Кризис плотности проводки в современных промышленных панелях управления

Если вы хоть немного работали с программируемым логическим контроллером (ПЛК) среднего размера, изготовленным более пяти лет назад, вы прекрасно знакомы с проблемой плотности проводки. Шкаф буквально забит отдельными проводами, большинство из которых передают одинаковые сигналы постоянного тока 24 В от одной и той же линии питания. Каждая входная плата получает свой собственный выделенный провод от ряда клеммных колодок. Каждый выходной канал имеет обратный путь, который отражает сложность входного сигнала. В результате получается жгут проводов, который дорог в производстве, чрезвычайно сложен в поиске и устранении неисправностей и практически не поддается модификации без внесения новых ошибок.

Я лично был свидетелем того, как в распределительном щите для управления двигателем на 400 ампер двум техникам потребовалось почти восемь часов, чтобы диагностировать неисправность одного входного канала, которая в конечном итоге оказалась вызвана ослабленным винтом в клеммной колодке. В хорошо спроектированном распределительном щите для ПЛК с использованием высокоплотных трехъярусных клеммных колодок с перекрестным соединением эта диагностическая одиссея заняла бы менее 30 минут.

Это не гипотетическая проблема. В современных средах промышленной автоматизации плотность каналов ввода-вывода ПЛК резко возросла по мере усложнения систем управления. Один-единственный ПЛК S7-1500 от Siemens Система может обслуживать до 8192 дискретных точек ввода/вывода в нескольких стойках, и для каждой из этих точек требуется подключение проводов как к модулю ввода/вывода ПЛК, так и к полевому терминалу. Если умножить это даже на небольшую установку — скажем, 256 точек ввода/вывода — задача организации проводки становится поистине экзистенциальной как для производителя панелей, так и для специалиста по техническому обслуживанию.

Ningbo J-Guang Electronics занимается проектированием и производством. клеммные колодки высокой плотности конкретно для приложений распределения ПЛК С 2008 года я посвятил значительное время непосредственной работе с интеграторами систем управления и производителями панелей управления по всему миру.Европа, Северная Америка и Юго-Восточная Азия где традиционный клеммные колодки В этой статье я обобщил свой опыт и рассказал, как многоярусная архитектура решает эти проблемы. Здесь я поделился тем, что узнал о том, почему трехъярусные клеммные колодки с перекрестным соединением представляют собой передовые технологии в области распределительной проводки ПЛК, какие технические характеристики действительно важны и как выбрать подходящий продукт для вашей конкретной среды установки.

Понимание архитектуры трехъярусного штабелирования

Основным недостатком обычных одноуровневых клеммных блоков в системах распределения ПЛК является пространственная неэффективность. Стандартный одноуровневый клеммный блок DIN41616 илиМЕК 60947-7-1 Соответствующая клеммная колодка занимает ширину одного модуля (обычно 6,2 мм или 12 мм в зависимости от номинального тока) и обеспечивает один уровень ввода провода. Когда необходимо распределить 24 В постоянного тока на двенадцать отдельных входных каналов ПЛК от общей шины питания, требуется двенадцать отдельных позиций клеммной колодки, что означает двенадцать ширин модуля пространства на DIN-рейке.

Трехъярусные клеммные колодки решают эту проблему пространственной неэффективности, размещая три независимых уровня подключения проводов в одном модуле по ширине. В конструкции используется общая токовая шина, проходящая через все три уровня, но каждый уровень электрически изолирован изоляционной перегородкой, и каждый уровень имеет свою собственную независимую точку ввода провода. В результате можно подключить три отдельные цепи проводов — каждая со своим собственным входным и выходным соединением — в пределах той же площади DIN-рейки, которая потребовалась бы для одноярусной клеммной колодки.

Поскольку три деки используют общую шину питания, но имеют изолированные точки контакта,Трехъярусная конфигурация идеально подходит для распределения питания ПЛК, где имеется общая шина питания или сигнала, разветвляющаяся на несколько пунктов назначения. Общая шина подключается к верхнему ярусу, а три независимые выходные цепи разветвляются от среднего и нижнего ярусов. В сценарии распределения входного напряжения ПЛК 24 В постоянного тока это означает, что один трехъярусный клеммный блок может обслуживать три входных канала от одного общего источника питания, что сокращает требуемую длину DIN-рейки на две трети.

