent une variété de connecteurs CEI et d'autres connecteurs standard. (Source de l'image : Getty Images)

Pour les applications plus critiques ou exigeantes, les connecteurs CEI 60309 sont souvent privilégiés. Ces fiches, prises et coupleurs sont expressément destinés à un usage industriel et peuvent supporter des tensions jusqu'à 1000 V, des courants jusqu'à 800 A et des fréquences jusqu'à 500 Hz. Tous ces connecteurs fournissent un certain niveau de résistance à la pénétration d'eau : les connecteurs IP44 sont étanches aux projections d'eau, les connecteurs IP67 sont étanches à l'eau et les connecteurs IP66/67 peuvent empêcher la pénétration d'eau même lorsqu'ils sont soumis à des jets d'eau sous pression. Les prises de courant peuvent également être verrouillées de manière à ce que la prise de courant ne puisse pas être alimentée tant qu'elle n'est pas raccordée à une fiche, et que la fiche ne puisse pas être retirée tant que l'alimentation n'est pas coupée.

Figure 7 : Remarquez le codage couleur (conforme à CEI 60309) de ce connecteur de câble haute puissance. (Source de l'image : Railway Tech)

Différentes tailles de connecteurs CEI 60309 sont utilisées pour différents courants nominaux. Les connecteurs présentent également un détrompeur et un codage couleur pour indiquer leurs plages de tensions et de fréquences :

• Le jaune indique une tenue de 100 V à 130 V, à 50 Hz-60 Hz
• Le bleu indique une tenue de 200 V à 250 V, à 50 Hz-60 Hz
• Le rouge indique une tenue de 380 V à 480 V, à 50 Hz-60 Hz — souvent dans une configuration triphasée

Conclusion

Il existe de nombreuses options de géométrie et d'intégration lorsqu'il s'agit de choisir des connecteurs et des presse-étoupes pour l'automatisation industrielle. Lors de la spécification d'un câble pour une machine automatisée donnée, la première considération des ingénieurs de conception doit porter sur le nombre de conducteurs du câble et sur le calibre des conducteurs. La protection contre les infiltrations et la nécessité d'un verrouillage positif pour éviter les signaux intermittents constituent les autres considérations les plus importantes.