广告

不管你信不信,模块化连接性能已超越硬接线

时间:2018-07-18 作者:Michael Meckl,Molex产品管理与工程部团队主 阅读:
连接器与电线组为工程师提供了一种能取代硬接线的更好方法,并且有助于提高企业利润。

 传统的机器硬接线(hardwiring)方法涉及许许多多错综复杂的电线与电缆。在现代的机器安装中,为了操作复杂或多功能的机械设备,各种电气、讯号与数据接触点的数量可能高达数以百计。

例如,设计用于戳记、印刷和切割纸张的机器,实际上结合了三台不同机器才具有的大量电气、数据与讯号设计。如果各项功能不清楚其他功能正在执行的工作,那么就会出现问题。因此,如果在切割程序完成首批作业之前,印刷好的纸张就已经进入,机器就会卡住,从而导致产品损坏。

一般情况下,使用多个传感器可以防止发生问题以及生产上的延迟。在采用硬接线的机器中,电力、传感器数据以及控制通讯的每个点都会透过电缆或电线传输到控制台或配电盘。这样加总起来就有多达数百个点对点的接触,它们不仅需要剥线和焊接,可能还要进行压线作业。

硬接线的缺点

硬接线的机器在出货前就必须测试全部的连接点或者输入/输出点,对每个点进行接线、测试,然后断开。接着,技术纯熟的技术人员、电工人员或工程师必须在客户所在的地点,将每一个点对点的接触位置重新连接起来。这一流程的人工成本十分昂贵。除此之外,每一个接线和断开过程中都会为机器的制造商增添另一层风险。即使只有一处电线位置不正确,就可能造成机器的损?或彻底破坏,导致数十万美元的损失。

为了减轻风险,机器制造商往往会派遣工程师到工厂,在安装过程或客户增加新的生产线时监督机器的接线作业。而每次的现场拜访作业,都会使机器的总成本不断上升。

在客户方面,负责处理繁重接线任务的技术人员必须参考电气和讯号原理图,执行日常任务以及解决各种问题。在一处设有数台硬接线马达和驱动装置的工厂中,一旦发生问题,可能就得断开数百个点对点的接触位置后再重新连接,才能安全地除错并诊断问题。

机器制造商与终端用户工程师在加工厂、制造厂以及装配厂中操作工业机械时,可能会面临时间、成本以及调整与维护机械设备的复杂度等挑战。典型的自动化配置需要大量的工时来处理系统的硬接线与启动系统,从而实现稳定的运转与同步作业。而且,需要例行维护的机器还必须拆解、维修,然后再重新组装起来。这又一次意味着要断开然后重新连接起硬接线的每一点。正如之前所说的,这是一项非常耗时的任务。机器的停机总会损失生产力和盈利能力,造成总购置成本的上升。

转向模块化

繁重的机器接线任务是客户经常抱怨的问题。因此机器制造商正一马当先地从硬接线转为使用模块化(modular)连接器。针对新型的机器,以及在市场上存在多年的机器,改善连接效果通常可以带来更高的客户满意度与忠诚度,同时提升销售。

 

20180717-molex-connnector-1.jpg

在机器应用中,80%以上的连接器都采用M12规格,如上所示。这类产品在尺寸、性能和操作的便利性之间取得了均衡。该型连接器可以承受高达16安培的电流

模块化连接器的投资报酬率可能来自以下方面:

‧ 为机械设备、机器人和装配线减少人力并缩短调试时间。

‧ 显着缩短电气调试时间并降低机器的总装机成本。

‧ 性能十分可靠,符合IEC的标准化作业,以及NFPA-79安全规范。

‧ 更快、更容易进行维护和修理,以提高生产力并缩短停机时间。

‧ 因应需求或操作变化,配置、修改和扩展机器和装配线的灵活性与可扩展性。

模块化连接器具有出色的机械稳定度,无需在现场进行人力密集型的接线安装作业,并且可以简化例行的测试与维护,特别是当机器设置于狭小空间或是偏远位置的工厂时效果尤为明显。技术人员可以快速断开使用了客制化配置电线组(cordset)的设备,并直接插入到可携式的测试设备中。在具有成千上百个连接点的工厂厂房中,这项功能能够节省可观的人力。

这些优势甚至可以拓展到工厂自动化应用中,这类应用往往在狭小空间中需要使用高度复杂而又功能强大的机械设备。几种模块化连接器的尺寸和样式经专门设计,可以满足严苛的工业机械应用与流程提出的严格要求。其中一些较为常见的产品包括:

重型连接器(HDC):工业连接器的主要作用是保持安全可靠的连接。但是,在连接或者断开过程中,甚至在操作过程中,液体、灰尘和其他污染物都可能进入连接器外壳之内,最终造成断电和停机。在一些特定的恶劣工业环境中,特别是在石油与天然气、食品饮料和汽车产业中,这些情况都会对电气和电子设备产生异常重大的影响。

