Dans quelle mesure les câbles de qualité industrielle améliorent le rendement, la fiabilité et le coût total de possession

Les environnements industriels peuvent s'avérer impitoyables pour les composants et les équipements. Souvent, de gros efforts sont consacrés à la recherche de composants et de systèmes électroniques robustes, les concepteurs accordant moins d'attention à la sélection du câblage. Cependant, deux câbles qui se ressemblent de manière trompeuse peuvent se comporter de manière très différente dans des environnements industriels difficiles.

Cet article décrit brièvement l'impact d’un mauvais choix de câbles avant de décrire les éléments de construction d'un câble adapté aux applications industrielles. Il fournit ensuite des exemples de solutions de câble innovantes destinées à résoudre le problème de la transmission du signal dans des environnements difficiles, de manière fiable et économique.

Pourquoi le choix du câble est-il si important ?

Le mauvais choix de câblage peut sembler fonctionner correctement au début, mais dès le début, il peut en réalité causer une dégradation du signal et une perte de puissance. Au fil du temps, les câbles peuvent également introduire des défaillances de connexion intermittentes, qui sont notoirement difficiles à résoudre, entraînant des temps d'arrêt coûteux pour le système. Cela peut être particulièrement gênant dans les environnements soumis à de fortes vibrations. De plus, si le câble ne dispose pas du matériau de gaine externe approprié, l'exposition à des produits chimiques, à des températures extrêmes et à des agressions mécaniques peut exposer le câblage et ouvrir la porte à des courts-circuits et des étincelles.

Une meilleure solution consiste à sélectionner un câble de grade industriel IP67 ou IP68 qui convient à l'application. Les câbles industriels sont des câbles de haute qualité avec une construction plus robuste et utilisent souvent des matériaux de meilleure qualité que leurs homologues commerciaux généralement conçus pour un usage domestique. Bien que les deux types de câbles puissent sembler rapidement similaires, les câbles de qualité industrielle sont plus destinés à un usage intensif et résistent mieux à la chaleur, aux solvants et aux liquides que leurs équivalents commerciaux similaires. Ils sont également plus tolérants aux forces de flexion, de torsion et d'étirement susceptibles d'endommager des câbles moins robustes.

D'un point de vue électronique, le choix de câbles industriels appropriés minimise également la perte de puissance et de signal pour toute longueur de câble. Ils sont également beaucoup plus résistants aux interférences électromagnétiques (EMI).

Lors de la sélection d’un câble de qualité industrielle, il est utile de comprendre les éléments impliqués dans la fabrication d'un câble.

Fils conducteurs centraux

Commencez par le matériau et le diamètre du conducteur central. Plus le diamètre des fils est important, plus le câble peut transporter du courant tout en minimisant la perte de signal sur la distance. Le cuivre est le meilleur matériau conducteur pour les fils. Les câbles de moindre qualité peuvent utiliser de l'aluminium, qui est un conducteur inférieur au cuivre. Assurez-vous d'acheter des câbles de marque chez un distributeur agréé tel que DigiKey, car ce qui ressemble à un câble de marque pourrait en fait comporter des conducteurs en aluminium recouverts de cuivre. Bien que les fils pleins soient de meilleurs conducteurs que les fils divisés, ils ne se plient pas aussi facilement, ce qui les rend peu pratiques dans de nombreuses situations. Les fils divisés sont plus faciles à placer et à acheminer, car ils sont plus flexibles.

Gaine extérieure

Le matériau et l'épaisseur de la gaine extérieure sont cruciaux pour la longévité des câbles industriels. Plus la gaine extérieure est épaisse, mieux le câble est protégé.

Dans les environnements industriels, la gaine extérieure du câble doit faire face à de nombreuses formes d'agressions pouvant dégrader rapidement le câble. La lumière du soleil, en particulier la lumière ultraviolette (UV), peut provoquer une décoloration ou des fissures de la gaine extérieure. Les solvants, notamment l'huile, l'essence et les produits chimiques de nettoyage peuvent également dissoudre la gaine extérieure et entraîner des défaillances. Les températures élevées peuvent entraîner un raccourcissement du câble, ce qui devient un handicap supplémentaire pour les câbles plus longs. Des températures extrêmement froides peuvent fragiliser la gaine extérieure et provoquer des fissures visibles pouvant entraîner des pertes et des ruptures.

