Rodzaje przewodów i kabli w automatyce

13 lipca 2020 0

Autor:

Automatyka jest dziedziną nauki i techniki zajmującą się sterowaniem procesami technologicznymi i przemysłowymi. Dzięki jej rozwojowi, a także rozwojowi mechanizacji, robotyki i techniki informatycznej, wiele czynności manipulacyjnych człowieka w procesach przemysłowych zostało całkowicie wyeliminowanych lub przynajmniej ograniczonych. Wszystko to przyczyniło się do znacznego zwiększenia wydajności i polepszenia warunków pracy w zakładach wytwórczych.

Do celów realizacji sterowania maszynami, robotami lub innymi urządzeniami przemysłowymi stosuje się różnego rodzaju kable i przewody. W systemach automatyki przemysłowej wymienić należy przede wszystkim okablowanie zasilająco-sterujące, jako element niezbędny do działania. Poza tym do pojawienia się tak zwanej czwartej rewolucji przemysłowej (niem. Industrie 4.0) przyczynił się także rozwój technologi informatycznej, dlatego obecnie w automatyce przemysłowej istotną rolę odgrywają również przewody do transmisji danych. W poniższym artykule omówiono najważniejsze przewody i kable, stanowiące podstawę jeżeli chodzi o automatykę i związane z nią sterowanie procesami.

Spis treści:

Rodzaje przewodów i kabli

Różnica pomiędzy określeniem przewód i kabel jest nieznaczna i została opisana w naszym osobnym artykule nt. „Przewód z ekranem – dlaczego warto stosować”. Jako, że te dwa pojęcia często są dobierane w sposób nieprawidłowy co nie jest dużym błędem warto jednak dla ścisłości po krótce wyjaśnić podstawową różnice pomiędzy nimi. I tak:

– przewody mogą mieć izolacje z materiałów stałych lecz nie muszą, są budowane dla napięć do 6kV i układane wyłącznie w pomieszczeniach (często w osłonach rurowych),

– kable natomiast mogą być wykorzystywane w pełnym zakresie napięć i zawsze posiadają izolacje zewnętrzną, przez co mogą być układane np. w ziemi lub w wodzie.

Jeżeli chodzi o rodzaje i typy przewodów i kabli, to jest ich bardzo wiele i ciężko byłoby je opisać wszystkie w jednym artykule. Każdy z nich charakteryzuje się odmienną budową i właściwościami. Można jednak ze względu na ich budowę wyróżnić podział na przewody i kable:

– jedno lub wielożyłowe,

– ekranowane lub nieekranowe,

– skręcane (tzw. skrętki) lub nieskrętne,

– do aplikacji stałych lub ruchomych,

– z żyłami miedzianymi lub aluminiowymi itd.

Do podstawowych przewodów i kabli stosowanych w automatyce przemysłowej zalicza się przede wszystkim okablowanie zasilającosterujące, to znaczy przewody zasilające dane urządzenie z sieci elektrycznej oraz różnego rodzaju przewody sterownicze. W zależności od sposobu sterowania mogą to by np. przewody do sterowania silnikiem z falownika, serwoprzewody, przewody sterownicze halogenowe (duszą płomienie w razie pożaru, jednak przez to wydzielają substancje toksyczne i korozyjne), przewody sterownicze odporne na temperaturę, itp. Rozwój technologii cyfrowej, w tym Ethernetu, wpłynął również na zwiększenie znaczenia przewodów do transmisji danych (przewody komunikacyjne) w automatyce. Oprócz tego na popularności zyskują także światłowody.

Przewody sterownicze

Przewody sterownicze stanowią w elektronice połączenie za pomocą którego odbywa się przesył sygnału sterującego pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Taka komunikacja jest zwykle tylko jednokierunkowa, to znaczy od nadawcy do odbiorcy. Przewody sterownicze służą zatem głównie do przełączania odbiornika w inny tryb pracy lub do uruchamiania jak i zatrzymywania określonego procesu poprzez stan logiczny (0 lub 1).

Przewody sterownicze stosowane są w obwodach: sterowania, regulacji, sygnalizacji, zabezpieczeń i pomiarowych. Poniżej przedstawiono główne rodzaje przewodów sterowniczych:

Przewody jednożyłowe posiadają jedną metalową żyłę w formie drutu dla odbiorników stałych lub linkę, czyli splot składający się z większej ilości drutów, dla odbiorników ruchomych. Stosowane są na przykład w szafach sterowniczych lub w przenośnych urządzeniach spawalniczych. Przykładowym przewodem sterowniczym jednożyłowym jest igus® CF98.

