In che modo i cavi di grado industriale migliorano efficienza, affidabilità e costo totale di proprietà

Gli ambienti industriali non perdonano quando si tratta di componenti e apparecchiature. Spesso i progettisti sono molto attenti a scegliere componenti e sistemi elettronici robusti, ma prestano meno attenzione quando si tratta di cavi e cablaggi. Tuttavia due cavi apparentemente uguali possono avere un comportamento molto diverso in ambienti industriali difficili.

Questo articolo illustrerà brevemente l'impatto di una scelta di cavi poco performanti. Passerà poi a descrivere come deve essere costruito un cavo perché sia adatto per applicazioni industriali. Saranno quindi riportati esempi di soluzioni di cavi innovative che risolvono il problema della trasmissione dei segnali in modo affidabile ed economico in ambienti difficili.

Perché la scelta del cavo è così importante

Di primo acchito, un cablaggio sbagliato potrebbe apparire funzionante e senza problemi, ma di fatto potrebbe causare deterioramento dei segnali e perdita di potenza fin dall'inizio. Col tempo può anche causare guasti intermittenti di connessione che, come è ben noto, sono difficili da risolvere e causano costosi tempi di fermo del sistema. In ambienti sottoposti a forti vibrazioni la situazione può diventare particolarmente problematica. Inoltre, se il materiale della guaina esterna del cavo non è appropriato, l'esposizione a sostanze chimiche o a temperature estreme e le sollecitazioni fisiche possono mettere a nudo l'anima e portare a cortocircuiti e scintillazione.

Una soluzione più appropriata consiste nel selezionare un cavo industriale con grado di protezione IP67 o IP68 idoneo per l'applicazione. Quelli industriali sono cavi di alta qualità contraddistinti da una costruzione più robusta e spesso impiegano materiali di qualità superiore rispetto alle controparti commerciali comunemente progettate per usi domestici. Anche se a prima vista le due tipologie possono sembrare simili, i cavi di qualità industriale si prestano per un uso più intensivo, sopportano calore, solventi e liquidi molto meglio degli omologhi commerciali. Sono anche più resistenti alle forze di flessione, torsione e stiramento che possono danneggiare i cavi meno robusti.

Dal punto di vista elettronico, la scelta dei cavi industriali appropriati riduce anche al minimo le perdite di potenza e segnale, qualunque sia la lunghezza del cavo. Sono anche molto più resistenti alle interferenze elettromagnetiche (EMI).

Quando si sceglie un cavo industriale di alta qualità, è opportuno capire come deve essere costruito.

Conduttori centrali

Per prima cosa, valutare il materiale e il diametro del conduttore centrale. Maggiore è il diametro del conduttore del cavo, maggiore è la corrente che è in grado di trasportare riducendo al minimo la perdita di segnale sulla distanza. Il migliore materiale conduttore per i cavi è il rame. I cavi di qualità più scadente possono utilizzare l'alluminio, che è un conduttore inferiore rispetto al rame. Accertatevi di acquistare cavi di marca da un distributore autorizzato come DigiKey, perché un cavo apparentemente simile a uno di marca potrebbe di fatto avere conduttori in alluminio rivestito in rame. Anche se i fili pieni sono conduttori migliori rispetto a quelli a trefoli, non si flettono altrettanto facilmente e sono quindi poco pratici per molte situazioni. Essendo più flessibili, i fili a trefoli sono più facili da posizionare e instradare.

Guaina esterna

Il materiale della guaina esterna e il suo spessore sono determinanti per la durata dei cavi industriali. Più spessa è la guaina esterna, più il cavo sarà protetto.

In ambienti industriali, la guaina esterna deve sopportare molte forme di uso gravoso che possono deteriorare rapidamente il cavo. La luce solare, in particolare gli ultravioletti (UV), può causare scolorimento o screpolature della guaina esterna. Solventi come olio, benzina e prodotti chimici di pulizia possono anche sciogliere la guaina esterna, con conseguenti guasti. Anche le alte temperature possono produrre guasti e cortocircuiti con gravi conseguenze, soprattutto nelle tratte lunghe. Temperature estremamente basse possono rendere fragile la guaina esterna, provocando screpolature visibili che possono causarne la desquamazione e la rottura.

La guaina esterna deve anche essere in grado di sopportare sollecitazioni fisiche come l'abrasione derivante dallo sfregamento su spigoli vivi. Una guaina esterna non idonea può portare all'esposizione delle parti interne e mettere a nudo la schermatura o i conduttori. Data la sua resistenza all'abrasione, il poliuretano a forte spessore è una scelta affidabile come materiale della guaina esterna di cavi di alta qualità. Il poliuretano è inoltre resistente ai solventi, alla temperatura, all'esposizione alla luce e a qualsiasi tipo di maltrattamenti.

