Cavi personalizzati per l'automazione industriale

L'automazione consente di risparmiare manodopera, energia e materiali, aumentando al contempo la precisione e la qualità. Ma una potenziale vulnerabilità è che i macchinari e le operazioni industriali di oggi - che hanno una complessità di sistema senza precedenti - si basano in particolare su una connettività stabile per la trasmissione di potenza, controllo e dati operativi. Qualsiasi violazione di questa connettività può portare a gravi interruzioni della produzione e a costosi danni alle macchine o al prodotto finale.

Ecco perché l'affidabilità delle soluzioni di cavi industriali per collegare tutti i controlli, i sensori e gli attuatori dei sistemi automatizzati è fondamentale per ridurre al minimo la manutenzione non pianificata e mantenere l'affidabilità delle operazioni automatizzate.

Cifra 1: I cavi industriali in configurazione automatica vengono utilizzati per la distribuzione di energia elettrica e per la trasmissione di segnali di controllo e dati (per l'acquisizione dati e il monitoraggio delle operazioni). I gruppi di cavi che combinano queste funzioni (come ÖLFLEX CONNECT soluzioni di cavi personalizzati da Lapp USA) sono in crescita. (Fonte immagine: Lapp USA)

Cavi affidabili richiedono una messa a terra robusta, trefoli di conduzione e connettori; e ci sono molte altre considerazioni. Ad esempio, la schermatura contro le interferenze elettromagnetiche (EMI) è fondamentale per garantire un controllo affidabile e il trasferimento dei dati. Sugli assi in movimento, i cavi devono anche essere abbastanza flessibili da resistere a migliaia di cicli di piegatura. Anche l'isolamento intorno ad ogni filo conduttore deve essere robusto e resistente all'abrasione.

Quindi, per le applicazioni di automazione industriale con requisiti particolarmente esigenti, i cavi personalizzati sono sempre più diffusi. Nuove opzioni per la schermatura, l'isolamento, la robustezza della guaina e il fattore di forma stanno aiutando gli ingegneri ad adattare i cavi alle loro applicazioni per una completa ottimizzazione.

Cavi modulari nel contesto dell'automazione industriale

I cavi e i connettori modulari sono prodotti assemblati in fabbrica che utilizzano un set standardizzato di sottocomponenti che spesso si agganciano a clip o si fissano tra loro per un funzionamento rapido ed estremamente affidabile. Non c'è da stupirsi che i gruppi di cavi personalizzati basati su sottocomponenti modulari siano sempre più diffusi nell'automazione industriale - così come in altri settori industriali come l'edilizia.

I cavi modulari possono ridurre gli sforzi di installazione in loco di circa il 60-70% rispetto ai set di cavi tradizionali. Ciò è dovuto in gran parte al fatto che i gruppi di cavi modulari eliminano la necessità per il personale dell'impianto o per i tecnici dell'integratore di collegare fisicamente i conduttori elettrici ed eseguire test e la risoluzione dei problemi in loco. Infatti, la maggior parte dei processi tradizionali di installazione dei cavi richiede che un elettricista tagli i cavi alle lunghezze richieste, ne spogli la guaina e le connessioni a mano. I cavi modulari eliminano questi compiti onerosi anche aumentando l'affidabilità; perché anche in questo caso, tutte le operazioni di personalizzazione, taglio, connessione e finitura finale vengono eseguite con processi di fabbrica ripetibili. Inoltre, i cavi provenienti da fornitori che vendono assemblaggi personalizzati vengono solitamente sottoposti a test automatizzati prima che i cavi vengano spediti. In questo modo i cavi specifici per l'applicazione sono completamente specificati in fase di progettazione - e l'installazione in loco consiste semplicemente nell'inserire questi cavi nei componenti della macchina.

Schermatura per proteggere la qualità della trasmissione

Con sistemi sempre più complessi che comportano la trasmissione di segnali di potenza, controllo e dati, i moderni ambienti industriali sono elettricamente rumorosi. Ecco perché le apparecchiature sensibili e i segnali devono essere protetti dalle IEM. Questi disturbi del circuito elettrico sono causati dall'induzione elettromagnetica, dall'accoppiamento elettrostatico e dalla conduzione. Infatti, i cavi in ambienti elettricamente rumorosi potrebbero dover essere schermati per evitare la propagazione delle IEM perché:

• I cavi possono essere soggetti a disturbi da IEM che hanno origine altrove
• I cavi industriali stessi possono essere la fonte di EMI
• I cavi possono altrimenti fungere da antenna per irradiare rumore

Motori, generatori, trasformatori, cavi di riscaldamento a induzione e di potenza possono essere fonti di alti livelli di IEM. I cavi di controllo e i cavi dati in prossimità di queste sorgenti richiederanno una schermatura. Segnali molto sensibili possono richiedere una schermatura anche se si trovano a una certa distanza dalla sorgente di EMI.