Przewody wielożyłowe – powstają poprzez łączenie we wspólnej warstwie ochronnej (izolacji zewnętrznej) większej liczby przewodów jednożyłowych. Ilośc żył jest dowolna, dostępne są różne przewody sterownicze np. 2, 3, 4, 5, 12, 27-żyłowe itd. W naszej ofercie można znaleźć nawet przewód 50-żyłowy, o oznaczeniu JZ-500 50×0,5 QMM. Poza tym posiadamy także inne przewody sterownicze wielożyłowe typu LIYCY, LIYY, czy 2XSLCY-J.

Przewody ekranowane stosowanie ekranu pozwala między innymi chronić środowisko przed polami pochodzącymi z urządzenia i odwrotnie – chroni urządzenie przed działaniem pól magnetycznych czy elektrycznych występujących na zewnątrz. Ekran wykonany jest najczęściej w postaci folii aluminiowej, oplotu miedzianego lub aluminiowego. Przewód może posiadać ekran pojedynczy lub podwójny. Przede wszystkim, żeby ekran mógł spełniać swoją funkcję musi zostać uziemiony. Więcej na ten temat w naszym artykule „Przewód z ekranem – dlaczego warto stosować. Do przewodów sterowniczych ekranowanych zalicza się na przykład dostępne w naszym asortymencie przewody typu: LIYCY, JZ-500-C, czy IGUS serii: CF2 ,CF6, CF10.

Przewody nieekranowane wszystkie przewody bez ekranu, np. JZ-500, LIYY.

Przewody skręcane (skrętki) zbudowane z jednej lub większej liczby par przewodów, skręconych ze sobą, w celu eliminacji wpływu zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) oraz zakłóceń wzajemnych – zwanych przesłuchami. Istotny parametrem jest w nich tzw. skok skrętu żył. Im skok jest mniejszy tym przewód wykazuje lepszą giętkość. Poza tym na giętkość przewodu wpływa sposób w jaki żyły są wykonane, tzn. czy są w postaci drutu czy tzw. linki. Przewody z żyłami linkowi również są bardziej odporne na zginanie, niż te z żyłami wykonanymi z pojedynczego drutu.

Przewody nieskrętne (liniowe) analogicznie do przewodów skręcanych, żyły w takich przewodach poprowadzone są równolegle względem siebie, bez dodatkowego skręcenia. Stosowane raczej do odbiorników stałych.

Przewody do odbiorników ruchomych – różnią się od przewodów do aplikacji stałych przede wszystkim zwiększoną odpornością na ruchy mechaniczne, takie jak wielokrotne zginanie, gięcie czy skręcanie. Żyły takich przewodów wykonane są zazwyczaj w postaci linki (splot cieńszych drucików), która lepiej znosi” obciążenia związane w gięciem. Aby zapobiec szybkiemu zużyciu lub uszkodzeniu izolację przewodu wykonuje się z odpowiedniego materiału polimerowego, wykazującego wzmocnioną odporność na wspomniane ruchy mechaniczne. W przypadku przewodów ekranowanych również ekran jest wzmocniony. Jak wzmacnia się ekran? Przede wszystkim wykonuje się go z miedzi w formię oplotu i dodatkowo poddaje procesowi cynkowania. Przewody do aplikacji ruchomych układa się także w tzw. prowadnikach. Przykładowym przewodami są np. chainflex®M marki igus®, posiadające gwarancję niezawodności miliona cykli związanych z ruchem. Także polska firma ELPAR posiada szeroki asortyment przewodów do odbiorników ruchomych.

Przewody do odbiorników stałych nie muszą być giętkie, w związku z czym żyły takich przewodów wykonane są w formie drutu. Ekran i izolacje również nie wymagają dodatkowego wzmocnienia, tak jak ma to miejsce w przypadku przewodów do odbiorników ruchomych.

Przewody z żyłami miedzianymi lub aluminiowymi – przewody miedziane są częściej stosowane ze względu na lepszą wytrzymałość mechaniczną, lepszą konduktywność właściwą i łatwiejsze łączenia. Jednak ze względu na niższą wagę i cenę stosuje się również przewody aluminiowe.

Na izolacje przewodów mogą być nałożone dodatkowe warstwy ochronne w postaci powłoki, pancerza (wykonanego z metalowej taśmy lub drutu) lub odzieży (materiał włóknisty). Zabiegi te mają na celu zwiększenie ochrony przed czynnikami atmosferycznymi i uszkodzeniami mechanicznymi.

Na rynku dostępne są także przewody z izolacją bezhalogenową i halogenową.

W przewodach bezhalogenowych do ich produkcji nie wykorzystuje się chloru, fluoru, bromu i jodu, tak jak w przypadku przewodów halogenowych, co jest bezpieczniejsze i bardziej ekologiczne w razie pożaru. Specjalne tworzywo izolacji przewodu bezhalogenowego ogranicza do minimum rozprzestrzenianie się płomieni podczas pożaru, jak i redukuje wydzielanie trujących gazów i emisję dymów.

