Garantire l'affidabilità dei sistemi industriali e la sicurezza degli operatori utilizzando connessioni e sensori corretti

Mentre gli impianti industriali continuano a sfruttare l'Internet delle cose industriale (IIoT) per raggiungere livelli crescenti di automazione, analisi predittiva e sicurezza, le connessioni affidabili tra dispositivi e sistemi diventano sempre più critiche. Tuttavia, alcune applicazioni possono essere estremamente inflessibili. I cavi e gli operatori umani vicini possono essere esposti a temperature estreme (alte o basse), così come a sostanze chimiche e gas corrosivi.

Inoltre, la presenza di gas corrosivi come il solfuro di idrogeno rilasciato da alcune apparecchiature non solo è dannoso per gli operatori umani, ma al contatto con l'umidità su un cavo crea pericolosi sottoprodotti di reazione come l'acido solforico. Questo può corrodere rapidamente la guaina del cavo, esponendo la schermatura e i conduttori, portando quindi spesso a cortocircuiti e guasti del sistema.

In questo articolo sono discusse le sfide dei cablaggi in ambienti difficili. Dimostreremo quindi come i progettisti di sistemi industriali possano garantire connessioni affidabili e la sicurezza dell'operatore selezionando cavi per sensori di grado industriale utilizzando esempi reali di Molex. L'articolo espone anche un esempio pratico che spiega come rilevare il pericoloso gas di solfuro di idrogeno prima che causi gravi danni alle apparecchiature o al personale.

Il cablaggio negli ambienti industriali molto difficili

I sistemi di automazione industriale si basano su sensori per rilevare lo stato dei processi e dei sistemi in una fabbrica. I tipi di sensori utilizzati variano e possono includere termistori di temperatura, trasduttori di pressione, sensori di livello, rilevatori di luce e interruttori di prossimità. I dati dei sensori devono essere accurati affinché il computer principale possa decidere come e quando controllare gli attuatori per motori, nastri trasportatori, luci, dosatori di liquidi e dispositivi simili. Dati errati possono portare all'azionamento di attuatori nel momento sbagliato o con parametri errati. I risultati possono variare da un funzionamento inefficiente con un corrispondente aumento dei costi operativi, ad un guasto del sistema che porta a costosi tempi di fermo macchina. La corretta selezione e l'uso di cavi esposti ad ambienti difficili può migliorare l'affidabilità dei dati dei sensori e dei segnali di controllo degli attuatori. La scelta sbagliata del cablaggio può introdurre guasti di connessione intermittenti che sono notoriamente difficili da risolvere, causando costosi tempi di fermo macchina. I cavi inadeguati possono infine portare a un deterioramento del segnale o una perdita totale del segnale.

Il cablaggio di un produttore che ha certificato il cavo per il grado industriale con un grado di protezione IP67 o IP68 può superare molti di questi problemi. Si noti che solo perché un cavo è etichettato IP67 o IP68 non significa che il cavo sia di grado industriale - il codice IP certifica solo che il cavo è resistente alle particelle comuni e all'acqua. Per cui, i comuni cavi di tipo consumer possono essere certificati IP68 e possono apparire robusti, ma possono non avere l'estrema protezione dalla temperatura, la resistenza ai comuni solventi e ai liquidi corrosivi o l'immunità da torsione e abrasione che viene fornita con i robusti cavi di tipo industriale.

Collegamento a sensori e attuatori USB in ambienti industriali

Se molti tipi di sensori e attuatori utilizzano svariate opzioni di interfaccia, un metodo di interfacciamento sicuro e onnipresente è USB. I moderni impianti sfruttano le capacità USB 3.0 grazie alla sua elevata velocità, capacità di distribuzione dell'energia elettrica e alla maggiore affidabilità. Molex fornisce il cavo industriale USB 3.0 0847330005 (Figura 1). Questo cavo è lungo 1,31 metri, ha una presa circolare USB 3.0 Type-A sigillata a un'estremità e una spina USB 3.0 Type-A all'altra. L'intero cavo assemblato è di grado IP67. Supporta una velocità dati di 5 Gbit/s ed è retrocompatibile con le spine e le prese USB 2.0. Il cavo è classificato da -40 a +85 °C ed è adatto alla maggior parte degli ambienti industriali difficili.

Figura 1: Il cavo USB 3.0 0847330005 di Molex ha una presa circolare USB 3.0 Type-A a un'estremità e una spina standard USB 3.0 Type-A all'altra. Si tratta di un cavo di qualità industriale adatto per ambienti difficili. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Il cavo USB 3.0 0847330005 di Molex è classificato per gestire in sicurezza un massimo di 1 A per ogni contatto. È completamente schermato contro le interferenze elettromagnetiche (EMI), necessario affinché il trasferimento dati USB 3.0 a 5 Gbit/s non interferisca con altre apparecchiature elettroniche.