La gaine extérieure doit également être en mesure de résister aux agressions mécaniques, telles que l'effet abrasif résultant du tirage du câble autour des angles vifs. Une gaine extérieure incorrecte peut entraîner des ouvertures dans le câble, laissant apparaître le blindage ou les fils conducteurs. Le polyuréthane épais est un choix fiable de matériau de gaine extérieure pour des câbles de haute qualité en raison de sa résistance à l'abrasion. Le polyuréthane résiste également aux solvants, à la température, à la lumière et aux agressions de toutes sortes.

La résistance à l'eau est souvent considérée comme acquise. Bien que presque tous les câbles puissent sembler résistants à l'eau, une exposition prolongée à l'humidité peut également provoquer un raccourcissement du câble. Cela peut être difficile à diagnostiquer, surtout si les techniciens continuent à remplacer le câble par le même câble commercial, sans se rendre compte de l'erreur. Pour éviter cela, les câbles de grade industriel IP67 sont recommandés pour la plupart des environnements humides.

Même avec les câbles industriels les plus robustes, il est nécessaire de les éloigner des arêtes vives. Pour éviter d'étirer le câble, envisagez d'utiliser suffisamment de câbles pour la longueur acheminée. Il n'est pas rare dans les usines et les immeubles de bureau que les exigences changent et qu'un réacheminement du câblage devienne nécessaire.

Dans les environnements extrêmes où les câbles risquent d'être submergés, choisissez un câble conforme à la norme IP68, tel que le câble circulaire à quatre conducteurs CA0162C22315012 d'Amphenol Sine Systems (Figure 1). Ce système de câbles et de connecteurs est capable de résister à des températures allant de -25 à +100°C, à l'extrémité de la plage de températures industrielles. Les câbles utilisent des fils divisés 14 AWG pour les quatre conducteurs.

Figure 1 : Les câbles à connecteurs circulaires CA0162C22315012 d'Amphenol Sine Systems utilisent des fils de calibre 24 AWG épais pour une excellente conductivité. Les réducteurs de tension du connecteur sont moulés à chaud sur la gaine extérieure du câble pour une protection maximale. (Source de l'image : Amphenol Sine Systems)

Connecteurs de câbles et contacts

La connexion du câble au connecteur peut constituer la partie la plus malmenée de l'ensemble. Il est recommandé de toujours retirer un connecteur de câble d'une prise en tirant sur le capot du connecteur et non sur le réducteur de tension. Cependant, les techniciens pressés tirent parfois sur le réducteur de tension. Parfois, le connecteur de câble est placé dans un espace restreint où il est impossible d'éviter de retirer le connecteur à l'aide du réducteur de tension. Si une telle action se répète suffisamment de fois sur les câbles commerciaux, il est probable que le fil se détache des contacts du connecteur, ce qui peut entraîner des connexions intermittentes ou une défaillance totale.

Dans ces situations, il est recommandé d'utiliser des câbles robustes reliant les boîtiers de connecteur, tels que des réducteurs de tension moulés à chaud, car ils offrent une excellente protection contre les tensions lors de l'insertion et du retrait des connecteurs de câble.

Le nombre de cycles de raccordement des connecteurs n'est généralement pas important pour les connecteurs fixés aux mêmes réceptacles pendant des mois ou des années à la fois. Mais, à l'extrême opposé, les câbles utilisés avec des équipements de test industriels peuvent subir des dizaines de cycles de raccordement en une seule journée. Il est important d'obtenir un câble avec des connecteurs dépassant le nombre de cycles de raccordement d'au moins 50 %.

Parfois, des conditions extrêmes exigent des produits innovants avec des solutions uniques. Rosenberger fabrique une série de connecteurs magnétiques à localisation automatique qui offrent un nombre pratiquement illimité de cycles de raccordement (Figure 2). Les connecteurs magnétiques à localisation automatique situés à l'extrémité des câbles Rosenberger peuvent être facilement placés dans les prises avec une force d'insertion nulle. Le système de connecteur magnétique guide automatiquement le connecteur de câble dans la prise de manière audible, sans aucun effort manuel.

Figure 2 : Les connecteurs magnétiques à localisation automatique situés à l'extrémité de ces câbles Rosenberger peuvent être facilement placés dans les prises avec une force d'insertion nulle. (Source de l'image : Rosenberger)

L'assemblage de câbles USB industriel L99-838-1500 de Rosenberger est conçu pour les équipements de diagnostic OTG (On-The-Go). Chaque extrémité est dotée d'un mécanisme de verrouillage magnétique simple permettant un raccordement rapide et facile avec une prise compatible. Ceci est particulièrement utile pour la maintenance des équipements de diagnostic utilisés dans les immeubles de bureau, les systèmes de contrôle industriel et d'automatisation, ainsi que dans les autres environnements où les cycles de raccordement sont exceptionnellement élevés.