HDC的设计目的在于为要求严苛的应用提供多年不间断的良好性能。外壳可能采用经过聚酯粉末进行表面处理(EMC应用采用镀镍版本)的压铸铝合金,或者采用自熄的热塑性外层。闭锁机构含有镀锌钢或不锈钢的整体铸造锁杆,或是不锈钢材料的弹簧和拉簧钩,以确保良好的密封效果,在耦合上的稳定度可防止闭锁机构由于振动或冲击而意外打开。内部保护垫片则针对灰尘、水份和侵蚀剂提供密封功能。坚固的联轴器在最恶劣的工业环境下也可长期提供可靠的性能。

HDC可提供多种配置、形状及尺寸。电线组各端上的连接器存在明显的区别,使得安装过程极其合理且直观,可以显着降低对工程资源的需求,避免发生由于用户出错而造成的接线问题。

模块化的HDC外壳可以根据终端使用者的具体需求进行客制。客制化选项包括由用户配置的矩形连接器,连接器的接脚数或电压也各不相同,而选项的组合则包括在单一连接器中同时包含电力、讯号、同轴或其他传输介质。例如,HDC可以将RJ45和讯号接脚结合在一起,同时传输电力、数据与讯号。在涉及多台机器的情况下,装配作业仍可保持一致性与可重复性,进而减少人力并实现整体的节省。

高功率M系列连接器:机械设备和装配线对于HDC和其他标准化的工业连接器设定了严格的要求。M系列连接器严格符合产业规范要求,确保与其他的组件供应商、工业机械OEM以及系统布局的兼容性。用于配电和马达控制的预塑模成型电缆,以及随按即锁(push-to-lock)的专利M12连接器,简化了与传感器、致动器和其他装置的连接操作。

M40连接器通常指定用于高功率应用,例如动态伺服驱动装置、封装和材料搬运、汽车生产线和其他机器人作业,以及任何需要紧凑型高功率输入的驱动装置。既定的产业标准包括6极(3+2+PE)和8极(4+3+PE)连接器配置以及标准长度的电线组(2、3、5、7和10公尺)。电源接脚额定值为37安培(A),而讯号接脚额定值为16A,可提供快速连接,让机器的停机时间与维护成本降至最低。

基本上满足可靠性和性能严格要求的一系列M23连接器与插座,也广泛地用于工业自动化和材料搬运领域的电源应用(高达28A)。M23连接器一般具有6条或8条用于供电的电线,讯号线可以多达19条。可在现场连接的公端子和母端子电缆连接器提供直排版本和直角版本,可在前与后安装的机器中实现设计灵活性。整合的闭锁机构无需专用的装配工具,即可简便地完成装配与拆解作业。

20180717-molex-connnector-2.jpg

双端子电线组为工程师和设计人员提供各种不同的连接器,能够布设在电线组的每一端

在恶劣潮湿的工业环境中,建议使用良好密封的IP67等级M40或M23接口,以防止灰尘、水份和污染物进入到外壳中。薄型、预装配的包塑(overmolded)连接器与电线组可使用多种外径的电缆以及各种形式的插座,这样有助于减少接线和装配中出错,节省宝贵的时间与空间。使用包塑成型时,需要选用合适的材料与设计,以便在低温和高温环境下提供紧密的连接。优质的连接器可以达到100%的密封效果,而质量不佳的版本能够达到70%的密封性能也已经是万幸了。

专用的屏蔽式连接器电缆采用了耐油耐焊渣的护套,在广泛的工作温度范围下可提供出色的弯曲性能与扭转性能。触点支架中密封的接脚可防止暴露在外的接脚接触到双手和手指而造成电击,提高了安全性。在设计紧凑而载流能力更高的连接器中,增强的散热设计可以更有效地控制热量。

承受风险最高的组件是连接至关键机械与控制系统的连接器。它们可能需要IP69K等级的直流或多极连接器嵌件和外壳,以防止水份和污染物的进入,并且耐受极端的振动和温度。

支柱型M12连接器:在机器应用中,约占80%或更多的连接器属于M12的变型,它可以在尺寸、性能以及操作方式之间实现最佳平衡。较小型的M5和M8连接器通常较为脆弱,因此倾向于空间极其受限的低功率应用与讯号应用上,例如传感器等。

标准的M12连接器能够承载16A的电流,满足马达、电磁操纵阀门与致动器以及机器和自动化控制中24V直流(DC)辅助配电系统,以符合最常见的供电要求。重要的一点在于厂商必须指定使用按IEC标准61076-2-xxx设计的产品,该标准建立了一个开放的产业标准,可以促进众多的平台和制造商对标准化连接器的采纳。

