如何构建和发展工业自动化网络

　　电力、通信和安全系统是现代工厂的关键要素，它们使高度连接的价值数百万美元的机器能够可靠运行。此外，这些关键元件的接线系统必须在多年内保持可靠，同时应对热量和振动以及应对输入电源电压波动、水分和高水平颗粒物等挑战。

　　将大量布线集成到工厂中既困难又昂贵；而且，理想情况下，这是一项只应完成一次的工作。因此，重要的是确保用于构成系统的线组、连接器和配电箱坚固、可靠且可扩展，以满足当今和未来的标准、协议和法规。

　　本文简要概述了现代工厂的要求。然后介绍了一种模块化方法，使用Molex的真实组件示例来构建和发展工业自动化网络。它展示了模块化方法如何简化部署并满足核心环境、运营、安全、可靠性和成本要求，同时保持足够的灵活性以随着工厂的发展而扩展和适应。

　　布线明天的工厂

　　工业自动化 （IA） 改变了现代工厂。现在，通信与制造商品的大型机器的驱动器和伺服电机所用的电力一样重要，而且随着人类和机器人紧密合作，安全至关重要。自动化工程师面临的挑战是选择和安装电源、通信和安全布线，以利用当今的技术，同时在可扩展性方面着眼于未来。

　　这是一项艰巨的挑战，因为工厂是一项巨大的投资，而且经久耐用。在其生命周期中，制造技术将不断发展，仅在几年前还令人满意的布线系统可能不再适用。此外，随着生产能力的增加，每个额外的系统都需要自己的连接性，而为工厂重新布线不仅昂贵且耗时，而且还意味着昂贵的机器处于闲置状态。

　　工程师越来越多地转向模块化系统，该系统在同一护套中容纳电源、通信和安全布线，同时允许未来以备用电线的形式增长。这种方法的一个关键部分是 M23 连接器系统，之所以这么称呼是因为电缆耦合器的螺纹直径为 23 毫米 （mm）。该系统相对容易组装和测试，并提供强大而可靠的电力和通信基础设施（图 1），

　　M23 连接器和电缆设计用于维修工业自动化常见的电驱动器、伺服电机和编码器。M23 系统具有一系列用于数据、通信以及组合电源和数据的插件和外壳，使其同样适用于涉及信号或电力传输的应用。M23 线组可以在 9、18 或 30 安培 （A） 的电流下承载 250、630 或 800 伏的电压。

　　M23 布线不受国际标准的约束。然而，制造商通常遵循有关允许互操作性的电线组制造的建议。因此，M23 可以被视为事实上的标准。

　　M23 系统的一个变体是 M12，它具有 12 mm 的耦合螺纹直径。由于 M12 不用于供电，因此线组更紧凑，节省了成本和空间（图 2）。

　　M23/M12 成功的关键在于其灵活性。首先，设计人员可以选择通过指定电缆、耦合器、插座、插入件、连接器外壳，甚至配合引脚的直径来构建自己的定制系统。联轴器有直的和有角度的设计，并且可以采购具有多种销数和图案的插入件。结果是为几乎任何应用程序提供了广泛的可定制变体。

　　或者，设计人员可以从一系列工厂提供的电缆/耦合器或电缆/插座组件中进行选择。选择预制产品的优势在于可以节省组装时间，并确保电缆和连接器的完整性已经过工厂测试。与从头开始构建相比，缺点是解决方案的范围相对有限。然而，预建的范围仍然很广，涵盖了大多数工厂自动化选项的连接器替代品和电缆长度，包括旋转机器、焊接机器人或自动化装配设备。

　　防止污染、振动和 EMC

　　除了一些例外，例如食品、药品和高科技电子产品的制造，工厂环境通常充满湿气、灰尘、油脂和其他污染物，这些污染物是电气系统的敌人。在其他应用中，电缆和连接器解决方案可能需要耐受生产和清洁过程中使用的酸和碱溶液，因此它们能够抵抗所有液体、颗粒和其他物质的渗透至关重要。

　　所需的对污染物的特定抵抗力将根据工厂要求而变化。制造商有助于根据 IP 分类系统对其产品进行分类。IP 等级表示产品提供的防护等级，由国际标准 EN 60529 定义。