Or, nickel et étain : se soucier des détails des contacts

Les contacts du connecteur de câble sont liés à la tenue en courant et à la fiabilité du câble. Les connecteurs étamés sont assez courants dans les câbles commerciaux. Pour les connecteurs de câbles industriels de haute fiabilité, l'or est le meilleur choix, car c'est un excellent conducteur et contrairement à l'argent ou au cuivre, il ne s'oxyde pas ni ne se corrode. Cependant, il n'est pas surprenant que l'or solide coûte excessivement cher. Une meilleure solution consiste à utiliser des contacts en nickel plaqués or comme ceux utilisés dans le câble Ethernet industriel 1203410303 M12 CAT6A de Molex (Figure 3).

Les connecteurs M12 standard de l'industrie utilisent des contacts en or nickelés, qui sont supérieurs aux contacts en or massif avec une durabilité accrue, une stabilité améliorée du métal et une résistance élevée à la corrosion.

Figure 3 : Les contacts plaqués or du câble Ethernet industriel 1203410303 M12 CAT6A de Molex offrent une faible résistance et une grande fiabilité en environnement industriel. (Source de l'image : Molex)

Bien que le cuivre et l'argent soient légèrement meilleurs conducteurs que l'or, ils sont plus susceptibles de se ternir et de se corroder dans des environnements difficiles. L'or est un excellent conducteur pour les environnements industriels, car il résiste à de nombreux solvants et maintient sa connectivité à des températures élevées. Pour ces raisons et d'autres, l'or est recommandé pour les applications industrielles à haute fiabilité.

Dans la plupart des cas, les connexions de contact or-à-or fournissent des connexions de haute fiabilité et de faible résistance. L'or n'est pas recommandé pour le raccordement avec des contacts plus mous tels que l'étain, car un processus appelé « fretting » (usure de contact) peut se produire. Le fretting se produit lorsque deux métaux différents entrent en contact et provoquent une réaction chimique, créant un autre matériau qui augmente la résistance de la connexion.

Une autre forme de fretting est lorsqu'un métal très dur tel que l'or se frotte contre un métal très mou tel que l'étain, ce qui fait qu'une partie de l'étain se gratte et adhère à l'or, entraînant la même réaction chimique.

Blindage de câbles

Les environnements bruyants, tels que les usines et les immeubles de bureau, sont remplis de bruit électrique. Les interférences électromagnétiques (EMI) peuvent gravement affecter le rendement et le fonctionnement des équipements électroniques. Le câblage peut générer des EMI ou en être affecté. Le blindage correct du câble peut bloquer ou éliminer la plupart des interférences électromagnétiques. Il est important de sélectionner des câbles correctement blindés pour l'environnement industriel, car les problèmes d'équipement causés par le bruit EMI peuvent être particulièrement difficiles à diagnostiquer ultérieurement.

Il existe deux types de blindage de câble. Le blindage par feuille d'aluminium est courant dans les câbles industriels et commerciaux et fournit une couverture à 100 %. Pour les applications industrielles, le côté de la feuille faisant face aux fils est fixé à une mince surface non conductrice pour une meilleure isolation des fils conducteurs. Pour fournir un blindage suffisant, l'épaisseur de la feuille d'aluminium peut rendre le câble rigide et difficile à manipuler. Certains câbles commerciaux utilisent une mince couche de papier aluminium suffisante pour un usage domestique, mais ne fournissent pas une protection suffisante contre les interférences électromagnétiques pour une usine.

Le blindage de câble à maillage en cuivre tressé est plus facile à utiliser et offre plus de flexibilité que le blindage par feuille. Cependant, le blindage à maillage ne fournit généralement qu'une couverture de 70 % à 95 %. Pour cette raison, de nombreux câbles industriels de haute qualité associent à la fois un blindage mince en feuille d'aluminium et une tresse de cuivre, offrant une excellente protection contre les interférences électromagnétiques, tout en préservant la flexibilité.

Les connecteurs de câble sont dotés d'une masse de blindage à chaque connecteur. Il est important d'utiliser les deux masses de blindage pour une immunité maximale au bruit.

Conclusion

Le choix judicieux du câblage en début de projet permet d'éviter des problèmes ultérieurement. La qualité des câbles industriels est supérieure à celle des câbles commerciaux, avec les avantages d'une qualité de signal supérieure et d'une durée de vie plus longue. Les ingénieurs et les techniciens doivent examiner attentivement les spécifications des câbles considérés pour une application industrielle afin de garantir l'approvisionnement en câbles appropriés en matière de fiabilité, de durée de vie et de coût global de possession.