Il cavo giusto per un'applicazione industriale: come sceglierlo e usarlo per un progetto di successo

Internet delle cose industriale (IIoT) si affida fortemente ai cavi per trasferire i dati, i comandi e l'alimentazione tra le macchine industriali e tra l'officina di uno stabilimento, il reparto IT e il cloud. Visti i rischi fisici, ambientali ed elettrici, la connettività in officina richiede tuttavia che si presti molta attenzione alla scelta del cavo e alla sua posa. I progettisti devono quindi districarsi tra una serie complessa e spesso in conflitto di priorità di prestazioni e di costi.

Questo articolo prenderà in esame le sfide del cablaggio poste dall'ambiente industriale e dall'IIoT e illustrerà le differenze tra le soluzioni di cablaggio commerciali di serie (COTS) e quelle industriali. Mostrerà poi come la specifica del cavo corretto può aumentare le prestazioni e ridurre il costo totale di proprietà (TCO), che rappresenta un fattore cruciale nella pianificazione IIoT.

Verranno presi in considerazione due esempi di applicazione: cavi per VFD (comandi a frequenza variabile) per i motori industriali e reti Industrial Ethernet. Sono stati scelti questi due esempi perché illustrano i vari aspetti dell'uso dei cavi in fabbrica: alimentazione ad alta potenza e reti di dati ad alta velocità.

L'ambiente industriale è il "nemico" dei cavi

Le installazioni industriali comprendono tra gli altri impianti manifatturieri, impianti petrolchimici, miniere di carbone, impianti di trattamento delle acque reflue e sistemi di trasporto incluse gallerie/trafori e metropolitane. Questi ambienti mettono a dura prova i cavi. I rischi includono le sostanze chimiche, la luce ultravioletta (UV), l'ingresso di umidità, eventuali urti, temperature estreme e vibrazioni (Figura 1). Il cavo deve assicurare l'integrità del segnale e ridurne contemporaneamente al minimo le perdite e gli effetti EMI.

Figura 1: I cavi di grado industriale devono mantenere l'integrità del segnale a fronte dei numerosi rischi presenti nelle fabbriche. (Immagine per gentile concessione di Belden)

I guasti possono compromettere la sicurezza dell'operatore, causare problemi di qualità ed essere molto costosi: ogni minuto di produzione persa può costare migliaia di euro.

I rischi meccanici a cui sono sottoposti i cavi in fabbrica comprendono impatti, abrasioni, urti, tensione e vibrazioni. Inoltre, molte applicazioni industriali sono sempre in movimento: macchine utensili multi-asse, robot, turbine eoliche, macchine pick-and-place, sistemi di movimentazione automatica e sistemi a nastro trasportatore sono solo alcuni esempi. I cavi destinati a queste applicazioni devono essere in grado di resistere a flessioni ripetitive per centinaia di migliaia di cicli.

I rischi di ingresso includono umidità, sostanze chimiche e polvere. Molte industrie utilizzano sostanze chimiche aggressive e il cavo deve reggere a un'esposizione prolungata senza compromettere le prestazioni. Ad esempio, nella lavorazione di alimenti e bevande, per soddisfare i severi requisiti di igiene le apparecchiature devono essere sottoposte a regolari lavaggi con acqua ad alta pressione e sostanze chimiche caustiche. Se il cavo non è di buona qualità, i liquidi possono arrivare ai conduttori.

Il cablaggio industriale spesso è esposto agli agenti atmosferici, in installazioni sia interne che esterne. I rischi che ne conseguono includono temperature alte e basse estreme, radiazione UV (luce solare), umidità e persino l'azione di roditori o di radici invasive di alberi.

L'ambiente elettrico industriale include correnti e tensioni elevate, messa a terra inadeguata e interferenze elettromagnetiche da saldatori ad arco, forni e apparecchiature HVAC. Negli aggiornamenti di fabbrica, a causa dei vincoli di spazio i cavi nuovi potrebbero venire posati vicino a sorgenti di rumore come motori e generatori.

