วิธีสร้างระบบไฟฟ้า การสื่อสาร และระบบความปลอดภัยที่แข็งแกร่งสำหรับระบบอัตโนมัติในโรงงาน

ระบบไฟฟ้า การสื่อสาร และความปลอดภัยเป็นองค์ประกอบสำคัญของโรงงานสมัยใหม่ที่ช่วยให้การทำงานของเครื่องจักรมูลค่าหลายล้านเหรียญที่เชื่อมต่อกันมีความน่าเชื่อถือ นอกจากนี้ ระบบสายไฟของส่วนประกอบที่สำคัญเหล่านี้จะต้องใช้งานได้อย่างน่าเชื่อถือเป็นเวลาหลายปีและจะต้องรับมือกับความร้อนและการสั่นสะเทือน รวมถึงจัดการกับความท้าทายต่างๆ เช่น แรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ผันผวน ความชื้น และฝุ่นละอองในระดับสูง

การรวมระบบสายไฟที่ครอบคลุมเข้ากับโรงงานนั้นยากและมีราคาแพง และควรเป็นงานที่ควรทำให้เสร็จเพียงครั้งเดียวเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องแน่ใจว่าชุดสายไฟ ตัวเชื่อมต่อ และตู้ควบคุมไฟที่ใช้สร้างระบบที่มีความทนทาน น่าเชื่อถือ และสามารถปรับขนาดได้ เพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐาน โปรโตคอล และข้อบังคับในปัจจุบันและอนาคต

บทความนี้จะกล่าวถึงภาพรวมโดยสังเขปเกี่ยวกับข้อกำหนดของโรงงานสมัยใหม่ จากนั้นจะนำเสนอวิธีการแบบโมดูลาร์ในการสร้างและพัฒนาเครือข่ายระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมโดยใช้ตัวอย่างส่วนประกอบในโลกแห่งความเป็นจริงจาก Molex ซึ่งแสดงให้เห็นว่าวิธีการแบบโมดูลาร์สามารถลดความซับซ้อนในการนำไปใช้และตอบสนองข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม การปฏิบัติงาน ความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ และต้นทุน ในขณะที่ยังคงความยืดหยุ่นเพียงพอที่จะขยายและปรับเปลี่ยนเมื่อมีการขยายโรงงาน

การเดินสายไฟในโรงงานสมัยใหม่

ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม (IA) ได้เปลี่ยนโฉมโรงงานสมัยใหม่ การสื่อสารมีความสำคัญพอ ๆ กับกระแสไฟฟ้าที่ใช้สำหรับไดรฟ์และเซอร์โวมอเตอร์ในเครื่องจักรผลิตสินค้าขนาดใหญ่ และความปลอดภัยก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากมนุษย์และหุ่นยนต์ทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิด ซึ่งความท้าทายสำหรับวิศวกรระบบอัตโนมัติคือการเลือกและติดตั้งเดินสายไฟระบบไฟฟ้า สื่อสาร และความปลอดภัยที่ใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีในปัจจุบัน และยังต้องคอยจับตามองอนาคตในแง่ของความสามารถในการขยายขนาดโรงงาน

ความท้าทายดังกล่าวเป็นความท้าทายที่ยากลำบากเพราะการสร้างโรงงานเป็นการลงทุนสูงและจะต้องมีความทนทาน ตลอดอายุการทำงาน เทคโนโลยีการผลิตจะมีวิวัฒนาการ และระบบสายไฟใช้งานได้ในไม่กี่ปีก่อนหน้านี้อาจไม่เพียงพออีกต่อไป นอกจากนี้ เมื่อกำลังการผลิตเพิ่มขึ้น ระบบที่เพิ่มเข้ามาแต่ละระบบจะต้องมีการเชื่อมต่อของตัวเอง และการเดินสายไฟโรงงานใหม่ไม่เพียงแต่มีราคาแพงและใช้เวลานาน แต่ยังกระทบถึงเครื่องจักรราคาแพงที่ไม่สามารถใช้งานได้อีกด้วย

วิศวกรหันมาใช้ระบบโมดูลาร์มากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อรองรับการเดินสายไฟ สายสื่อสาร และระบบความปลอดภัยร่วมกัน และช่วยให้สามารถขยายโรงงานในอนาคตในรูปแบบของสายสำรอง ส่วนสำคัญของแนวทางนี้คือระบบคอนเนคเตอร์ M23 ซึ่งมาจากเส้นผ่านศูนย์กลางของเกลียวของคัปปลิ้งสายเคเบิลคือ 23 มิลลิเมตร (มม.) ระบบนี้ง่ายต่อการประกอบและทดสอบ และสร้างโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานและการสื่อสารที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ชุดสายไฟ M23 มีเต้ารับ 23 มม. พร้อมตัวเมีย 8 ขั้ว (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

