Câbles personnalisés pour l'automatisation industrielle

L'automatisation permet des économies de main-d'œuvre, d'énergie et de matériaux tout en augmentant la précision et la qualité. Mais l'une des vulnérabilités potentielles est que les machines et les opérations industrielles d'aujourd'hui, avec une complexité système sans précédent, dépendent d'une connectivité stable pour la transmission de l'alimentation, des commandes et des données opérationnelles. Toute rupture de cette connectivité peut entraîner des interruptions de débit majeures et des dommages coûteux aux machines ou aux produits finaux.

C'est pourquoi la fiabilité des solutions de câbles industriels pour connecter tous les contrôles, capteurs et actionneurs des systèmes automatisés est vitale pour minimiser la maintenance non planifiée et maintenir la fiabilité des opérations automatisées.

Figure 1 : Les câbles industriels en environnements automatisés sont utilisés pour la distribution de l'alimentation électrique ainsi que pour la transmission des signaux de contrôle et de données (pour l'acquisition de données et la surveillance des opérations). Les assemblages de câbles qui combinent ces fonctions (comme les solutions de câbles personnalisés ÖLFLEX CONNECT de Lapp USA) gagnent du terrain. (Source de l'image : Lapp USA)

Des câbles fiables requièrent une mise à la terre, des fils conducteurs et des connecteurs robustes, et bien d'autres considérations. Par exemple, le blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI) est essentiel pour garantir le contrôle et le transfert de données fiables. Sur les axes mobiles, les câbles doivent également être suffisamment flexibles pour résister à des milliers de cycles de courbure. L'isolant autour de chaque toron conducteur doit également être robuste et résister à l'abrasion.

Ainsi, pour les applications d'automatisation industrielle particulièrement exigeantes, l'utilisation de câbles personnalisés est de plus en plus fréquente. De nouvelles options de blindage, d'isolation, de robustesse des gaines et de facteur de forme aident les ingénieurs à adapter les câbles à leurs applications pour une optimisation complète.

Câbles modulaires dans le contexte de l'automatisation industrielle

Les câbles et connecteurs modulaires sont des produits assemblés en usine qui utilisent un ensemble standardisé de sous-composants qui se clipsent ou se fixent souvent ensemble pour un fonctionnement rapide et extrêmement fiable. Il n'est pas étonnant que les assemblages de câbles personnalisés basés sur des sous-composants modulaires soient de plus en plus courants dans l'automatisation industrielle, ainsi que dans d'autres secteurs comme la construction.

Les câbles modulaires peuvent réduire les efforts d'installation sur site d'environ 60 % à 70 % par rapport aux ensembles de câbles traditionnels. C'est en grande partie parce que les assemblages de câbles modulaires éliminent la nécessité pour le personnel d'usine ou les techniciens intégrateurs de connecter physiquement les conducteurs électriques et d'effectuer les tests et le dépannage sur place. En fait, la plupart des procédés traditionnels d'installation de câbles exigent qu'un électricien coupe le câble à la longueur requise, dénude la gaine et torsade les connexions à la main. Les câbles modulaires éliminent ces tâches fastidieuses tout en augmentant la fiabilité, car, là encore, toutes les opérations de personnalisation, de coupe, de connexion et de finition sont exécutées avec des processus d'usine reproductibles. De plus, les câbles provenant de fournisseurs qui vendent des assemblages personnalisés sont généralement soumis à des tests automatisés avant d'être expédiés. Ainsi, les câbles spécifiques à l'application sont entièrement spécifiés au stade de la conception, et l'installation sur site consiste simplement à brancher ces câbles sur les composants de la machine.

Figure 2 : Grâce aux assemblages de câbles personnalisés, les électriciens n'ont pas à effectuer le câblage et les tests sur site illustrés ici.

Blindage pour protéger la qualité de la transmission

Avec des systèmes de plus en plus complexes impliquant la transmission de signaux d'alimentation, de commande et de données, les environnements industriels modernes sont électriquement bruyants. C'est pourquoi les signaux et les équipements sensibles doivent être protégés contre les interférences électromagnétiques. Ces perturbations des circuits électriques sont causées par l'induction électromagnétique, le couplage électrostatique et la conduction. En fait, les câbles en environnements électriquement bruyants peuvent avoir besoin d'être blindés pour empêcher la propagation des interférences électromagnétiques pour les raisons suivantes :

• Les câbles peuvent être exposés à des EMI provenant d'autres sources
• Les câbles industriels eux-mêmes peuvent être à l'origine des EMI
• Les câbles peuvent autrement agir en tant qu'antenne pour émettre du bruit

Les moteurs, les générateurs, les transformateurs, le chauffage par induction et les câbles électriques peuvent tous être des sources de hauts niveaux d'EMI. Les câbles de commande et de données situés à proximité de ces sources devront être blindés. Les signaux très sensibles peuvent nécessiter un blindage même s'ils se trouvent à une certaine distance de la source d'EMI.