Confrontare i rischi industriali presentati sopra con quelli in un tipico ambiente commerciale. Le installazioni commerciali, tra cui uffici, sale server e abitazioni, sono in genere dotate di sistemi HVAC di climatizzazione che mantengono i cavi a livelli di temperatura e umidità costanti. Gran parte del cablaggio infrastrutturale si trova nello spazio aereo sopra i pannelli del controsoffitto (intercapedine o plenum), oppure viene fatto passare all'interno delle pareti dove può rimanere indisturbato per anni. Gli ambienti commerciali standard sono in genere privi di particolato fine, liquidi e temperature eccessive, pertanto i cavi commerciali non sono esposti a polvere, umidità, sostanze chimiche, temperature estreme o radiazioni UV.

I cavi COTS sono progettati per rispondere alle condizioni in cui verranno utilizzati, quindi l'uso di un cavo commerciale in un'applicazione industriale porterà a un elevato tasso di guasti, a una perdita di produzione, a un aumento dei costi e comprometterà la sicurezza. Un confronto tra i due tipi di cavi in una serie di test standard mostra le ottime prestazioni dei prodotti di grado industriale (Figura 2).

Figura 2: Quando sottoposti agli stessi test, i cavi di grado industriale offrono prestazioni superiori. (Immagine per gentile concessione di Belden)

Anatomia di un cavo

Un cavo è costituito da diversi parti fondamentali che contribuiscono alle sue prestazioni complessive, come mostrato nella Figura 3. Queste sono:

• Conduttori
• Isolamento e guaine
• Schermatura EMI

Figura 3: Una selezione di cavi Ethernet industriali Cat 5e DataTuff mostra alcuni dei miglioramenti progettuali che aumentano l'affidabilità e le prestazioni. (Immagine per gentile concessione di Belden)

Conduttori

Due sono i tipi di fili comunemente utilizzati per trasmettere segnali elettrici o di alimentazione: monoconduttore pieno e a trefoli. Ognuno ha caratteristiche peculiari.

Come suggerisce il nome, il percorso di conduzione in un cavo monoconduttore è costituito da un unico filo, nella maggior parte dei casi in rame. In linea di massima, un cavo di questo tipo è meno costoso di uno a trefoli e ha un diametro inferiore per una corrente equivalente. Ha prestazioni elettriche superiori con una resistenza inferiore, ma non è altrettanto flessibile, quindi è meno idoneo per macchinari in movimento, ad esempio nei robot.

In un cavo a trefoli, i conduttori sono costituiti da molti fili intrecciati insieme per formare una treccia più grande e più spessa. La flessibilità dei cavi a trefoli li rende preferibili nei casi in cui le vibrazioni sono un problema o in applicazioni che richiedono flessioni e piegature frequenti.

Isolamento per i conduttori e guaine dei cavi

Oltre a fornire l'isolamento, i materiali plastici utilizzati per rivestire i conduttori fungono da dielettrico. La loro costante dielettrica e il fattore di dissipazione influenzano la trasmissione del segnale (Figura 4). Nello specifico, la costante dielettrica misura la capacità del cavo di immagazzinare energia elettrica. Ciò dipende dalla velocità con cui l'energia attraversa l'isolamento. Il fattore di dissipazione misura la velocità con cui l'energia viene assorbita dal dielettrico. Riducendo il valore di uno di questi parametri si migliora la trasmissione del segnale.

Figura 4: Confronto delle proprietà per i comuni materiali di isolamento dei cavi. Una costante dielettrica e un fattore di dissipazione più bassi consentono una migliore trasmissione del segnale. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Molti cavi industriali hanno una schermatura attorno ai conduttori per ridurre il rumore elettrico e proteggerli dalle interferenze. I due tipi più comuni sono la schermatura in calza metallica e quella in lamina di metallo. La schermatura in lamina di metallo assicura una copertura del 100% ma è difficile da terminare e la sua resistenza relativamente elevata offre un percorso a terra scadente. La schermatura in calza di rame offre una copertura solo tra il 60% e l'85%, ma la sua maggiore massa fornisce una conduttività migliore e una terminazione più semplice con una buona connessione a terra.