Практическое влияние на экономику сборки панелей значительно. В типичной панели ПЛК с 256 входами/выходами переход от одноуровневых к трехъярусным клеммным блокам для распределения питания может сократить общее количество клеммных блоков на 60–80 позиций, что напрямую приводит к уменьшению длины DIN-рейки, уменьшению размеров корпуса панели (и стоимости) и уменьшению объема проводов. Мы работали с производителями панелей, которые сократили среднее время сборки панели на 4–6 часов после перехода на трехъярусную архитектуру для секций распределения ПЛК.

Проектирование перекрестных соединений: распределение сигналов без хаоса проводов.

Трехъярусная архитектура — это лишь половина решения для высокоплотной распределительной сети ПЛК. Вторая половина — это конструкция перекрестного соединения — система внутренних шин и внешних перемычек, позволяющая электрически соединять несколько уровней клемм контролируемым, обратимым образом. Именно здесь проявляется инженерная сложность конструкции клеммных блоков производителя.

В контексте распределения питания ПЛК, кросс-соединение означает возможность электрического соединения нескольких клеммных позиций вдоль участка DIN-рейки таким образом, чтобы общий сигнал (например, 24 В постоянного тока или 0 В) распределялся по многим клеммным уровням без прокладки отдельных проводов между каждой позицией. Это аналогично тому, как макетная плата в электронном прототипировании распределяет шины питания по нескольким позициям компонентов, но с механической прочностью и электрической сертификацией, необходимыми для промышленных систем управления.

В конструкциях клеммных блоков высокой плотности для ПЛК используются две основные архитектуры перекрестного соединения:

Внутреннее перекрестное соединение шин. Внутри корпуса клеммной колодки проходит цельная медная или латунная шина, соединяющая несколько точек подключения в одном устройстве. Именно этот механизм обеспечивает архитектуру с общей токовой шиной в трехъярусной конструкции. Внутренняя шина должна быть точно рассчитана на номинальный ток без чрезмерного повышения температуры — как правило, для клеммной колодки на 30 А с тремя ярусами требуется поперечное сечение не менее 4 мм². Качество соединения внутренней шины с контактной пружиной имеет решающее значение: неплотное или высокоомное внутреннее соединение приведет к локальному нагреву, который со временем ухудшает контактную поверхность и в конечном итоге приводит к выходу из строя.

Внешнее перекрестное соединение перемычек. Внешние перемычки (также называемые распределительными блоками или мостами питания), устанавливаемые после покупки или на заводе, подключаются к верхней части соседних клеммных блоков для создания общей шины для нескольких устройств. Такая архитектура более гибкая, чем внутреннее перекрестное соединение, поскольку можно перенастраивать, какие клеммные блоки подключены к какой шине, без разборки внутренней архитектуры. В системах распределения питания ПЛК внешние перемычки обычно используются для создания параллельных шин распределения питания для групп входов ПЛК. Перемычки рассчитаны на тот же ток, что и сам клеммный блок, а сила их контакта с токовой шиной клеммного блока поддерживается пружинным механизмом или винтовым зажимом.

В J-Гуан, наши трехъярусные клеммные блоки Используется комбинация внутренних шин для внутриблочного размещения устройств и внешних перемычек для распределения сигнала между устройствами. Такая двойная архитектура обеспечивает производителям панелей максимальную гибкость в настройке сетей распределения сигнала и позволяет вносить изменения на месте без перемонтажа проводки — поскольку можно отключить определенный сегмент перемычки, не затрагивая остальную часть сети распределения.

Номинальные значения напряжения и тока: что это такое? МЕК 60947-7-1 Фактически требуется

Одним из наиболее часто неправильно понимаемых аспектов выбора клеммных блоков для распределительных устройств ПЛК является система номинального напряжения. Клеммные блоки имеют как номинальное напряжение, так и номинальный ток, и обе характеристики регулируются международными стандартами, но они не взаимозаменяемы, и их путаница является одним из наиболее распространенных источников ошибок в спецификациях, с которыми я сталкиваюсь на практике.