En fait, le blindage peut prendre la forme d'une cage entourant une opération automatisée complète, d'un conduit ou d'une armoire métallique entourant les câbles, ou (comme nous le verrons en détail ici) il peut être intégré directement dans les câbles.

Le blindage des câbles contre les EMI peut être effectué avec un écran de Faraday (qui est un revêtement continu de matériau conducteur autour des fils du câble) ou d'une cage de Faraday (qui est un maillage conducteur autour des fils du câble). Le premier est généralement constitué de feuilles métalliques et le second de fils tressés.

Le blindage de type feuille est souvent constitué d'aluminium fin pour fournir un blindage continu, économique et flexible, mais plus difficile à mettre à la terre.

Un fil tressé est un maillage tissé de fils de cuivre plus facile à relier à la terre mais qui, dans certains cas, n'offre pas une couverture à 100 %, car de petites ouvertures peuvent laisser pénétrer des signaux haute fréquence. Ainsi, pour qu'une cage de Faraday fonctionne, tous les orifices ou interstices de la maille doivent être considérablement plus petits que la longueur d'onde du rayonnement à bloquer. Certains fabricants étament leurs fils de blindage tressés pour améliorer la protection contre les EMI. D'autres garantissent des signaux propres dans des environnements très bruyants avec plusieurs couches de blindage, entre les paires individuelles ainsi qu'autour du câble entier, par exemple. Un tel blindage peut être plus coûteux et moins flexible que d'autres options.

Les cages et les blindages sont des conducteurs qui réfléchissent le rayonnement électromagnétique pour empêcher ce rayonnement d'atteindre l'intérieur des fils conducteurs du câble. Le blindage des câbles est typiquement placé entre les couches d'isolant entourant les fils conducteurs. Ensuite, ce blindage est généralement relié à la terre pour permettre une dispersion efficace de l'énergie électromagnétique.

Figure 3 : Les câbles ÖLFLEX CONNECT SERVO de Lapp USA incluent une connectivité d'alimentation et de données ainsi que des connecteurs pour simplifier l'utilisation avec les entraînements et les servomoteurs de Siemens, Rockwell/AB, Indramat, Lenze et SEW. Le blindage CEM de ces câbles est réalisé par le fabricant dans un processus automatisé qui retire la gaine du câble et étend le blindage pour un contact à 360° avec le connecteur. (Source de l'image : Lapp USA)

Options d'isolant de câbles industriels

L'isolant est le matériau non conducteur qui entoure un fil conducteur électrique. En plus d'empêcher la conduction entre les fils ou à la terre, il sert souvent à protéger contre l'abrasion et la pénétration de fluides. Il est important de noter que l'isolant seul ne constitue pas une barrière contre les EMI, le rayonnement et les champs magnétiques le traversant directement. Voici quelques matériaux isolants courants.

Le polychlorure de vinyle (PVC) est un isolant économique et fréquemment utilisé. Il présente une plage de températures d'environ -55°C à +105°C et résiste aux solvants et aux carburants courants. La capacité et l'atténuation entraînent une certaine perte de puissance.

Le PVC semi-rigide (SR-PVC) offre une résistance à l'abrasion plus élevée que les autres options ; le matériau plénum polychlorure de vinyle (plénum PVC) similaire offre également une résistance supérieure à la flamme.

Le polyéthylène (PE) a une faible capacité, ce qui le rend bien adapté à la transmission de données à haut débit. Il est non flexible et inflammable avec une plage de températures de -65°C à +80°C.

Le polyéthylène chloré (CPE) offre une excellente résistance à la chaleur et au feu et il est souvent utilisé dans les câbles d'alimentation et de commande industriels.

Le silicone est hautement résistant à la chaleur (même à 180°C), et il est flexible et ignifuge.

La fibre de verre est fréquemment utilisée pour les applications exigeant une résistance à la chaleur extrême, comme les fonderies et la transformation des métaux. Elle peut être utilisée à des températures soutenues jusqu'à 480°C.

Notez que les conditions de fonctionnement sont données à titre indicatif seulement. Les ingénieurs de conception doivent toujours se référer aux spécifications du fabricant de câbles avant d'utiliser un câble pour une application particulière.

Gaines de câbles industriels

Dans certains câbles, les fonctions d'isolation électrique et de protection extérieure sont séparées, des matériaux optimisés étant utilisés pour chaque fonction. Dans ce cas, la couche intérieure fournissant l'isolation électrique est appelée isolant, tandis que la couche extérieure assurant la protection est appelée gaine. Cela peut améliorer à la fois la robustesse et la flexibilité.