In ambienti difficili relativamente alle EMI, una schermatura combinata (lamina/calza) può fornire il massimo livello di protezione. Ad esempio, Alpha Wire offre cavi che includono sia una schermatura a triplo strato di alluminio/poliestere/alluminio sia una schermatura in calza di rame stagnato (Figura 5).

Figura 5: La schermatura può comprendere lamina di metallo (in basso), calza in rame (al centro) o, per prestazioni migliori, una combinazione di una lamina in alluminio/poliestere/alluminio più una calza di rame stagnato (in alto). (Immagine per gentile concessione di Alpha Wire)

La guaina del cavo protegge i conduttori interni da danni meccanici, da umidità e chimici durante l'installazione e la sua vita operativa. La guaina può inoltre migliorare la resistenza alla fiamma, proteggere dalle radiazioni UV e facilitare l'installazione.

I cavi con guaine corazzate proteggono i fili e la schermatura dallo schiacciamento; le loro tecniche di costruzione includono armature in alluminio reticolare e guaina in filo di acciaio zincato. Un cavo corazzato può anche includere una guaina in PVC o in materiale simile attorno al metallo, proteggendo il cavo e l'armatura da vapori corrosivi e umidità.

Le opzioni di cavo standard includono armature in alluminio o in acciaio reticolare e cavi ottimizzati per la posa sotto terra o per uso all'aperto, resistenza alla benzina, ad elevata capacità di flessione o resistenza ad alta e bassa temperatura.

Nei cavi ad alte prestazioni, molti produttori includono funzionalità proprietarie aggiuntive. I cavi Ethernet industriali DataTuff Cat 5e di Belden, ad esempio, utilizzano la loro costruzione brevettata Bonded-Pair che elimina gli spazi tra le coppie di conduttori per prestazioni elettriche sempre affidabili.

Esempio di applicazione: reti Ethernet

Ethernet viene utilizzata in fabbrica da molti anni, ma di recente il suo uso si è espanso in applicazioni di controllo di macchine ad alta tensione (>600 V), in cui la sicurezza riveste un'importanza primaria nella fase di progettazione. Anche se non trasportano alte tensioni, i cavi di controllo destinati a queste applicazioni sono ancora soggetti ai requisiti del National Electrical Code (NEC), il che ha portato a un aumento della disponibilità di cavi Ethernet da 600 V.

La serie di cavi Flamar di Molex è un buon esempio. Studiati per l'automazione industriale, questi cavi hanno una capacità di 600 V e sono offerti in versioni per applicazioni di controllo generale, controllo servomotore e collegamento in rete. I cavi sono resistenti alle scorie di saldatura e all'olio, sono compatibili con gli standard Ecolab per l'igiene alimentare e soddisfano lo standard di conformità per resistenza agli oli di livello II di Underwriters Laboratories (UL).

I cavi per le telecomunicazioni hanno un proprio standard ambientale (ANSI/TIA-1005-A) che copre i locali industriali. Lo standard definisce quattro livelli di classificazione ambientale per la robustezza meccanica, di ingresso/tenuta alla penetrazione, climatica/chimica ed elettromagnetica (MICE). Le classificazioni sono valutate in base alla gravità per ogni categoria: 1, 2 o 3. La classificazione ambientale per un edificio commerciale in genere è M1I1C1E1; la più severa dello standard è M3I3C3E3.

Al momento di scegliere tra i cavi che soddisfano nominalmente i requisiti di livello più alto (come Ethernet Cat 5e), il progettista deve confrontare attentamente le loro specifiche. Spesso ci sono cavi diversi con prezzi diversi che sembrano soddisfare i requisiti applicativi del livello più alto, ma a un esame più attento le differenze nelle specifiche risulteranno evidenti.