尺寸更小的M12电源连接器针对加固设计的电气要求提供多种编码(coding),以便于工厂自动化设备的使用。例如: ‧ M12 F编码(F-Coding)电源连接器在每一个接脚上可提供高达300V AC/DC的电压与16A的电流,还可防止错误地配对到用于输入、输出、讯号或工业网络连接的其他M12连接器。 ‧ M12 L型编码(L-Coding)电源连接器在每一个接脚上可以耐受63V AC/DC电压与16A的电流,功率可达到标准型M12连接器的四倍。 ‧ M12 T型编码(T-Coding)电源连接器功率是标准型M12连接器的三倍,每个接脚可提供63V AC/DC电压以及高达12A的电流。

模块化M12连接器中使用的随按即锁技术不需要转动联轴器,即可提供牢固、耐久的配对功能。技术人员只要按下即可完成连接,提起即可断开,在显着节省时间的同时,不再需要传统的螺纹式M12连接器安装时所需的重复手掌/手腕动作。这样可以提高生产效率,缩短调试时间与生产时间。在操作和商业上的优势随着时间而不断增加,对于工业机械和自动化系统来说,可以节省多达80%的电气调试时间。

混合式连接器:混合连接器的尺寸较小,以圆形的M12螺纹接头设计为基础。越来越多的M12连接器被用于电导传感器和光学传感器,符合以太网络(Ethernet)、PROFINET和其他主动组件总线连接的编码要求,在工业机械和自动化平台上可以连接到可编程逻辑控制器(PLC)的骨干。

典型的IP密封式M12圆形混合连接器可以在4接脚数组(两个屏蔽对)上整合起Cat5e Ethernet数据速度与供电线路,连接器密封在环绕的金属管套中,使串扰和电磁干扰(EMI)降至最低,以实现最佳的讯号完整性与讯号性能。8极的圆形混合连接器(4+4)可以含有两条Cat5e Ethernet数据线与四条电源线,承载高达6A的电流。

混合连接器将电源线与数据讯号线整合到一个连接器中,减少了在机器设计中占用的空间,降低了布线的要求、缩短安装时间并减少相关的成本,该效果在恶劣的工业应用中更为显着。密封的混合连接器可作为工业制程与自动化控制设备的理想选择,或是任何需要一台装置同时提供供电与数据的应用。屏蔽防护的理念并不仅限于M12的加工尺寸,还可以针对M16或M23之类的其他外形来开发。

模块化连接器的优势

传统的硬接线一直是工业自动化以及机器供电、讯号与数据的标准。然而,随着越来越多的工业应用和客户需要更高的通用性、灵活性与可靠性,工业机械的制造商现在越来越倾向于使用模块化连接器。

20180717-molex-connnector-3.jpg

在此应用中,高功率的线路为连接每台蓝色驱动装置的电缆供电

长久以来,为制造厂和装配厂所使用的机械设备进行设计与安装的人员在处理现场的设备时,面对着调试时间、成本和复杂度等方面的挑战。机器人以及其他复杂的自动化机械需要授权的专业人员花费大量工时来配置、通电并同步,才能达到精确的操作参数。这些步骤会造成部署上的延迟,以及总购置成本的快速攀升。当硬接线的系统需要例行维护时,就必须拆解、维护并重新装配,这样就需要更多的时间与成本。随着时间和人工成本的增加,生产效率与盈利能力就会随之降低。

尽管硬接线连接的前期投资成本较低,但由于存在腐蚀或者是人为出错的可能性,使其发生机械故障的风险也更高一些。探寻各种方式以简化机器的维护作业,对于设计人员、制造商、工厂的工程师以及管理人员来说,都是一项持续不断的挑战。

在恶劣的工业环境下,模块化连接器更可靠地承受重度使用与频繁接触。快速断开的电源、讯号连接器与电线组在工厂模制而成,并由抗压材料构成,可轻易取代机器的硬接线。

模块化的电源和讯号连接器仅在进行预测试后才能出货,与主要依靠安装人员资格和专业经验的热线式安装相比,这是一项巨大的优势。如要拆解然后重新装配机器以供维护或是厂房的重新配置,技术人员只需要断开机器、传感器、致动器和其他设备上的电线组与连接器,然后再重新连接即可。这就意味着只要透过培训合格的技术人员即可快速、方便地安装起完整、符合标准的连接网络,毋须动员获得授权的专业人员,也不必再耗费时间和精力来为安装和端接操作拉伸电缆、进行硬接线。

根据电源和讯号的要求,需要能够耐受化学品冲洗以及极端温度、湿度与灰尘条件的连接器。可靠的IP级别HDC与M系列连接器可提供产业标准的解决方案,并且针对工业连接应用提供多种编码的变化版本。随着机器或操作的变化,这类连接器还便于配置、修改或扩展,或者可配合厂房的重新设计。

 

 

 

qrcode_EETCwechat_120.jpg

关注最前沿的电子设计资讯,请关注“电子工程专辑微信公众号”

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
广告
相关新闻
广告
广告
广告
广告