Przewody halogenowe z kolei duszą płomienie i pozwalają ochronić kabel w razie pożaru, jednak wiąże się to z wydzielaniem przez nie szkodliwych toksycznych i korozyjnych substancji, co tak naprawdę doprowadzić może do jeszcze większych strat.

Obwody sterownicze pracują przy niskich poziomach mocy, pomimo to powinny charakteryzować się wysoką niezawodnością, między innymi dla zapewnienia bezpieczeństwa. Dlatego tak istotną rzeczą jest dobór odpowiedniego przewodu czy też kabla, odpornego na działanie czynników zewnętrznych, takich jak: wilgoć, obecność substancji chemicznychw tym oleju, długotrwałą ekspozycje na słońce, wysoką lub niską temperaturę, zakłócenia elektromagnetyczne, wielokrotne zginanie itp. Należy ponadto dodać, że nawet w przypadku awarii któregokolwiek elementu obwodu sterowniczegow tym przewodu nie powinno dojść do sytuacji, podczas której nastąpi nieoczekiwane, niebezpieczne zachowanie się sterowanego urządzenia.

Przewody do zasilania silników za pomocą falownika

Falownik jest urządzeniem elektrycznym zamieniającym prąd stałyktórym jest zasilany na prąd przemienny o regulowanej częstotliwości wyjściowej. Zastosowana w falowniku modulacja szerokości impulsów (PWM) pozwala zmienić szerokość impulsu poprzez modyfikacje długości trwania jednego impulsu w czasie, co z kolei pozwala równolegle regulować wartością skuteczną napięcia wyjściowego. Falowniki wykorzystywane są zazwyczaj do regulacji prędkości obrotowej klatkowych silników indukcyjnych. Obecnie stanowią wydajny sposób regulacji prędkości i mają szerokie zastosowanie w rozwiązaniach przemysłowych.

Aby falownik zapewniał prawidłowe użytkowanie i bezawaryjną pracę wymagane jest zastosowania właściwych kabli oraz przewodów, tzn:

– Żyły przewodów do falowników powinny być w postaci linki, wówczas to uzyskuje się lepszą giętkość przewodu.

– Dla zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej (ECM) przewody muszą być podwójnie ekranowane z oplotem miedzianym i folią aluminiową. Ekranowanie powoduje, że uzyskuje się niski poziom zakłóceń elektromagnetycznych oraz dobre tłumienie niepożądanych sygnałów o niskich i wysokich częstotliwościach. Należy unikać pojedynczych ekranów a także pamiętać o ich odpowiednim uziemieniu.

– Przewody należy prawidłowo dobrać do mocy silnika, np. dla napięcia 3x400V AC przewód powinien posiadać odporność napięciowe nie do 400V tylko do 600V.

– Izolacja powinna być odporna na tzw. stromość narastania napięcia. W przeciwnym wypadku może dojść do przebicia, które z kolei może doprowadzić do nieodwracalnych uszkodzeń.

– Izolacje w przewodach do falownika wykonuje się z polietylenu usieciowanego XLPE, która zwiększa obciążalność prądową, zachowując przy tym niską pojemność przewodu w stosunku do przewodów z izolacją PVC.

Falowniki należą do urządzeń pracujących przy wyższych częstotliwościach. Wzrost częstotliwości w przewodzie powoduje, że płynący prąd zmienny, a dokładniej gęstość prądu, rozkłada się w przekroju poprzecznym przewodnika nierównomiernie.

Pojęcie gęstości prądu określa natężenie prądu elektrycznego przypadającego na jednostkę powierzchni przekroju poprzecznego przewodnika. Dla wyższych częstotliwości gęstość jest większa na powierzchni przewodnika i maleje w miarę wnikania do jego wnętrza (środka). Taki efekt powoduje tym samym wzrost rezystancji przewodnika, ponieważ niewykorzystany zostaje cały przekrój poprzeczny do przesyłania prądu. Prąd bowiem w większości płynąć będzie po cienkiej powierzchni zewnętrznej żyły, pomijając jej wnętrze. Zjawisko to nazywane jest naskórkowością i zależy od: częstotliwości, rezystywność przewodu oraz przenikalności magnetycznej ośrodka. Pojawienie się naskórkowości w przewodniku jest niepożądane, ponieważ generuje straty mocy. Im wyższa częstotliwość sygnału tym efekt naskórkowości staje się silniejszy i tym samym rośnie rezystancja przewodu.

Naskórkowość nie jest możliwa do całkowitego wyeliminowania, pomimo to stosuje się metody obniżające jej działania. Na przykład w elektronice mocy, dla których wymagana jest duża obciążalność prądowa, używa się tzw. przewodów licowych (typu linka). Ich cechą charakterystyczną jest to, że złożone są z dużej liczby cienkich przewodów (o średnicy dobranej do przewidywanej częstotliwości pracy), izolowanych względem siebie (lakier, oplot jedwabny lub bawełniany) oraz odpowiednio przeplatanych, tak że każdy z przewodów ma taką samą rezystancję zastępczą.