Spesso, la resistenza all'acqua è data per scontata. Anche se quasi tutti i cavi possono sembrare resistenti all'acqua, in realtà l'esposizione prolungata all'umidità può causare cortocircuiti. La diagnosi di questi casi può risultare difficile, specie se i tecnici continuano a usare cavi sostitutivi commerciali identici senza rendersi conto dell'errore. Per evitare questo tipo di problema, per la maggior parte degli ambienti umidi si consigliano cavi industriali IP67.

Tuttavia, anche i cavi industriali più robusti vanno posati lontano da spigoli vivi. Per evitare lo stiramento del cavo, si consiglia di abbondare leggermente rispetto alla lunghezza necessaria. Non è insolito che negli stabilimenti e negli edifici di uffici i requisiti cambino e che si renda necessario posare nuovamente i cavi.

Per ambienti estremi in cui i cavi potrebbero essere immersi, è necessario scegliere un grado di protezione IP68, come quello del cavo a quattro conduttori a connettore circolare CA0162C22315012 di Amphenol Sine Systems (Figura 1). Questo cavo e i relativi connettori sono in grado di sopportare temperature tra -25 e +100 °C, limiti estremi dell'intervallo di temperatura industriale. I cavi utilizzano un filo da 14 AWG a trefoli per i quattro conduttori.

Figura 1: I cavi con connettori circolari CA0162C22315012 di Amphenol Sine Systems usano fili di sezione 14 AWG per garantire una conducibilità eccellente. Per assicurare la massima protezione, i pressacavi del connettore sono stampati a caldo sulla guaina esterna del cavo. (Immagine per gentile concessione di Amphenol Sine Systems)

Connettori e contatti per i cavi

La connessione del cavo al connettore può essere la parte più sollecitata dell'insieme. Per rimuovere un connettore da una presa, il consiglio è quello di tirarlo sempre afferrando il guscio e non il pressacavo, cosa che accade a volte ai tecnici che vanno di fretta. Talvolta il connettore si trova in uno spazio ristretto dove per rimuoverlo è impossibile non afferrarlo per il pressacavo. Se questa azione viene ripetuta più volte su cavi commerciali, è probabile che il filo si stacchi dai contatti determinando collegamenti intermittenti o guasto totale.

In questi casi si consigliano gusci robusti con pressacavi stampati a caldo che resistono bene alle sollecitazioni di inserimento e disinserimento dei connettori e mettono al riparo anche dal problema dell'umidità in condizioni avverse.

Il numero di cicli di accoppiamento dei connettori di solito non è importante nel caso in cui siano inseriti nelle stesse prese per mesi o anni. Ma nel caso estremo opposto ci sono cavi usati con apparecchiature di test industriali che possono essere sottoposti a decine di cicli di accoppiamento/disaccoppiamento in un solo giorno. È importante scegliere un cavo con connettori collaudati per un numero di cicli di accoppiamento di almeno il 50% in più di quelli richiesti.

A volte condizioni estreme richiedono prodotti innovativi con soluzioni particolari. Rosenberger produce una serie di connettori magnetici ad autoposizionamento che offrono un numero virtualmente illimitato di cicli di accoppiamento (Figura 2). I connettori magnetici ad autoposizionamento posti alle stremità dei cavi assemblati di Rosenberger possono essere inseriti facilmente nelle prese con forza di inserimento nulla. Il sistema a connettore magnetico lo guida nella presa con uno scatto udibile senza alcuno sforzo manuale.

Figura 2: I connettori magnetici ad autoposizionamento posti alle stremità dei cavi assemblati di Rosenberger possono essere inseriti facilmente nelle prese con forza di inserimento nulla. (Immagine per gentile concessione di Rosenberger)

Il cavo industriale assemblato USB L99-838-1500 di Rosenberger è progettato per apparecchiature diagnostiche non fisse. Un semplice meccanismo di bloccaggio magnetico posto a ogni estremità consente l'accoppiamento e il disaccoppiamento facile e veloce da una presa compatibile. Ciò è particolarmente utile per la manutenzione delle apparecchiature diagnostiche utilizzate negli uffici, nei sistemi di controllo industriale e di automazione e in altri ambienti con cicli di accoppiamento/disaccoppiamento insolitamente numerosi.