Différents matériaux de gaine peuvent être utilisés pour fournir une protection spécialisée contre les menaces telles que l'abrasion, les fluides, la chaleur, les produits chimiques ou les microbes. Les matériaux de gaine les plus courants incluent :

Le polyuréthane (PUR) qui offre une robustesse et une flexibilité élevées ainsi qu'une résistance aux produits chimiques, à l'eau et à l'abrasion. Cependant, le polyuréthane est inflammable. En raison de ses propriétés électriques médiocres, il n'est pas adapté à une utilisation en tant qu'isolant.

Le nylon qui présente d'excellentes caractéristiques de robustesse, de flexibilité et de résistance à l'abrasion et aux produits chimiques.

Le néoprène qui est un caoutchouc synthétique thermodurci présentant une excellente résistance à l'abrasion, à la coupure, aux huiles et aux solvants. Il offre une longue durée de vie et il est souvent utilisé dans les applications militaires.

Le caoutchouc styrène-butadiène (SBR) qui est un thermodurci présentant une excellente résistance à l'abrasion, aux huiles et aux solvants. Il est utilisé dans les câbles Mil-C-55668.

Dispositions des torons dans les câbles industriels

Les torons individuels dans un câble peuvent être disposés de différentes manières pour leur conférer des propriétés de flexion distinctes.

Un conducteur massif est constitué d'un seul fil épais, qui est peu coûteux mais rigide et moins robuste.

Un câblage à conducteurs multiples est relativement simple avec tous les torons torsadés ensemble dans le même sens ; il est plus robuste qu'un câble massif.

Un câblage concentrique a un seul fil au centre avec une couche de fils torsadés autour de lui ; toutes les couches successives sont torsadées dans des directions alternées. Cela permet d'obtenir des câbles lisses adaptés aux applications d'automatisation.

Un toronnage multiple a des faisceaux de câbles toronnés de diverses autres manières ; conception également destinée à produire un câble flexible.

Note finale sur les connecteurs de câbles industriels

Les connecteurs de câbles pour l'automatisation industrielle sont tout aussi personnalisables que les câbles eux-mêmes. Ce sujet sera traité dans un autre article et abordera les différentes permutations de ces connecteurs (ainsi que les options de presse-étoupe et de préhension). Toutefois, il convient de noter que les connecteurs sont de plus en plus spécialisés pour des composants particuliers, comme les câbles de servomoteurs mentionnés ci-dessus, par exemple.

En outre, les connecteurs de câbles offrent aujourd'hui des conceptions hautement spécialisées pour maintenir la résistance aux conditions environnementales. La résistance des connecteurs aux infiltrations est évaluée de la même manière que pour les boîtiers, en utilisant un code d'indice de protection (IP). Ces codes se composent de deux chiffres — le premier chiffre indiquant le niveau de protection contre les corps étrangers et la poussière, et le deuxième chiffre indiquant le niveau de protection contre les liquides. Le premier chiffre va de 0 (aucune protection) à 6 (étanchéité à la poussière). Le deuxième chiffre va de 0 (aucune protection) à 8 (protection continue contre l'immersion continue à une profondeur de 1 mètre).

Ailleurs, des géométries standardisées pour les connecteurs de câble ont été introduites pour simplifier la spécification. Par exemple, les connecteurs modulaires RJ sont de plus en plus courants pour les câbles utilisés dans la transmission de données. Notez que le terme RJ dans ce contexte signifie Registered Jack (jack normalisé) et est dérivé des applications du système téléphonique. Bien que techniquement parlant, les connecteurs modulaires modernes ne sont en fait pas du tout des connecteurs RJ. Ces connecteurs peuvent être montés rapidement et de manière fiable pour terminer les câbles à l'aide d'outils de sertissage spéciaux qui fixent le connecteur et établissent les contacts électriques en une seule opération. Cela permet un assemblage efficace et pratique des câbles sur site, bien que les câbles assemblés en usine soient plus fiables. Ce type de fiche de connecteur comporte généralement une languette pour maintenir le connecteur fermement en place dans une prise, et il est souvent doté d'un corps en plastique transparent permettant d'inspecter visuellement les contacts internes.

Figure 4 : Les deuxième et troisième connecteurs de câbles illustrés ici sont des connecteurs RJ. (Source de l'image : Lapp USA)

Pour plus d'informations sur ce sujet, consultez l'article « Le câble approprié pour une application industrielle : choix et utilisation pour une conception réussie » de DigiKey pour des conseils sur le choix d'un câble industriel.