Z kolei w elektrotechnice w celu zminimalizowania naskórkowości stosuje się różne rozwiązania w budowie przewodów, a także różne rodzaje materiałów izolacyjnych. Także żyły przewodów wykonuje się w postaci linki zamiast z drutu. Każdy przewód, czy też kabel, jedno– lub wielożyłowy, charakteryzuje się własną indukcyjnością oraz pojemnością pasożytniczą. Na wielkość pojemności przewodu wpływa zarówno rodzaj wprowadzonego pomiędzy elementy przewodzące izolatora, jak i geometria całego układu. Modyfikacja tych dwóch parametrów pozwala zmniejszyć wspomnianą pojemność pasożytniczą. Jej działanie występuje pomiędzy żyłami roboczymi, a także pomiędzy żyłami a ekranem. Aby zmniejszyć działanie pojemności pasożytniczej w przewodzie wykonuje się następujące zabiegi:

– Zastosowanie odpowiedniego materiału izolacyjnego o niskiej przenikalności dielektrycznej i odpowiedniej wytrzymałości napięciowej i stromościowej – np. zamiast powłoki PVC używa się polietylenu PE jako materiału izolacyjnego, który charakteryzuje się m.in. niską przenikalnością dielektryczną. Pozwala to na obniżenie tzw. prądu upływu pomiędzy żyłami.

– Zwiększenie odstępów izolacyjnych pomiędzy żyłami tak jak powyżej również obniża się dzięki temu niepożądany prąd upływu pomiędzy żyłami.

– Zastosowanie dodatkowej izolacyjnej warstwy dystansowanej pomiędzy żyłami a ekranem oddalenie ekranu od żył pozwala uzyskać obniżoną pojemność i redukcję prądu upływu pomiędzy żyłami a ekranem (tzw. prąd ekranowy).

Przykładowym przewodem do sterowania silnikiem z falownika jest popularny 2XSLCY-J marki BITNER, natomiast do przesyłania danych służy przewód 2YSLCY.

Serwoprzewody

Serwomechanizmy (serwonapędy) to urządzenia składające się z silnika elektrycznego, układu elektronicznego i przekładni zębatej. Wszystkie te elementy zamknięte są we wspólnej obudowie.

Do sterowania serwomechanizmami służą tzw. serwoprzewody. W dużych zakładach produkcyjnych nierzadko muszą pomostować dziesiątki metrów między szafą sterowniczą a napędem, i to bez utraty wydajności. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy serwoprzewód podobnie zresztą jak przewód do falownika ma niską pojemność i tłumienność. Niską pojemność uzyskuje się poprzez odpowiedniej zaprojektowaną budowę oraz odpowiednio dobrany materiał izolacyjny. Przykładowo do izolacji rdzenia wykorzystuje się polietylen usieciowany XLPE lub polipropylen PP, a izolację zewnętrzną wykonuje się ze specjalnego elastomeru termoplastycznego, który pozwala na długość układania o około 40% dłuższą niż w przypadku konwencjonalnych rozwiązań, bez utraty wydajności. Sam rdzeń również tak jak w kablach do falowników wykonuje się w postaci linki. Pozwala to m.in. ograniczyć omawiany wcześniej efekt naskórkowości.

Serwoprzewody spełniają również wiele wymagań w zakresie odporności na olej, ognioodporności i odporności na promieniowanie UV. Przykładowy ekranowany serwoprzewód Ölflex Servo 728 CY marki Lapp jest odpowiedni dla większości enkoderów analogowych i przyrostowych stosowanych w serwonapędach wielu producentów. Izolacja rdzenia wykonana z polipropylenu (PP) pozwala na duże odległości transmisji.

Wysokie koszty serwoprzewodów wynikają głównie z połączenia rdzenia z danym tworzywem sztucznym. Jest to bardzo skomplikowane w produkcji, a zatem również kosztowne.

Do sterowania serwomechanizmami stosuje się wyłącznie przewody z ekranem o wysokiej jakości jego wykonania. W asortymencie firmy igus® serwoprzewody oznaczane są serią: CF21, CF27, CF29, CF210, CF220, CF270, CF280, CF887, CF897.