คอนเนคเตอร์และสายเคเบิล M23 ได้รับการออกแบบมาเพื่อไดรฟ์ไฟฟ้า เซอร์โวมอเตอร์ และเอ็นโค้ดเดอร์ที่ใช้กับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ระบบ M23 ประกอบไปด้วยส่วนแทรกและตัวเรือนที่หลากหลายสำหรับข้อมูล การสื่อสาร และพลังงานรวมกับข้อมูล ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณหรือการส่งกำลังไฟฟ้า ชุดสายไฟ M23 สามารถรับแรงดันไฟฟ้าได้ 250, 630 หรือ 800 โวลต์ที่กระแส 9, 18 หรือ 30 แอมแปร์ (A)

สายเคเบิล M23 ไม่ได้อยู่ภายใต้มาตรฐานสากล อย่างไรก็ตามผู้ผลิตมักปฏิบัติตามคำแนะนำเกี่ยวกับการผลิตชุดสายซึ่งช่วยให้สามารถทำงานร่วมกันได้ ดังนั้น M23 จึงถือได้ว่าเป็นมาตรฐานตามความนิยม

หนึ่งในระบบ M23 คือ M12 ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเกลียวข้อต่อ 12 มม. เนื่องจากไม่ได้ใช้ M12 สำหรับจ่ายไฟ ชุดสายนี้จึงมีขนาดกะทัดรัดกว่า ประหยัดต้นทุนและพื้นที่ (ภาพที่ 2)

รูปที่ 2: ชุดสาย M12 ใช้สำหรับการสื่อสารและความปลอดภัยเท่านั้น มันมีฟอร์มแฟคเตอร์ที่กะทัดรัดกว่า M23 (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

กุญแจสู่ความสำเร็จของ M23/M12 คือความยืดหยุ่น ขั้นแรกนักออกแบบสามารถเลือกที่จะสร้างระบบที่ปรับแต่งเองได้โดยการระบุสายเคเบิล ข้อต่อ เต้ารับ ส่วนแทรก ตัวเรือนของคอนเนคเตอร์ และแม้แต่เส้นผ่านศูนย์กลางของพิน มีคอนเนคเตอร์ให้เลือกทั้งแบบตรงและแบบทำมุม และสามารถจัดหาส่วนแทรกได้โดยใช้จำนวนพินและรูปแบบต่างๆ ผลที่ได้คือประเภทที่ปรับแต่งได้หลากหลายสำหรับแทบทุกการใช้งาน

อีกทางหนึ่งนักออกแบบสามารถเลือกจากชุดสายเคเบิล/คัปปลิ้งหรือสายเคเบิล/เต้ารับที่ให้มาจากโรงงาน ข้อดีของการเลือกผลิตภัณฑ์ที่สร้างไว้ล่วงหน้าคือการประหยัดเวลาในการประกอบ และการรับประกันความสมบูรณ์ของสายเคเบิลและคอนเนคเตอร์ได้รับการทดสอบจากโรงงานแล้ว ข้อเสียคือโซลูชันค่อนข้างจำกัดเมื่อเทียบกับการสร้างตั้งแต่เริ่มต้น อย่างไรก็ตามส่วนประกอบที่สร้างไว้ล่วงหน้ายังมีตัวเลือกคอนเนคเตอร์และความยาวสายเคเบิลที่หลากหลายและครอบคลุมสำหรับระบบอัตโนมัติในโรงงานส่วนใหญ่ รวมถึงเครื่องจักรที่มีการหมุน หุ่นยนต์เชื่อม หรืออุปกรณ์ประกอบอัตโนมัติ

ป้องกันการปนเปื้อน แรงสั่นสะเทือน และ EMC

ด้วยข้อยกเว้นบางประการ เช่น การผลิตอาหาร ยา และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไฮเทค โดยทั่วไปแล้ว สภาพแวดล้อมของโรงงานจะเต็มไปด้วยความชื้น ฝุ่น ไขมัน และสิ่งปนเปื้อนอื่น ๆ ที่เป็นศัตรูของระบบไฟฟ้า ในการใช้งานอื่นๆ โซลูชันสายเคเบิลและคอนเนคเตอร์อาจต้องมีความทนทานต่อสารละลายที่เป็นกรดและด่างที่ใช้ในระหว่างการผลิตและการทำความสะอาด ทำให้จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องต้านการซึมผ่านของของเหลว อนุภาค และสารอื่น ๆ ทั้งหมด