Применимый стандарт для модульных клеммных блоков, используемых в промышленном контрольно-измерительном оборудовании, следующий: МЕК 60947-7-1 (Низковольтные распределительные устройства и аппаратура управления — Часть 7-1: Вспомогательное оборудование — Клеммные колодки для медных проводников). Настоящий стандарт определяет требования к механическим, электрическим и экологическим испытаниям, которым должна соответствовать клеммная колодка для получения соответствующего разрешения. Ключевые требования настоящего стандарта включают:

Номинальное напряжение. Максимальное напряжение, которое может выдерживать клеммная колодка между соседними цепями или между цепью и монтажной рейкой (если применимо). Для систем распределения ПЛК, использующих сигналы постоянного тока 24 В, это редко является ограничением, но для управления трехфазными двигателями или распределения переменного тока 480 В номинальное напряжение становится критически важным. Всегда проверяйте, соответствует ли номинальное напряжение клеммной колодки максимальному системному напряжению или превышает его, а не только номинальное напряжение. Для промышленных сред ПЛК со смешанными уровнями напряжения (включая фидеры двигателей переменного тока 480 В) мы рекомендуем выбирать клеммные колодки, рассчитанные наМинимальное напряжение: 630 В переменного тока. обеспечить достаточный запас прочности.

Текущий рейтинг. Максимальный непрерывный ток, который может проходить через клеммную колодку без превышения допустимого повышения температуры. Предел повышения температуры в пределах... МЕК 60947-7-1 является 45°C выше температуры окружающей среды При номинальном токе, измеренном на конце проводника. Это важно, поскольку номинальный ток рассчитан на определенное сечение провода (обычно 2,5 мм² для клеммной колодки на 20 А) и определенную температуру окружающей среды. Если использовать провод меньшего сечения, чем указано в номинальном значении, фактическая пропускная способность по току будет ниже номинального значения из-за повышенного нагрева I²R в проводнике меньшего сечения.

Номинальное импульсное напряжение. Максимальный импульс напряжения (скачок напряжения), который может выдержать клеммная колодка без пробоя. Для входов ПЛК в промышленных условиях с моторными нагрузками импульсы напряжения от индуктивного переключения могут достигать 2,5–4 кВ даже в цепях постоянного тока 24 В. Номинальное импульсное напряжение указывается по адресу2,5 кВ, 4 кВ, 6 кВ или 8 кВ В зависимости от категории оборудования (категория перенапряжения I, II, III или IV). Для шкафов ПЛК, включающих частотно-регулируемые приводы (ЧРП), целесообразно выбирать клеммные колодки, рассчитанные как минимум на 4 кВ импульсного напряжения.

Степень загрязнения. МЕК 60947-7-1 Для клеммных блоков требуется определенная степень загрязнения (1, 2 или 3), которая описывает условия окружающей среды, в которых будет работать оборудование. Степень загрязнения 3 применяется в промышленных шкафах управления, где ожидается проводящее загрязнение (например, пыль и конденсат). Всегда указывайте степень загрязнения 3 для промышленных шкафов ПЛК и убедитесь, что расстояния утечки и зазоры клеммных блоков указаны соответствующим образом.

Методы заделки проводов: винтовой зажим, пружинный зажим и смещение изоляции.

Метод концевой заделки провода — это механизм, посредством которого проводник провода устанавливает электрический контакт с токосъемной шиной клеммной колодки. Для распределительных систем ПЛК три основные технологии концевой заделки имеют свои distinct преимущества:

Завершение с помощью винтового зажима. Наиболее распространенная технология, использующая винт для приложения давления к зажимной пластине, которая фиксирует проводник на токосъемной шине. Зажимные клеммы с винтовым креплением обеспечивают превосходную надежность контакта и широко распространены в промышленных стандартах по всему миру. Однако для их установки требуется отвертка или шестигранный ключ (что увеличивает время сборки панели), и они подвержены ухудшению контакта, если винт ослабевает под воздействием вибрации — известный вид отказа в промышленных панелях управления с тяжелыми жгутами проводов или вибрирующим оборудованием. Мы рекомендуем зажимные клеммы с винтовым креплением для применений, где к клеммам будет часто обращаться для технического обслуживания или где монтаж проводки на месте выполняется персоналом, предпочитающим тактильную обратную связь.