Przewody do transmisji danych

Rozwój komputeryzacji sprawił że obecny przemysł przeniósł się na wyższy poziom zaawansowania technologicznego. Współcześnie mamy do czynienia z tak zwaną czwartą rewolucją przemysłową (niem. Industrie 4.0). Rewolucja ta opiera się między innymi na wykorzystaniu różnego rodzaju przetwarzania i wymiany danych, w każdej gałęzi przemysłu. Coraz więcej informacji jest pobieranych z maszyn i urządzeń, przesyłane one są do komputerów i następnie poddawane dalszej analizie – np. w celu zarządzania zakładami przemysłowymi. Dzięki temu można w łatwiejszy sposób planować produkcją, analizować, optymalizować, czy monitorować cały zakład wytwórczy jak i pojedyncze maszyny i urządzenia w nim występujące. Właśnie dlatego obecnie w automatyce na znaczeniu zyskały przewody do transmisji danych. W porównaniu do przewodów sterowniczych charakteryzują się stosunkowo małym średnicami przekrojów żył. Poza tym także wykazują się dobrą elastycznością oraz zapewniają wysoki poziom ekranowania co gwarantuje doskonałą jakość sygnału.

Podstawowymi wymaganiami jakie powinny spełniać przewody do transmisji danych jest zapewnienie:

– bezpieczeństwa związanego z przesyłem danych,

– dużej szybkości transmisji danych,

– odporności na mogące pojawić się zakłócenia elektromagnetyczne,

– tłumienności oraz odpowiedniej pojemności w przypadku transmisji szeregowej przy użyciu magistrali komunikacyjnej RS-232,RS-422 lub RS485.

W transmisji danych stosuje się:

– przewody miedziane do sieci komputerowych LAN

– przewody do połączeń w systemach BUS

– światłowody

Przewody miedziane do sieci komputerowych LAN

Do stworzenia sieci komputerowych LAN używa się skrętek miedzianych. Mogą być one stosowane na drugorzędnym, trzeciorzędnym lub wyższym poziomie sieci. Do takich przewodów zalicza się skrętki o różnym sposobie ekranowania, np. U/FTP, F/UTP, Sc/FTP, F/FTP, spośród których ostatnie dwie zapewniają najlepszą ochronę przed szumem zewnętrznym i obcym przesłuchem. Znacznie częściej spotkać się można ze skrętkami nieekranowanymi, o oznaczeniu U/UTP. Spowodowane to jest ich niższą ceną. Ogólnie przewody z ekranem lepiej zabezpieczają przez oddziaływaniem zakłóceń zewnętrznych na przesyłany sygnał. Tworząc sieć LAN w firmie i biorąc pod uwagę potrzebny metraż przewodów, często okazuje się, że różnica w cenie pomiędzy zakupem przewodów ekranowanych lub nieekranowanymi jest dość znaczna, stąd większa popularność przewodów U/UTP.

Przewody do połączeń BUS´owych

Skrót BUS pochodzi z języka angielskiego i oznacza magistrale komunikacyjną, która – ogólnie ujmując – służy do przysyłania sygnałów między połączonymi urządzeniami w systemach mikroprocesorowych. Znanymi magistralami komunikacyjnymi w przemyśle jest Profbus, Interbus, Profinet, CANbus, DeviceNet Asi i Ethernet. Magistrale służą przede wszystkim do zarządzania procesami przemysłowymi. Ze względu na wysokie prędkości przesyłu i większy przepływ danych, np. w systemach sortowania lub liniach montażowych, standardowe kable miedziane często nie są wystarczająco wydajne, co sprawia, że konieczne staje się użycie kabli BUS´owych. W zależności od rodzaju przewody BUS´owe mogą być stosowane do skręcania, w trudnych warunkach klimatycznych, przy wąskich promieniach lub szczególnie długich dystansach, jak również przy dużych prędkościach i przyspieszeniach. Przewody typu BUS wykorzystywane są do szeregowej i równoległej transmisji danych. Przykładowymi przewodami są chainflex® CFBUS marki igus®,z izolacją zewnętrzną TPE i różną ilością skręcanych żył. Izolacja TPE wykonana jest z bardzo elastycznego tworzywa, porównywalnego do gumy i przez to odznacza się najniższym zużyciem. Przekłada się to jednak na wyższą cenę tych przewodów. Poza tym dostępne są także przewody CFBUS z izolacjami PUR lub PVC, które wykazują nieco gorsze właściwości pod względem elastyczności i wytrzymałości. Przewodami BUS´owych marki igus® są także serie CF11, CF888, CF898 oraz przeznaczona do robotów przemysłowych seria CFROBOT8. Obecnie przekroje przewodów BUS´owych ze względu na cyfrowe instalacje automatyki są znacznie cieńsze w porównaniu do ich odpowiedników w starszych instalacjach analogowych, co znacznie ułatwia ich prowadzenie i ułożenie. Najczęściej stosowanymi interfejsami w sieciach przemysłowych jest RS485, a także RS232 i RS422.