Infatti, la schermatura può avere la forma di una gabbia che circonda un'intera operazione automatizzata; un armadio metallico o un condotto che circonda i cavi; oppure (come discusso in dettaglio qui) costruito direttamente nei cavi.

La schermatura del cavo da EMI può essere con uno schermo Schermo di Faraday (che è una copertura continua di materiale conduttivo intorno ai conduttori del cavo) o un Gabbia di Faraday (che è una maglia conduttiva intorno ai conduttori del cavo). Il primo è di solito costruito in lamina e il secondo in filo intrecciato.

Gli schermi a lamina spesso consistono di alluminio sottile per fornire una schermatura continua a basso costo e flessibile, ma più difficile da mettere a terra.

I fili intrecciati sono una maglia di filo di rame intrecciato che è più facile da collegare a terra ma che in alcuni casi non fornisce una copertura al 100% - in quanto piccole aperture possono permettere la penetrazione di segnali ad alta frequenza. Quindi, perché una gabbia di Faraday funzioni, tutti i fori o gli spazi vuoti nella maglia devono essere significativamente più piccoli della lunghezza d'onda della radiazione che viene bloccata. Alcuni produttori stannognano i fili dello schermo intrecciato per migliorare la protezione dalle interferenze elettromagnetiche. Altri assicurano segnali puliti in ambienti molto rumorosi con molteplici strati di schermatura - ad esempio tra le singole coppie così come attorno all'intero cavo. Tale schermatura può essere più costosa e meno flessibile di altre opzioni.

Sia le gabbie che gli schermi sono conduttori che riflettono le radiazioni elettromagnetiche per evitare che queste raggiungano l'interno dei fili conduttori del cavo. La schermatura dei cavi è tipicamente posta tra gli strati di isolamento che circondano i fili conduttori. Poi questa schermatura è di solito collegata a terra per consentire un'efficiente dispersione dell'energia EM.

Cifra 3: ÖLFLEX CONNECT SERVO I cavi di Lapp USA includono la connettività di alimentazione e dati e connettori per semplificare l'uso con azionamenti e servomotori Siemens, Rockwell/AB, Indramat, Lenze e SEW. La schermatura EMC in questi cavi viene eseguita dal produttore in un processo automatizzato che rimuove la guaina del cavo e diffonde la schermatura per un contatto a 360° con il connettore. (Fonte immagine: Lapp USA)

Opzioni di isolamento dei cavi industriali

L'isolamento è il materiale non conduttivo che circonda un filo conduttore elettrico. Oltre a prevenire la conduzione tra i fili o a terra, spesso serve anche a proteggere dall'abrasione e dall'ingresso di fluidi. È importante notare che l'isolamento da solo non fornisce alcuna barriera alle IEM con campi magnetici e radiazioni che le attraversano direttamente. Di seguito sono riportati alcuni materiali isolanti comuni.

Cloruro di polivinile (PVC) è un isolante economico e di uso comune. Ha una gamma di temperature da -55° a +105°C circa ed è resistente ai comuni solventi e carburanti. La capacità e l'attenuazione portano ad una certa perdita di potenza.

Il PVC semirigido (SR-PVC) ha una maggiore resistenza all'abrasione rispetto ad altre opzioni; il materiale simile del policloruro di polivinile per plenum (PVC per plenum) vanta anche una superiore resistenza alla fiamma.

Il polietilene (PE) ha una bassa capacità che lo rende adatto alla trasmissione dati ad alta velocità. È inflessibile e infiammabile con un campo di temperatura da -65° a +80°C.

Polietilene clorurato (CPE) ha un'eccellente resistenza al calore e al fuoco ed è spesso impiegato nei cavi industriali di potenza e di controllo.

Il silicone è altamente resistente al calore (anche fino a 180°C) oltre che ignifugo e flessibile.

Fiberglass è comunemente usato per applicazioni che richiedono un'estrema resistenza al calore come le fonderie e la lavorazione dei metalli. Può essere utilizzato a temperature sostenute fino a 480°C.

Si noti che le condizioni di funzionamento sono fornite solo come guida approssimativa. I progettisti dovrebbero sempre fare riferimento alle specifiche del produttore del cavo prima di utilizzare un cavo per una particolare applicazione.