La spina USB 3.0 Type-A può essere collegata a un computer industriale o un sistema embedded che fornisce una presa standard USB 3.0 comunemente presente sulla maggior parte dei PC. L'altra estremità del cavo con la presa circolare USB 3.0 Type-A si collega all'apparecchiatura del sensore con interfaccia USB. Il controdado sul connettore circolare è dotato di un meccanismo di bloccaggio avvitabile facile da usare che può sopportare una coppia di 2,26 Nm. Ciò assicura un collegamento solido alle apparecchiature dei sensori, senza il pericolo che possa distaccarsi accidentalmente. Ogni connettore ha 500 cicli di accoppiamento e disaccoppiamento, un valore appropriato per le apparecchiature industriali che devono essere riconfigurate periodicamente.

La guarnizione di tenuta sul connettore circolare è in nitrile nero e fornisce un'eccellente resistenza all'acqua e agli oli industriali. Le guarnizioni in nitrile sono anche resistenti alla benzina, ai fluidi idraulici e ai solventi più comuni. Ciò rende questo cavo eccellente per il collegamento ai sensori utilizzati nei macchinari alimentati a benzina. Travasi o incidenti con solventi o altri fluidi che possono arrivare al connettore non penetreranno la guarnizione e non interferiranno con il trasferimento dei dati.

La luce del sole e la luce ultravioletta (UV) possono scolorire la guaina del cavo, un fatto indesiderabile se i cavi sono colorati per facilitarne la manutenzione. La luce del sole può anche causare la rottura delle guaine dei cavi commerciali, esponendo la schermatura EMI agli elementi. La guaina del cavo USB 3.0 di Molex è realizzata in una resistente resina in PVC con un'eccellente resistenza alla luce del sole e ai raggi UV. La resina in PVC è anche resistente all'acqua che nel tempo può accorciare i cavi commerciali realizzati con materiali di grado consumer.

Collegamento ad attuatori meccanici e solenoidi

I connettori per valvole DIN sono utilizzati per attivare i solenoidi che controllano attuatori come valvole, pressostati, finecorsa e motori a bassa energia. Per collegamenti solidi agli attuatori di valvole DIN in ambienti industriali, Molex fornisce il connettore per valvole DIN 2210503466 e un cavo di 5 m (Figura 2). È terminato con un ponticello flessibile a tre fili per il collegamento a una tensione dell'attuatore fino a 24 V. Il cavo assemblato è classificato da -40 a +90 °C, il che lo rende adatto non solo per ambienti freddi, ma anche per alcuni motori e apparecchiature che possono scaldarsi parecchio.

Il connettore per valvole DIN di Molex fornisce una tenuta IP67 aderente e sicura su una valvola DIN e, quando attivato, abilita o disabilita la valvola a seconda del tipo di valvola DIN da controllare. Il connettore è fissato con una vite per garantire la massima protezione contro la rimozione accidentale. Un diodo a emissione luminosa (LED) giallo sul connettore DIN indica visivamente quando la valvola DIN è stata attivata.

Figura 2: 2210503466 di Molex è dotato di un connettore per valvola DIN su un capo e di un ponticello flessibile a tre fili sull'altro. Un LED giallo indica agli operatori quando la valvola è stata attivata. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Il cavo e connettore per valvola DIN 2210503466 di Molex hanno un rivestimento in poliuretano resistente alla maggior parte dei prodotti chimici aggressivi ed estremamente resistente agli abusi dovuti alla torsione e alla flessione. Le guaine in poliuretano del cavo sono inoltre molto resistenti alle forze di taglio e di schiacciamento. Un cavo per valvola DIN danneggiato può causare un funzionamento intermittente della valvola DIN o un guasto totale dell'apparecchiatura. Ciò rende questo cavo adatto ad attuatori su macchinari pesanti in movimento, dove il cavo può allungarsi e contrarsi rapidamente e anche dove un malfunzionamento della macchina o una configurazione errata può causarne lo schiacciamento.

Come pratica sicura, non si raccomanda un cavo sia talmente corto che il suo allungamento durante il normale funzionamento metta a dura prova entrambe le estremità del collegamento. Ciò richiede un cavo sufficientemente lasco per evitare che venga tirato da entrambe le estremità della terminazione; tuttavia, maggiore è il gioco del cavo, maggiore è la possibilità che si impigli o si schiacci accidentalmente. In queste applicazioni un rivestimento in poliuretano è una soluzione appropriata ed economica.