Światłowody

Światłowód to specjalny rodzaj przewodu, w którym nośnikiem informacji jest fala świetlna wygenerowana przez nadajnik umieszczony na jednym końcu włókna światłowodowego. Nadajnikiem może być np. laser półprzewodnikowy lub dioda LED. Występują różne rodzaje światłowodów, różnią się one między sobą pod względem:

– geometrii,

– struktury modowej,

– rozkładu współczynnika załamania,

– rodzaju stosowanego materiału.

Światłowody zbudowane są z dwóch zasadniczych warstw tj, rdzenia, w którym porusza się światło oraz z otaczającego rdzeń płaszcza, którego funkcją jest zamknięcie światła przesyłanego wewnątrz rdzenia. Oprócz tego całość, w zależności od wykonania, otoczona jest warstwą lub kilkoma warstwami ochronnymi.

Rdzeń światłowodu może być wykonany ze szkła kwarcowego, tworzywa sztucznego o podobnych parametrach, a także z arsenku galu (GaAs) – w przypadku światłowodu półprzewodnikowego.

Płaszcz światłowodu (otaczający rdzeń) musi być zbudowany z takiego materiału, aby wykazywał mniejszy współczynnik załamania światła od rdzenia. Materiałem na budowę płaszcza jest najczęściej odpowiedni rodzaj polimeru.

Światłowód zalety

– bardzo duża przepustowość pojedynczego włókna (rdzenia),

– mała tłumienność sygnału,

– mała masa własna,

– całkowita odporność na działanie pól elektromagnetycznych,

– odporność na przesłuchy,

– brak jakiegokolwiek wpływu na środowisko, tzn nie emitują pola elektromagnetycznego,

– wieloletnia niezawodność,

– powyższe zalety sprawiają, że światłowody są odpowiednie do przesyłania sygnałów na dalekie odległości.

Światłowód wady

– kruchość kabli, przez co są mało odporne na zgięcia czy zgniatanie. W światłowodach występują z tego powodu ograniczenia związane z minimalnym promieniem gięcia, który jest znacznie większy niż dla przewodów miedzianych. Minimalny promień gięcia podaje się zwykle jako wielokrotność średnicy przewodu, i tak o ile np. dla przewodów miedzianych UTP minimalny promień gięcia wynosi ok. 4D, o tyle dla światłowodów jest to już około 20D,

– duże koszty elementów pośredniczących w transmisji – konieczność stosowania nadajników, konwerterów, switchów,

– montaż musi być wykonany z najwyższa precyzją w zamian za uzyskuje się długoletnią bezawaryjną pracę, co pozwala obniżyć koszty użytkowania i konserwacji.

Pojedynczy światłowód odpowiada jedynie za transmisję jednokierunkową. Transfer w obie strony umożliwiają światłowody podwójne. Obecnie dostępne są na rynku światłowody, które w swojej budowie zawierają specjalne domieszki materiałów, przez co wykazują zwiększoną wytrzymałość na zginanie. Firma igus® również posiada w swoim asortymencie przewody światłowodowe z rdzeniem wykonanym z włókna szklanego, światłowody polimerowe (POF) lub światłowody krzemowe (HCS), zapewniające najmniejszy mechaniczny promień gięcia do e-prowadników, wynoszący nawet 5D.

Jeżeli chodzi o automatykę to są one stosowane na przykład w przypadkach, w których użycie kabli elektrycznych stwarza zbyt wysokie zagrożenie związane z zapłonem. Brak impulsu elektrycznego w światłowodach oznacza bowiem brak jakiegokolwiek zapłonu. Pomimo to światłowody stosowane są raczej w przemyśle telekomunikacyjnym, np. typu Ethernet, czy do przesyłania na dalekie odległości, niż w sterowaniu maszyn. Popularność zyskały także w kopalniach, gdzie ryzyko związane z wybuchem jest wysokie.

Zwiększanie długości kabli miedzianych powoduje zauważalne zwiększenie tłumienności, co powoduje zmniejszenie szybkości transmisji danych. Kable światłowodowe są znacznie lepsze w przypadku dalekich połączeń i umożliwiają osiągnięcie szybkości przesyłu na ponad 10 Gb/s i to przy odległościach powyżej 40 km. W przypadku okablowania sterującego wciąż większą popularnością cieszą się klasyczne przewody miedziane, co nie oznacza, że w niedalekiej przyszłości to się nie zmieni.

Kable do Ethernetu

Dla automatyzacji w dobie czwartej rewolucji przemysłowej istotne znaczenie ma również Ethernet. Ethernet jest technologią, która łączy poszczególne sieci lokale LAN i zapewnia komunikacje pomiędzy urządzeniami, za pomocą odpowiedniego protokołu stanowiącego wspólny język sieci. Sieć LAN natomiast tworzą urządzenia elektroniczne i komputery (określane węzłami) podłączone do wspólnego serwera, które obejmują niewielki obszar np. pokój, biuro, dom, budynek.