ความต้านทานจำเพาะต่อสารปนเปื้อนที่ต้องการจะเปลี่ยนแปลงไปตามข้อกำหนดของโรงงาน ผู้ผลิตจัดหมวดหมู่ผลิตภัณฑ์ของตนอย่างเป็นประโยชน์ตามระบบ IP โดยระดับ IP บ่งบอกถึงระดับการป้องกันที่ผลิตภัณฑ์ได้รับและกำหนดโดยมาตรฐานสากล EN 60529

ระดับ IP ประกอบด้วยตัวเลขสองหลัก ตัวแรกแสดงถึงระดับการป้องกันจากวัตถุที่เป็นของแข็ง ตั้งแต่เครื่องมือหรือนิ้วที่อาจเป็นอันตรายหากพบตัวนำไฟฟ้า ไปจนถึงสิ่งสกปรกและฝุ่นละอองในอากาศที่อาจทำลายวงจรไฟฟ้า ตัวเลขที่สองระบุถึงการป้องกันจากหยดน้ำ สเปรย์ หรือการแช่น้ำต่างๆ โดยมีค่าตั้งแต่ IP00 (ไม่มีการป้องกันฝุ่นหรือน้ำ) จนถึง IP69 (การป้องกันทั้งหมดจากฝุ่นและกระแสน้ำที่มีอุณหภูมิสูงและทรงพลัง)

ไม่เพียงแค่มลพิษที่อาจทำให้เกิดปัญหากับระบบไฟฟ้าในโรงงานที่ออกแบบมาไม่ดี การประกอบสายเคเบิลยังอาจได้รับความเครียดจากความร้อน การสั่นสะเทือน และการดัดงอเชิงกล (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หากใช้ในหุ่นยนต์ที่สายเคเบิลสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างต่อเนื่อง) นอกจากนี้ โรงงานต่าง ๆ มักจะใช้มอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ดึงกระแสตอนสตาร์ทปริมาณ ทำให้เกิดไฟกระชากและแรงดันไฟ และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่อาจทำให้ระบบสื่อสารที่ละเอียดอ่อนเสียหายได้

ชุดสายเคเบิล M23 และ M12 ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อจัดการกับสภาพแวดล้อมในโรงงาน และข้อต่อแบบขันสกรูจะต้านทานการสั่นสะเทือนและโหลดทางกล สำหรับสภาพแวดล้อม EMI ที่ท้าทาย ผู้ผลิตชุดสายเคเบิลมักเสนอตัวเลือกที่มีการป้องกันในตัว

ตัวอย่างเช่น Molex นำเสนอสายไฟที่ทนทานเป็นพิเศษด้วยชุดสายไฟ M23 ขึ้นรูป Brad^® 120480 ชุดสายเคเบิลเหล่านี้สร้างขึ้นสำหรับสภาพแวดล้อมที่ละเอียดอ่อน โดยมีคุณสมบัติต่าง ๆ เช่น ปลอกหุ้มด้วยพลาสติกเพื่อป้องกันข้อต่อสายเคเบิล/คอนเนคเตอร์ และตัวเลือกการป้องกัน EMI โดยมีความยาวแบบไม่ต่อเนื่องตั้งแต่ 1 เมตร (ม.) ถึง 20 ม. และมีสีส้มเพื่อให้มองเห็นได้ชัดเจน (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ชุดสายไฟ 120480 M23 จากการขึ้นรูป เพื่อการป้องกันเพิ่มเติมและการแทรกที่หลากหลาย รูปแบบหกและแปดขั้วแสดงไว้ที่นี่ (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

สายเคเบิลมีให้เลือกทั้งแบบหกหรือแปดขั้ว (สาย) แรงดันไฟและกระแสไฟสูงสุดคือ 800 โวลต์และ 18 A โดยมีความต้านทานหน้าสัมผัส 3 โอห์ม (Ω) และความต้านทานของฉนวนที่ 100 เมกะโอห์ม (MΩ) ชุดสายไฟสามารถทำงานในช่วงอุณหภูมิ 25°C ถึง +85°C และให้ระดับการป้องกันฝุ่นและน้ำ IP67 เมื่อเชื่อมต่อแล้ว

ข้อดีของระบบโมดูลาร์ เช่น M23 คือ การเดินสายไฟในโรงงานสามารถสร้างและปรับเปลี่ยนได้อย่างรวดเร็วเมื่อมีการขยายโรงงาน ระบบนี้ช่วยให้วิศวกรสามารถเชื่อมต่อเครือข่ายสายไฟเข้าด้วยกันได้อย่างง่ายดาย และเชื่อมต่อสายเคเบิลเข้ากับเครื่องจักรที่ติดตั้งซ็อกเก็ต M23 โดยตรง การเดินสายไม่เพียงแต่ให้แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟสูงที่จำเป็นสำหรับระบบอัตโนมัติในโรงงานเท่านั้น แต่ยังสามารถรองรับระบบการสื่อสารในโรงงาน เช่น Ethernet, EtherCAT, Modbus และ PROFINET ได้อีกด้วย (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: การเดินสาย M23 ช่วยให้ขยายเครือข่ายแบบใช้สายของโรงงานได้ง่ายขึ้นเมื่อมีการเพิ่มส่วนการผลิตใหม่ (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