Завершение пружинной обоймы. Пружинный механизм обеспечивает постоянное усилие зажима проводника, устраняя необходимость в винте и позволяя вставлять провод без инструментов. Пружинные клеммы быстрее подключаются в производственных условиях и обладают высокой виброустойчивостью, поскольку пружина поддерживает постоянное усилие контакта независимо от вибрации. Однако пружинные клеммы обычно имеют несколько более высокое контактное сопротивление, чем клеммы с винтовым зажимом, и могут быть неприемлемы в некоторых старых промышленных стандартах, существовавших до появления технологии пружинных клемм. Мы рекомендуем пружинные клеммы для работы в условиях высокой вибрации ПЛК, таких как насосные станции, компрессорные отсеки и панели управления системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Завершение процесса изоляции путем смещения изоляции (IDC). Контакт лезвийного типа, который прокалывает изоляцию провода и замыкает его на проводник, когда провод вставляется в клеммный паз. Клеммы IDC очень быстрые (не требуют зачистки) и обеспечивают отличную виброустойчивость, но подходят только для одножильных или тонкожильных проводников определенного сечения. Они не подходят для многожильных проводников с толстым сечением. Для распределительных кабелей ПЛК, использующих предварительно нарезанные одножильные провода в производственных условиях, клеммы IDC могут сократить время монтажа на 40–60% по сравнению с винтовыми зажимами. Мы рекомендуем клеммы IDC производителям панелей OEM, которые выполняют монтаж больших объемов стандартизированных проводов.

Материалы для строительства: PA6.6 против PPE/PPO и их эксплуатационные характеристики.

Материал корпуса клеммной колодки определяет ее тепловые характеристики, огнестойкость и химическую стойкость — все это критически важные факторы в условиях шкафов ПЛК, где компоненты, выделяющие тепло, такие как блоки питания ПЛК и приводные модули, создают повышенные температуры окружающей среды. Двумя основными материалами для корпусов промышленных клеммных колодок являются полиамид 6.6 (PA 6.6) и модифицированный полифениленовый эфир/полифениленоксид (смеси PPE/PPO).

PA 6.6 (часто называемый просто нейлоном) — наиболее широко используемый материал для корпусов клеммных колодок. Его ключевые преимущества — превосходная механическая прочность, хорошие диэлектрические свойства и широкая химическая совместимость. PA 6.6 обеспечивает UL94 V-0 огнестойкость при толщине 0,8 мм, что соответствует требованиям пожарной безопасности. МЕК 60947-7-1Однако полиамид PA 6.6 имеет предел рабочей температуры около 105 °C и со временем поглощает влагу, что может снизить его диэлектрическую прочность до 30% в условиях высокой влажности.

Материалы для корпусов PPE/PPO обладают превосходной влагостойкостью и более высокими температурами непрерывной работы (до 115–120 °C). Их диэлектрические свойства более стабильны при различных уровнях влажности, что делает их предпочтительными для наружных или высоковлажных установок ПЛК. Однако PPE/PPO дороже, чем PA 6.6, и его механическая ударопрочность при низких температурах ниже — поэтому для стандартного использования в шкафах ПЛК внутри помещений PA 6.6 остается более экономичным вариантом.

Для распределительных клеммных блоков ПЛК, используемых в закрытых шкафах с температурой окружающей среды до 55°C (типично для герметичных шкафов с тепловыделяющими компонентами), подходит корпус из полиамида PA 6.6. Для установки в наружных корпусах, под прямыми солнечными лучами или в высокотемпературных промышленных условиях мы рекомендуем корпуса из полиэтилена высокой плотности (PPE/PPO). Всегда проверяйте спецификацию материала корпуса в техническом описании — во многих типовых технических описаниях клеммных блоков материал корпуса не указан четко, что должно вызывать подозрение.

Примечания к применению: Использование клеммных блоков высокой плотности в реальных системах ПЛК.

Поставка клеммных блоков. для приложений распределения ПЛК В самых разных отраслях — автомобильной промышленности, пищевой промышленности, водоочистке и системах отопления, вентиляции и кондиционирования — я хочу поделиться практическими моделями применения, которые неизменно обеспечивают наилучшие результаты, а также ошибками в технических характеристиках, которые чаще всего приводят к проблемам на практике.