7928 e 7939 di Belden, ad esempio, sono entrambi cavi DataTuff a 8 conduttori per l'uso industriale classificati Cat 5e, ma ci sono delle differenze nelle loro applicazioni consigliate. La ragione è che variazioni minime nella costruzione offrono al 7928 dei vantaggi in termini di prestazioni rispetto al 7939, ma ne rendono anche più costosa la produzione (Tabella 1).

Tabella 1: 7939 e 7928 di Belden sono entrambi cavi a 8 conduttori DataTuff Cat 5e, ma variazioni minime nella costruzione conferiscono al 7928 alcuni vantaggi prestazionali. (Fonte dei dati: Belden)

L'isolante FEP consente al cavo 7928 di funzionare a una temperatura più elevata rispetto al PVC del cavo 7939. Il conduttore in rame pieno del cavo 7928 produce una migliore resistenza in corrente continua (DCR) per piede e una capacità massima per piede molto più bassa rispetto al conduttore a trefoli del cavo 7939. Queste differenze elettriche danno al cavo 7928 un ritardo inferiore e una maggiore velocità di propagazione.

Il tutto risulta chiaramente nella specifica delle prestazioni ad alta frequenza. Il funzionamento del cavo 7928 è specificato fino a 350 MHz rispetto a 100 MHz per il cavo 7939. Il cavo 7928 ha prestazioni migliori anche a frequenze più basse.

Le differenze di prestazioni sono evidenti, ma ci sono differenze anche di costo. Entrambi potrebbero soddisfare le specifiche di base per una particolare applicazione, ma la versione di qualità superiore fornirà un margine in più di prestazioni e affidabilità.

Esempio di applicazione: cavo per VFD

I motori convertono l'energia elettrica in movimento meccanico e sono da diversi decenni componenti fondamentali nelle operazioni industriali. I motori comprendono tipi brushless in corrente continua (BLDC) e a spazzole, in corrente alternata (c.a.) e passo-passo, ognuno con prestazioni e caratteristiche di azionamento specifiche.

Caratteristiche di un treno di impulsi VFD

Un VFD fornisce un controllo preciso della velocità e della coppia di un motore in c.a. tramite la modulazione della larghezza di impulso (PWM). I VFD sono ampiamente utilizzati nei processi di produzione, ma date le caratteristiche del segnale di azionamento commutato è fondamentale scegliere il cavo giusto per le migliori prestazioni e per una lunga vita utile. Alcune di queste caratteristiche sono:

• Onde stazionarie: un cavo per VFD ha un'impedenza di circa 85-120 Ω.L'impedenza di un motore VFD è superiore, in genere di diverse centinaia di ohm. Quando il treno di impulsi PWM incontra l'impedenza più alta del motore, una parte significativa dell'energia viene riflessa. Questa onda stazionaria aumenta la tensione sul cavo di un fattore di due o tre, portando al deterioramento dell'isolamento e al guasto finale.
• Scarica a corona: l'intenso campo elettrico attorno ai conduttori ionizza l'aria tra di essi, causando una scarica di energia. Le scariche a corona deteriorano il materiale di isolamento del cavo e danneggiano la schermatura. Possono anche danneggiare l'elettronica dell'azionamento, sprecare energia e persino generare abbastanza calore da fondere l'isolamento.
• Distorsione armonica: qualsiasi segnale contiene energia alla sua frequenza operativa, ma anche energia a multipli di tale frequenza (armoniche), con conseguente distorsione d'onda. L'energia alle armoniche superiori aumenta le perdite di joule nel cavo e causa il riscaldamento.
• Corrente di inserzione: all'avvio, un motore può assorbire una corrente molto elevata. La maggior parte dei controller VFD limita la corrente di spunto massima aumentando lentamente la velocità del motore, ma il cavo deve essere comunque progettato per gestire un picco transitorio iniziale.
• EMI: la rapida commutazione degli impulsi digitali crea interferenze elettromagnetiche. Questa energia può trasferirsi ad altri circuiti, causando il deterioramento del segnale, falsi segnali e altri problemi.