มั่นใจในความปลอดภัยของโรงงาน

การเชื่อมต่อมีบทบาทสำคัญในโรงงานสมัยใหม่ การควบคุมและอัปเดตอุปกรณ์เป็นส่วนสำคัญของระบบเครือข่าย แต่ความปลอดภัยของระบบอัตโนมัติในโรงงานก็มีความสำคัญเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในที่ที่ผู้คนและหุ่นยนต์ทำงานใกล้ชิดกัน โดยทั่วไปแล้ว หุ่นยนต์จะมีเซ็นเซอร์หลายตัวเพื่อหยุดการเคลื่อนไหวหากผู้ปฏิบัติงานบุกรุกเข้าไปในพื้นที่ทำงาน และเขตความปลอดภัยจะมีประตูที่มีอินเตอร์ล็อคและแผงการเข้าถึง ระบบทั้งหมดเหล่านี้ต้องการการเชื่อมต่อ และเครือข่ายแบบมีสายอาจซับซ้อนและเทอะทะ หากสาขาของเครือข่ายโรงงานหลักใช้เซ็นเซอร์แต่ละตัว (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: พื้นที่ทำงานของหุ่นยนต์ต้องการระบบความปลอดภัยที่สำคัญเพื่อปกป้องผู้ปฎิบัติงานที่เป็นมนุษย์ในสภาพแวดล้อมอัตโนมัติของโรงงาน (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

วิศวกรกำลังทำให้สิ่งต่าง ๆ ง่ายขึ้นโดยใช้ตู้ควบคุมไฟระบบเชื่อมต่อหลายพอร์ต (MPIS) ที่ต่ออยู่กับเครือข่ายหลักของโรงงาน ซึ่งสายควบคุม M12 จะเชื่อมต่อกับเอาท์พุตของตู้เพื่อต่อสายระบบความปลอดภัยของส่วนการผลิต ตัวอย่างคือตู้ควบคุมไฟในระบบความปลอดภัย MPIS IP67 ที่ทนทานของ Molex1202480510 ซึ่งช่วยในการจัดการอุปกรณ์ความปลอดภัยที่ติดตั้งรอบเครื่องจักร (ภาพที่ 6)

รูปที่ 6: ตู้ควบคุมระบบความปลอดภัย MPIS ช่วยลดความซับซ้อนในการเดินสายไฟในขณะที่ประหยัดพื้นที่และค่าใช้จ่าย (แหล่งที่มาภาพ: Molex)

1202480510 มีสายเคเบิลในตัวยาว 5 ม. สำหรับเชื่อมต่อกับเครือข่ายโรงงานหลัก พอร์ต M12 แปดพินสี่พอร์ต และพอร์ต M12 สี่และห้าพินสี่พอร์ตในตัวเรือนเดียว ตู้ควบคุมไฟอนุญาตให้ติดตั้งระบบสายไฟ I/O มาตรฐานในพื้นที่จำกัด ในขณะที่ให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบด้านความปลอดภัยสูงสุด พอร์ตแต่ละพอร์ตสามารถรองรับ DC ได้ถึง 30 โวลต์โดยมีกระแสไฟสูงสุด 4 A (กระแสไฟรวม 12 A สำหรับตู้ควบคุมไฟ) ตู้ควบคุมไฟได้รับการออกแบบสำหรับใช้กับชุดสายไฟ เช่น Molex 1 ม., M12, ชุด Micro-Change 1200652383 แปดขั้ว และสาย 1 ม., M12, สี่ขั้วรุ่น 1200652378

สรุป

ระบบอัตโนมัติในโรงงานจะต้องมีเครือข่ายสายไฟในระบบไฟฟ้า การสื่อสาร และระบบความปลอดภัยที่น่าเชื่อถือและขยายได้ ระบบโมดูลาร์มาตรฐานตามความนิยม M23 และ M12 ทำให้การติดตั้งครั้งแรกง่ายขึ้นและตรงตามข้อกำหนดเหล่านี้ ชุดสายไฟและตู้ควบคุมที่ใช้สร้างขึ้นโดยคำนึงถึงสภาพแวดล้อมที่รุนแรงในโรงงาน ทำให้ทนทานต่อสิ่งสกปรกและความชื้น และสามารถรับมือกับอุณหภูมิสูง การสั่นสะเทือน รวมทั้งความเค้นทางกล