Guaine per cavi industriali e rivestimenti

In alcuni cavi, la funzione di isolamento elettrico e la protezione esterna sono separate, con materiali ottimizzati per ogni funzione. In questo caso, lo strato interno che fornisce l'isolamento elettrico è denominato isolamento, mentre lo strato esterno che fornisce protezione è denominato giacca. Questo può migliorare sia la robustezza che la flessibilità.

Per fornire una protezione specializzata da minacce quali abrasione, fluidi, calore, prodotti chimici o microbi, possono essere utilizzati diversi materiali per le giacche. Alcuni materiali comuni per le giacche includono:

Poliuretano (PUR) che ha un'elevata tenacità e flessibilità, nonché resistenza chimica, all'acqua e all'abrasione. Tuttavia, il poliuretano è infiammabile. Le cattive proprietà elettriche lo rendono inadatto all'uso come isolante.

Nylon che ha un'eccellente tenacità, flessibilità e resistenza all'abrasione e alle sostanze chimiche.

Neoprene che è una gomma sintetica termoindurente con eccellente resistenza all'abrasione, al taglio, all'olio e ai solventi. Ha una lunga durata di vita e viene spesso utilizzato in applicazioni militari.

Gomma stirene butadiene (SBR) che è un termoindurente con eccellente resistenza all'abrasione, all'olio e ai solventi. Viene utilizzato nei cavi Mil-C-55668.

Disposizione dei trefoli nel cavo industriale

I singoli trefoli all'interno di un cavo possono essere disposti in numero di modi diversi per conferire proprietà di flessione distinte.

I conduttori solidi sono costituiti da un unico filo spesso che è a basso costo ma rigido e meno robusto.

Il trefolo a fascio è relativamente semplice con tutti i trefoli attorcigliati nella stessa direzione, ma è più robusto del cavo solido.

Il trefolo concentrico ha un singolo filo al centro con uno strato di fili attorcigliati attorno ad esso; gli eventuali strati successivi sono attorcigliati in direzioni alternate. In questo modo si ottengono cavi lisci adatti all'impiego in applicazioni di automazione.

La trefolatura della corda ha fasci di cavi intrecciati in una varietà di altri modi - anche un design destinato a produrre un cavo flessibile.

Nota finale sui connettori per cavi industriali

I connettori dei cavi per l'automazione industriale sono personalizzabili come i cavi stessi. Questo argomento sarà trattato in un altro articolo e discuterà le varie permutazioni di questi connettori (così come le opzioni di ghiandola e di presa). Tuttavia, vale la pena di notare che i connettori sono sempre più specializzati in particolari componenti - come i cavi dei servomotori di cui sopra, ad esempio.

Inoltre, i connettori per cavi oggi offrono design altamente specializzati per mantenere la resistenza alle condizioni ambientali. La resistenza del connettore contro l'ingresso è valutata allo stesso modo di quella delle custodie, utilizzando un codice di protezione dell'ingresso (IP). Questi codici sono composti da due cifre - la prima cifra indica il livello di protezione da corpi estranei e polvere e la seconda cifra indica il livello di protezione dai fluidi. La prima cifra va da 0 per nessuna protezione a 6 per la tenuta alla polvere. La seconda cifra va da 0 per nessuna protezione fino a 8 per la protezione continua contro l'immersione continua ad una profondità di 1 metro.

Altrove, le geometrie standardizzate per i connettori dei cavi sono arrivate a semplificare le specifiche. Ad esempio, i connettori modulari RJ sono sempre più comuni per i cavi utilizzati nella trasmissione dati. Si noti che il termine RJ in questo contesto sta per registred jack e deriva dalle sue applicazioni di sistema telefonico. Anche se tecnicamente parlando, i moderni connettori modulari non sono in realtà connettori RJ. Questi connettori possono essere montati in modo rapido ed affidabile per terminare i cavi utilizzando speciali utensili a crimpare che fissano il connettore ed effettuano i contatti elettrici in un'unica operazione. Ciò consente un montaggio efficiente e conveniente dei cavi in loco, anche se i cavi assemblati in fabbrica sono più affidabili. Questo tipo di spina ha di solito una linguetta per tenere saldamente il connettore in una presa e spesso ha un corpo in plastica trasparente che permette di ispezionare visivamente i contatti interni.

Cifra 4: Il secondo e il terzo connettore del cavo qui mostrato sono connettori RJ. (Fonte immagine: Lapp USA)

Per ulteriori informazioni su questo argomento, leggere l'articolo DigiKey, "Il cavo giusto per un'applicazione industriale: Come scegliere e utilizzare per il successo della progettazione" per alcune indicazioni sulla scelta del cavo industriale.