Наиболее важный принцип применения заключается в следующем: разделение по типу сигналаВ шкафу ПЛК с различными уровнями напряжения (питание двигателей переменного тока 480 В, цепи управления переменного тока 230 В, входы/выходы ПЛК постоянного тока 24 В) клеммные колодки для каждого уровня напряжения должны быть физически разделены либо путем установки на отдельных DIN-рейках с четким разделением, либо с помощью клеммных колодок барьерного типа, обеспечивающих физическое разделение между соседними цепями с разным напряжением. Такое разделение необходимо в соответствии с требованиями... МЕК 60204-1 (Безопасность машин и оборудования — электрооборудование) и является обязательной в большинстве систем проверки промышленной безопасности.

В частности, для секции распределения входов/выходов ПЛК 24 В постоянного тока мы рекомендуем использовать трехъярусную конфигурацию, где верхний ярус является общей шиной питания (24 В постоянного тока от источника питания), средний ярус питает группу входов ПЛК A, а нижний ярус — группу входов ПЛК B. Такая конфигурация позволяет изолировать общую шину для целей блокировки и маркировки, при этом обе группы входов остаются под напряжением, а также позволяет отключать отдельные группы входов для технического обслуживания без влияния на другую группу.

Распространенная ошибка в технических характеристиках, которую я наблюдаю, — это занижение номинального тока клеммной колодки для распределения питания ПЛК. Питание от шины постоянного тока 24 В, подающей ток на 32 входных канала ПЛК по 20 мА на канал, составляет 640 мА — что вполне укладывается в номинальный ток любой клеммной колодки. Однако пусковой ток от входных модулей ПЛК (который может быть в 3–5 раз больше тока в установившемся режиме при включении питания) может кратковременно создавать нагрузку на клеммную колодку распределения. Мы рекомендуем выбирать клеммные колодки для распределения питания ПЛК с номинальным током не менее 150% от расчетного тока в установившемся режиме, чтобы обеспечить достаточный запас на случай пускового тока и неисправностей.

Ещё один практический аспект заключается в следующем: организация и прокладка проводовТрехъярусные клеммные колодки уменьшают количество проводов, но увеличивают их плотность в каждой точке подключения (три провода на позицию вместо одного). Это требует тщательной проработки расположения проводов в ряду клеммных колодок, чтобы гарантировать, что радиус изгиба ни одного провода не будет слишком малым, что со временем может повредить изоляцию провода. Мы рекомендуем поддерживать минимальный радиус изгиба, равный 3-кратному внешнему диаметру провода, для гибких многожильных проводов.

Техническое обслуживание, поиск и устранение неисправностей, а также модификация оборудования в полевых условиях.

Одним из наиболее убедительных аргументов в пользу использования трехъярусных клеммных колодок высокой плотности в распределительных системах ПЛК является преимущество в обслуживании и устранении неисправностей. Когда в панели с обычной проводкой выходит из строя входной канал ПЛК, процесс диагностики требует отслеживания отдельного провода от входного модуля через клеммную колодку до полевого устройства — процесс, который может занять несколько часов в сложной проводке. В хорошо спроектированной системе... трехъярусная клеммная колодка При установке путь диагностики значительно сокращается, поскольку каждая клеммная колодка выполняет определенную и предсказуемую функцию.

Для полевых модификаций, которые происходят гораздо чаще, чем предполагают большинство разработчиков систем управления, трехъярусные клеммные колодки с внешним перекрестным соединением перемычек предлагают дополнительные преимущества. Когда расширение системы ПЛК требует добавления входных каналов, процесс обычно ограничивается добавлением позиций клеммной колодки на доступный участок DIN-рейки, установкой новых перемычек для расширения распределительной шины до новых позиций и подключением новых полевых проводов. Это значительно быстрее, чем прокладка новых отдельных проводов от центрального массива клеммных колодок к каждой новой точке ввода/вывода.

Для текущего обслуживания я рекомендую установить график проверки момента затяжки клеммных колодок с винтовыми зажимами в условиях сильной вибрации. Интервал проверки момента затяжки зависит от уровня вибрации: для шкафов в обычных промышленных условиях (типичные цеха) достаточно ежегодной проверки момента затяжки; для шкафов на вибрирующем оборудовании (насосы, компрессоры, вибрационные грохоты) более целесообразна полугодовая проверка. Используйте калиброванную динамометрическую отвертку, установленную на значение момента затяжки, указанное в техническом описании — обычно 0,5–0,8 Нм для клеммной колодки 4 мм².