Oro, nichel e stagno: attenzione ai dettagli dei contatti

I contatti dei connettori sono strettamente correlati alla capacità di corrente e all'affidabilità del cavo. Nei cavi commerciali è abbastanza comune avere connettori stagnati. Nel caso dei connettori per cavi industriali ad alta affidabilità, l'oro è la scelta migliore perché è un conduttore eccellente e, a differenza dell'argento o del rame, non si ossida e non subisce corrosione. Ma sappiamo tutti che questo metallo ha costi proibitivi. Per aggirare questo inconveniente ci si può affidare a contatti in nichel placcati in oro come quelli usati nel cavo Ethernet industriale M12 CAT6A 1203410303 di Molex (Figura 3).

I connettori M12 in standard industriale utilizzano contatti in nichel dorato che offrono migliori risultati rispetto all'oro massiccio, infatti assicurano una maggiore durata, una migliore stabilità del metallo e un'elevata resistenza alla corrosione.

Figura 3: I contatti placcati oro del cavo Ethernet industriale M12 CAT6A 1203410303 di Molex assicurano bassa resistenza e alta affidabilità in ambienti industriali. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Sebbene il rame e l'argento siano conduttori leggermente migliori dell'oro, è più probabile che in ambienti difficili si ossidino e si corrodano. Per gli ambienti industriali l'oro è un conduttore eccellente perché è resistente a molti solventi e anche ad alte temperature mantiene la sua connettività. Non solo per questi motivi è dunque consigliato per applicazioni industriali ad alta affidabilità.

Nella maggior parte dei casi, le connessioni dei contatti oro-oro offrono alta affidabilità e bassa resistenza. Per l'accoppiamento con contatti più morbidi come lo stagno, l'oro è sconsigliato perché può verificarsi un processo detto usura da sfregamento. Lo sfregamento si ha quando due metalli diversi entrano in contatto e provocano una reazione chimica che crea un altro materiale che aumenta la resistenza della connessione.

Un'altra forma di sfregamento è quando un metallo più duro come l'oro sfrega contro un metallo più morbido come lo stagno, provocando il distacco di pezzetti di stagno che aderiscono quindi all'oro, portando alla stessa reazione chimica.

Schermatura dei cavi

Ambienti rumorosi come gli stabilimenti e gli edifici di uffici sono pieni di rumore elettrico. Le interferenze elettromagnetiche (EMI) possono incidere fortemente sull'efficienza e sul funzionamento delle apparecchiature elettroniche. Il cablaggio può generare EMI oppure può esserne influenzato. Una schermatura corretta dei cavi può impedire o eliminare la maggior parte delle interferenze elettromagnetiche. È importante scegliere i cavi con la schermatura idonea per l'ambiente industriale, perché può essere piuttosto difficile diagnosticare in un secondo momento i problemi delle apparecchiature causati dal rumore EMI.

Esistono due tipi di schermatura dei cavi. Per i cavi sia industriali che commerciali è comune la schermatura a lamina di alluminio che offre una copertura del 100%. Nel caso delle applicazioni industriali, per assicurare un migliore isolamento dai fili conduttori il lato della lamina rivolto verso i fili è attaccato su una sottile superficie non conduttiva. Per fornire una schermatura sufficiente, lo spessore della lamina di alluminio potrebbe rendere il cavo rigido e difficile da maneggiare. Alcuni cavi commerciali utilizzano una lamina sottile di alluminio che è sufficiente per l'uso domestico, ma che in uno stabilimento non fornisce una protezione EMI sufficiente.

La schermatura con una calza di rete di filo di rame intrecciato è più facile da gestire ed è più flessibile di quella a lamina. Tuttavia, la schermatura a treccia assicura in genere una copertura solo tra il 70% e il 95%. Per questo motivo, molti cavi industriali di alta qualità utilizzano sia una schermatura a lamina in sottile alluminio che una calza in rame, una combinazione, questa, che offre un'eccellente protezione EMI senza pregiudicare la flessibilità.

Ogni connettore è provvisto di messa a terra della schermatura. Per la massima immunità al rumore è importante utilizzare entrambe le messe a terra della schermatura.

Conclusione

La scelta del cablaggio corretto all'inizio di un progetto può evitare l'insorgere di problemi in seguito. I cavi industriali sono di qualità superiore rispetto a quelli commerciali, offrono infatti i vantaggi di una migliore qualità del segnale e di una maggiore durata. Ingegneri e tecnici dovrebbero esaminare attentamente le specifiche dei cavi da utilizzare per un'applicazione industriale per avere la certezza che siano idonei in termini di affidabilità, lunga durata e riduzione del costo totale di proprietà.