　　该方案包括两个数字，第一个数字代表对固体物体的保护水平，从遇到导电体可能会造成危险的工具或手指，到可能损坏电路的空气中的污垢和灰尘。第二个数字定义了对各种滴水、喷雾或浸没的保护。范围从 IP00（无防尘或防水保护）到 IP69（完全防尘和强大的高温水射流保护）。

　　不仅仅是污染物会导致设计不良的工厂电气系统出现问题。电缆组件还可能受到热应力、振动和机械弯曲的影响（尤其是在电缆可以持续运动的机器人应用中）。此外，工厂通常拥有大型电动机，这些电动机会消耗大量启动电流，从而产生功率和电压浪涌以及电磁干扰 （EMI），从而扰乱精密的通信系统。

　　M23 和 M12 电缆组件专为应对工厂环境而设计，其螺纹连接器可抵抗振动和机械负载。对于具有挑战性的 EMI 环境，电缆组制造商通常会提供带有集成屏蔽的选项。

　　例如，Molex 提供一系列特别坚固的电源线及其Brad ® 120480 M23 电源包覆成型电线组。这些电缆组件专为要求苛刻的环境而设计，具有塑料包覆成型护套以保护电缆/连接器接头和可选的 EMI 屏蔽等功能。它们的离散长度从 1 米 （m） 到 20 m 不等，并且为高能见度的橙色（图 3）。

　　电缆有六极或八极（线）版本。最大电压和电流为 800 伏特和 18 安培，接触电阻为 3 欧姆 （Ω），绝缘电阻为 100 兆欧 （MΩ）。这些线组可在 25°C 至 +85°C 的温度范围内运行，并提供 IP67 防尘和防水等级，一旦配接。

　　M23 等模块化系统的优势在于，可以随着工厂的发展迅速建立和调整工厂布线。该系统允许工程师轻松地将布线网络连接在一起，并将电缆末端直接连接到配备 M23 插座的机器上。该接线不仅提供工厂自动化所需的高电压和电流，而且还能够支持以太网、EtherCAT、Modbus 和 PROFINET 等工厂通信系统（图 4）。

　　图 4：随着新制造单元的添加，M23 布线可以更轻松地扩展工厂有线网络。（图片来源：莫仕）

　　确保工厂安全

　　连接性在现代工厂中起着关键作用。控制和更新设备是网络工作的重要组成部分，但工厂自动化安全也很重要，尤其是在人和机器人靠近的地方。该机器人通常具有多个传感器，以在工人侵入工作范围时停止移动，并且安全单元由互锁的门和检修面板完成。所有这些系统都需要连接，如果每个传感器都由主要工厂网络的一个分支提供服务，那么有线网络很快就会变得复杂和笨重（图 5）。

　　图 5：机器人工作单元需要重要的安全系统来保护工厂自动化环境中的工人。（图片来源：莫仕）

　　相反，工程师正在通过使用连接到主要工厂网络的多端口互连系统 （MPIS） 配电箱来简化事情。从那里，M12 控制电缆连接到盒子的输出，以连接制造单元的安全系统。一个例子是 Molex 坚固的 IP67 等级1202480510安全 MPIS 配电箱，它有助于管理安装在机器周围的安全设备（图 6）。

　　电箱简化了安全接线，同时节省了空间和成本。（图片来源：莫仕）

　　1202480510 具有用于连接到主要工厂网络的 5 m 长集成电缆、四个 M12 八针端口以及四个 M12 四针和五针端口在一个外壳中。配电箱允许在有限空间内安装标准 I/O 布线系统，同时最大限度地提高安全设计的灵活性。每个端口可以处理高达 30 伏的直流电压，最大电流为 4 A（配电箱的总电流为 12 A）。配电箱设计用于 Molex 的 1 m、M12、8 极1200652383 Micro-Change 系列和 1 m、M12、4 极1200652378版本等电线组。

　　结论

　　工厂自动化需要强大、可靠和可扩展的电源、通信和安全布线网络。基于 M23 和 M12事实标准的模块化系统简化了初始安装并满足了这些要求。他们使用的电线组和配电箱在制造时考虑到了严苛的工厂环境，使其能够抵抗灰尘和湿气，并能够应对极端温度、振动和机械应力。