Поиск поставщиков и проверка качества: что требовать от поставщика

Не все клеммные колодки высокой плотности Все они одинаковы, и различия в технических характеристиках, отличающие действительно качественный продукт от обычной подделки, не всегда видны на фотографии в каталоге. Вот что я рекомендую требовать от ваших товаров. поставщик клеммных блоков:

Запросить МЕК 60947-7-1 протокол испытанийЛюбой производитель, заявляющий о соответствии этому стандарту, должен предоставить протокол испытаний от аккредитованной испытательной лаборатории (например, TÜV Рейнланд, UL, CSA, или Бюро ВеритасВ протоколе испытаний указываются фактические измеренные значения диэлектрической прочности, сопротивления изоляции, повышения температуры и механической износостойкости, а не только заявленные характеристики. Поставщик, который не может или не хочет предоставить эту документацию, является серьезным тревожным сигналом.

Проверьте номинальный импульсный потенциал напряжения и степень загрязнения в протоколе испытаний. Во многих типовых технических описаниях клеммных блоков указывается следующее: МЕК 60947-7-1 Заявление о соответствии требованиям без указания номинального импульсного напряжения или степени загрязнения означает, что эти параметры не были протестированы, или результаты испытаний были настолько неудовлетворительными, что они были опущены в техническом описании. Для промышленных ПЛК в качестве минимальных требований следует указывать степень загрязнения 3 и импульсное напряжение 4 кВ или выше.

Подтвердите паспорт материалов для строительстваЗапросите информацию о сорте строительных материалов и UL94 Класс огнестойкости. Клеммные колодки PA 6.6 должны быть сертифицированы в соответствии со стандартом PA 6.6. UL94 V-0 при условии соответствия толщины стенки корпуса используемому в изделии материалу. Если поставщик не может предоставить паспорт материала, утверждение о материале корпуса считается неподтвержденным.

Оцените спецификация контактного сопротивленияВысококачественная клеммная колодка должна иметь контактное сопротивление менее 1 мОм (миллиом) при номинальном токе, измеренное в точке подключения провода. Более высокие значения контактного сопротивления указывают на некачественную подготовку контактной поверхности или неоптимальную конструкцию пружины/зажима, что в обоих случаях приведет к преждевременному выходу из строя при высоких токах или температурах.

Новые тенденции: интеллектуальные клеммные колодки и интегрированная диагностика.

На рынке клеммных блоков начинают появляться интегрированные диагностические функции, которые ранее были невозможны с пассивными компонентами. Несколько производителей, включая J-Guang, разрабатывают клеммные блоки со встроенными датчиками контроля тока, светодиодными индикаторами состояния и коммуникационными интерфейсами, позволяющими самому клеммному блоку передавать информацию о своем состоянии ПЛК или BMS по цифровой шине.

Для систем распределения электроэнергии, управляемых ПЛК, наиболее перспективным направлением является интеграция шины для измерения тока Это устройство способно обнаруживать обрывы цепей или аномальные значения тока на отдельных клеммных колодках без дополнительных внешних датчиков. Это позволяет осуществлять оповещение о профилактическом техническом обслуживании (а не реагировать на отказы) в распределительной сети ПЛК. Клеммная колодка со встроенным датчиком тока передает данные в ПЛК по... Modbus RTU или CANopen Этот интерфейс может предупреждать операторов о возникающих проблемах с проводным соединением до того, как они приведут к сбою входа ПЛК.

Мы также наблюдаем рост внедрения механизмы высвобождения без использования инструментов Для клеммных блоков с пружинными зажимами, позволяющих извлекать провода без инструментов — функция, существенно сокращающая время доступа для обслуживания. Сочетание пружинных зажимов (для скорости первоначальной установки) с возможностью извлечения без инструментов (для скорости доступа для обслуживания) особенно привлекательно для распределительных щитов ПЛК, где как первоначальная стоимость сборки панели, так и текущие затраты на обслуживание являются существенными факторами.

Часто задаваемые вопросы