Quando si seleziona un cavo per VFD, è fondamentale comprendere l'intero sistema di azionamento e la capacità di corrente richiesta, possibilmente con un certo margine per un incremento futuro. I cavi per VFD ad alte prestazioni hanno capacità di messa a terra e schermatura superiori rispetto ai cavi di tipo da costruzione e forniscono connessioni più affidabili e stabili. Di seguito sono riportati alcuni suggerimenti e consigli basilari per migliorare le prestazioni del VFD:

• Il sistema di messa a terra deve essere progettato per garantire l'impedenza più bassa possibile del percorso di terra. Un cavo con più rame nel percorso di terra ("300% ground", ovvero corrispondente a un conduttore triplo) assicura che la corrente di modo comune potenzialmente dannosa (CMC) sia contenuta e venga restituita all'unità senza effetti avversi.
• Scegliere un conduttore progettato per il funzionamento ad alta frequenza con conduttori in rame stagnato per proteggerli dalla corrosione e un numero elevato di trefoli per una maggiore superficie.
• Scegliere un cavo con bassa capacità e alta rigidità dielettrica. I cavi termoplastici per VFD con rivestimento in nylon per alte temperature (THHN) di grado da costruzione hanno perdite di carica più elevate e generano più rapidamente tensioni d'onda riflesse. Questi cavi hanno circa un terzo della resistenza di isolamento di un conduttore di grado elevato con un isolamento termoindurente come il polietilene reticolato (XLP): quest'ultimo offre anche una resistenza molto superiore alle scariche a corona rispetto al THHN.
• Il materiale della schermatura influenza notevolmente le prestazioni relative al rumore. La schermatura a bassa impedenza comporta una minore riflessione della corrente e una maggiore affidabilità del sistema. Un cavo non schermato invece può fungere da antenna ed essere una fonte di emissioni irradiate. Per garantire le migliori prestazioni ad alta frequenza, la schermatura dovrebbe avere la massima superficie. Come accennato in precedenza, i doppi nastri in rame o in calza di rame forniranno le migliori prestazioni di schermatura.

I cavi V-Flex di Alpha Wire sono studiati appositamente per applicazioni VFD ad alte prestazioni su robot, trasportatori e altre macchine con movimenti ripetitivi o continui. La famiglia comprende sette tipologie di cavi, conduttori in rame stagnato a trefoli da 4 AWG a 16 AWG, guaina TPE e una maggiore flessibilità per facilitare la posa dei cavi e la loro gestione. Il cavo VF16006 BK005, ad esempio, ha quattro conduttori con un filo 6 AWG e una schermatura a lamina/calza (Figura 6).

Figura 6: Il cavo VF16006 BK005 di Alpha Wire è progettato per applicazioni VFD. È in grado di gestire fino a 52 ampere per conduttore e usa una schermatura a lamina/calza. (Immagine per gentile concessione di Alpha Wire)

Il cavo è resistente all'olio e ai raggi UV, ha una temperatura di funzionamento che va da -40 °C ~ +90 °C e può gestire azionamenti fino a 50 cavalli (HP) con una corrente a pieno carico di 52 ampere per conduttore.

Conclusione

Per una determinata applicazione, il progettista di solito può scegliere tra vari cavi con prezzi diversi che sembrano tutti soddisfare le specifiche del livello più alto. Ma gli ambienti operativi commerciali e industriali sono molto diversi. Questo articolo ha preso in esame le differenze di costruzione tra i cavi commerciali e quelli industriali e ha esaminato i requisiti di cablaggio per due applicazioni industriali comuni.

Come mostrato, i cavi industriali contengono miglioramenti sia minimi che più consistenti rispetto ai cavi commerciali, per cui l'investimento su di essi si ripaga ampiamente nel corso della loro vita utile in fabbrica.