W zależności od wymagań kable do Ethernetu różnią się szybkością i zasięgiem przesyłu danych. Wczesne wersje Ethernetu, np. 10BASE5 stanowił gruby 12mm kabel koncentryczny o impedancji falowej 50 Ω i żółtym kolorze, o długości do 500m. Rzadko jest dzisiaj stosowany, czasami jednak można spotkać jeszcze pracujące instalacje z tym kablem. Obecnie w technologii Ethernetu popularność zdobyły m.in. skrętki ekranowane (U/UTP) lub nieekranowane (F/UTP) 8 żyłowe (4 pary skrętek) oraz światłowody.

Ethernet dzieli się na poniższe typy, które z kolei dodatkowo zawierają także podgrupy w postaci tzw. standardów:

– 10Mb/s szybkość transmisji danych do 10Mb/s, stosuje się głównie kable koncentryczne, np w standardzie 10BASE2 lub nieekranowane skrętki 4 żyłowe (2 pary skrętek) dla standardu 10Base-T.

– Fast Ethernet – jest to obecnie najpopularniejsza sieć Ethernetu z szybkością od 10Mb/s do 100Mb/s. Dla standardu 100BASE-TX stosuje się przewody miedziane nieekranowane typu skrętka U/UTP lub ekranowane zewnętrznie folią skrętki F/UTP, zakończone obustronnie złączem 8P8C. Poza tym wykorzystuje się także przewody światłowodowe jedno i wielomodowe (standard 100Base-LX10). Dla jednomodowych zasięg wynosi 10km, dla wielomodowych 550m.

– Gigabit Ethernet – szybkość transmisji od 100Mb/s do 1Gb/s. W zależności od standardu stosuje się także światłowody (np. 1000BASE-LX) lub kable miedziane. W przypadku jednej pary skrętki w kablu kategorii 6 można przenosić do 125Mb/s. Aby uzyskać transmisje 1Gb/s, to jest 1000Mb/s, należy użyć 4 par skrętek oraz zmodyfikować układ transmisyjny dający możliwość przesyłu 250Mb/s na jednej skrętce. Dla 1000BASE-T popularne są skrętu kategorii 5 lub wyższej.

– 10Gigabit Ethernet – szybkość od 1Gb/s do 10Gb/s. W standardach takiego Ethernetu przeważają światłowody jednomodowe, mogące transmitować sygnał na odległość nawet 80km (standard 10GBASE-ZR). Standard 10GBASE-T umożliwia transmisje 10Gb/s na odległość 100m kablem typu skrętka kategorii 6A, dla kategorii 6 maksymalna długość kabla nie powinna przekraczać 55m.

– 100Gigabit Ethernet – w tej grupie wspierane są 2 rodzaje szybkości, tj 40Gb/s lub 100Gb/s. Dostępne są różne metody osiągania wyższych szybkości transmisji danych w szczególności dotyczące wartości 100 Gb/s. Jedna z metod polega na równoległej transmisji za pomocą 10 przewodów miedzianych lub 10 dupleksowych (dwukierunkowych) światłowodów wielomodowych, z których każdy transmituje 10 Gb/s. Inna metoda polega na transmisji 25Gb/s poprzez 4 światłowody wielomodowe, przy użyciu techniki WDM (ang. Wavelength Division Multiplexing), czyli zwielokrotniania sygnału za pomocą podziału długości fali światła laserowego na klika lub nawet kilkaset fal o różnych długościach, przesyłanych w tym samym czasie. Dzięki technice WDM każdy z czterech światłowodów przesyła fale, dające możliwość przesyłu 25 Gb/s co daje łącznie 100Gb/s. Technologia WDM jest pojęciem ogólnym i w zależności od ilości dostępnych kanałów wyróżnia się bardziej szczegółowy podział na technologie CWDM (ang. Coarse Wave Division Multiplexing) i DWDM (ang. Dense Wavelength Division Multiplexing). Środkami transmisji mogą być tutaj światłowody wielomodowe MMF (ang. Multi Mode Fiber), szerokopasmowe światłowody wielomodowe WBMMF (ang. Wideband Multimode Fiber), jak i kable miedziane typu Twinaxial z portami SFP+.

Ethernet dzieli się kategorie, w których głównym kryterium podziału jest szybkość transmisji danych. Każda wyżej opisana kategoria Ethernetu posiada także własne rodzaje standardów, które określają budowę lokalnych sieci komputerowych. Standardy (podgrupy) obejmują m.in. specyfikację użytych przewodów oraz specyfikację przesyłanych nimi sygnałów.