Protezione da sostanze corrosive

I motori a benzina e alcuni processi chimici industriali possono emettere i pericolosi gas di solfuro di idrogeno. Mentre gli impianti industriali sono progettati in modo che questi gas siano contenuti in modo sicuro, chiunque guidi un veicolo alimentato a benzina sa che i collettori di scarico possono manifestare perdite. Inoltre, a volte qualcuno in fabbrica può dimenticare di chiudere una valvola. Il solfuro di idrogeno gassoso è estremamente tossico per gli operatori umani, anche in piccole quantità. Anche se spesso può essere riconosciuto per il suo odore di uova marce, il solfuro di idrogeno è più pesante dell'aria e può diffondersi rapidamente, senza essere rilevato, sul pavimento di un grande complesso industriale lontano dal suo punto di origine.

Se il solfuro di idrogeno entra in contatto con l'acqua, forma l'acido solforico, che è corrosivo e può corrodere molto rapidamente le apparecchiature in rame, ferro e alluminio. Al contatto con un cavo bagnato, l'acido solforico può corrodere rapidamente la maggior parte dei tipi di isolante dei cavi, come il poliuretano. Sebbene le guaine in resina PVC dei cavi siano più resistenti agli acidi rispetto al poliuretano a temperatura ambiente, a temperature estreme l'acido solforico caldo e freddo può rapidamente corrodere le guaine in PVC. Indipendentemente dalle specifiche dei materiali, il solfuro di idrogeno e l'acido solforico devono essere considerati pericolosi per qualsiasi materiale diverso dai collettori di scarico e da altre apparecchiature specificamente progettate per contenere queste sostanze pericolose.

Per mantenere al sicuro cavi, apparecchiature e operatori umani, Molex Sensorcon fornisce l'analizzatore di solfuro di idrogeno 2023150001 (Figura 3). Si tratta di un dispositivo portatile con un display LCD in grado di rilevare e visualizzare le concentrazioni di gas di solfuro di idrogeno con una risoluzione di 1 parte per milione e fino a 400 ppm.

Figura 3: 2023150001 di Molex Sensorcon è un rilevatore portatile di gas di solfuro di idrogeno in grado di rilevare gas di solfuro di idrogeno da 1 ppm a 400 ppm. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Il rilevatore di gas di solfuro di idrogeno 2023150001 di Molex Sensorcon ha un grado di protezione IP67 e può emettere due diversi allarmi da setpoint di allarme alto e basso. Il setpoint di allarme basso impostato in fabbrica è di 10 ppm, ma può essere impostato manualmente fino a 1 ppm. Il setpoint di allarme alto impostato in fabbrica è di 15 ppm o superiore, ma può essere impostato manualmente a 100 ppm o più. Oltre a questi allarmi, l'unità portatile può anche vibrare in caso di allarme, il che è utile in ambienti industriali rumorosi.

Il rilevatore è adatto a rilevare piccole concentrazioni di gas di solfuro di idrogeno vicino al pavimento e soprattutto nei pozzi dei macchinari dove possono accumularsi gas più pesanti dell'aria. Ciò è utile per rilevare il solfuro di idrogeno quando l'odore di uova marce non è a un livello sufficiente da essere rilevato dall'olfatto degli operatori umani.

I motori e la maggior parte dei processi industriali che emettono gas di solfuro di idrogeno emettono anche monossido di carbonio, che è inodore e può essere tossico per l'uomo, anche in piccole quantità. Molex Sensorcon offre il rilevatore di gas di monossido di carbonio 2023100001, che ha la stessa struttura fisica del rilevatore di solfuro di idrogeno. La presenza di monossido di carbonio non è solo un pericolo per gli operatori umani, ma può anche indicare la presenza non rilevata di solfuro di idrogeno. Entrambe le unità sono utili in un impianto di automazione industriale per la sicurezza degli operatori e delle apparecchiature.

Conclusione

Gli impianti di automazione industriale possono gravare sui cavi assemblati, specialmente in condizioni estreme di caldo e freddo e dove possono essere presenti gas e liquidi pericolosi e corrosivi. I cavi assemblati per sensori di grado industriale assicurano che i computer ricevano dai sensori dati accurati, in modo che i sistemi industriali possano essere controllati in modo corretto ed efficiente, mentre i cavi di grado industriale per attuatori assicurano che le operazioni siano controllate in modo corretto ed affidabile. Ciò riduce i costi operativi aumentando l'affidabilità e riducendo la manutenzione.