Liczba robotów wykorzystywanych w produkcji szybko rośnie przez co wzrasta zapotrzebowanie na bezpieczną komunikację między robotami, osiami, systemami sterowania i nadrzędnymi systemami. W celu sprostania obecnym wymaganiom rynku firma igus® wypuściła na rynek serię przewodów CFROBOT8.PLUS. Ponadto popularnym przewodem do Ethernetu jest także seria CF14.

Kolory przewodów w automatyce przemysłowej

W automatyce i nie tylko stosuje się różne kolory izolacji kabli i przewodów. Ich zastosowanie ma na celu rozróżnienie oraz łatwiejsze określenie funkcji, jaką dany przewód spełnia w urządzeniu. Dobór kolorów nie jest przypadkowy, dla prądu stałego (DC) przedstawia się następująco:

– Czerwony– potencjał dodatni

– Czarny lub niebieski potencjał ujemny

Dla prądu przemiennego (AC):

– Brązowy, czarny, biały, szary, czerwony, fioletowy jeden z kolorów zawsze oznacza przewód fazowy (L), dobór jest dowolny i zależy od producenta

– Niebieski– jest to przewód neutralny (N)

– Żółtozielony – jest to oznaczenie przewodu ochronnego (PE i PEN), który chroni przed porażeniem prądem.

Oznaczenia przewodów i kabli

Poza kolorami na przewodach i kablach stosuje się także oznaczenia cyfrowe i literowe, w poniższej kolejności (Rys.1) i dotyczą one:

– identyfikacji (np. A-typ autoryzowany) [1]

– napięcia znamionowego (np. 03-300/300V, 11-600/1000V) [2]

– materiału izolacji (np. X-polietylen usieciowany XLPE, V-polichlorek winylu) [3]

– materiału dodatkowej powłoki (np. R-guma naturalna, S-silikon, T-oplot tekstylny, Q-poliuretan) [4]

– informacji uzupełniających (np. H5 – dwa lub więcej rdzeni skręconych ze sobą) [5]

– rodzaju żyły (np. U-drut, H-linka bardzo giętka do odbiorników ruchomych, R-linka sztywna) [6]

– ilości żył w przewodzie (np.1-jednożyłowy, 4-czterożyłowy) [7]

– informacji o występowaniu żyły ochronnej (N-brak, G-przewód z żyłą ochronną) [8]

– przekroju znamionowego żył w mm2 (np. 0,75-przekrój każdej żyły wynosi 0,75 mm2) [9]

Rys.1 Kolejność oznaczania kabli

Przykładowe oznaczenie kabli:

DY750 1×2,5mm2 – przewód miedziany w postaci drutu (D) z izolacją poliwinitową (Y) na napięcie 750V, przekrój żyły 2,5mm.

Szczegółowe wyjaśnienie poszczególnych liter i cyfr opisujących dany rodzaj przewodu określa Polska Norma PN-EN 60446:2010, jak i Europejski Komitet Normalizacyjny Elektrotechniki (CENELEC).

Podsumowanie kabli i przewodów w automatyce przemysłowej

Przewody i kable w automatyce stanowią istotne znaczenie, ponieważ odpowiadają za komunikacje i sterowanie, wpływają na działanie, niezawodność, jak i trwałość poszczególnych maszyn i urządzeń. Aby dobrać odpowiedni przewód należy uwzględnić wiele czynników, takich jak: wymagana szybkość przesyłu danych, odległość na jaką chcemy te dane przesyłać, to czy przewód będzie narażony na ciągłe zginanie, ruch, działanie substancji chemicznych, czy będzie przesyłać sygnały w środowisku narażonym na działanie pól elektromagnetycznych i wiele innych. Co więcej, przy doborze przewodu czy kabla należy także kierować się rozsądkiem i względami ekonomicznymi. Z całą pewnością warto zainwestować w przewody renomowanych marek, które poddawane są wielokrotnym, rzetelnym testom w takich samym warunkach do jakich zostały zaprojektowane, m.in. pod kątem wytrzymałości i pojemności, przez co gwarantują wieloletnie niezawodne działanie. Poza tym nie wszyscy producenci prowadzą badania nad takimi parametrami jak pojemności własna przewodów. Podane dane są wówczas oszacowane i pomimo opisu mogą się w rzeczywistości różnić

Dzięki dobrze dobranym przewodom na pewno zminimalizowane zostanie ryzyko pojawienia się awarii w postaci uszkodzenia przewodu, co w następnej kolejności doprowadzić może do znacznie większych kosztów związanych z postojem czy naprawą maszyn i urządzeń. Solidny i dobrze dobrany przewód to także zwiększone bezpieczeństwo pracy.

Zapraszamy do przeczytania artykułu:

Prowadniki kablowe – dobór, montaż, zastosowanie

UdostępnijShare on FacebookShare on Google+Tweet about this on Twitter

Powiązane produkty

Newsletter
Bądź na bieżąco