Jak wybrać właściwy kabel do zastosowań przemysłowych

Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT) w dużym stopniu opiera się na kablach do przesyłania danych, komend i zasilania pomiędzy maszynami systemami IT i chmurą. Jednak ze względu na zagrożenia fizyczne, środowiskowe i elektryczne, łączność w środowisku produkcyjnym wymaga szczególnej uwagi na etapie doboru kabli i projektowaniu ich przebiegu, a sami projektanci muszą pogodzić ze złożonym zestawem często sprzecznych priorytetów dotyczących wydajności i kosztów.

W tym artykule dokonamy przeglądu wyzwań związanych z okablowaniem, jakie stawia środowisko przemysłowe i IIoT, oraz omówimy różnice między gotowymi rozwiązaniami komercyjnymi (commercial off-the-shelf, COTS) i rozwiązaniami przemysłowymi. Następnie pokażemy, w jaki sposób wybór właściwego kabla może zwiększyć wydajność i obniżyć całkowity koszt posiadania (TCO), kluczowy miernik w planowaniu IIoT.

Rozważone zostaną dwa przykłady zastosowań: kable przemiennika częstotliwości (VFD) do silników elektrycznych i przemysłowe sieci Ethernet. Zostały one wybrane ponieważ ilustrują różne aspekty użycia kabli w fabryce: działanie przy obciążeniu dużą mocą i szybkie przesyłanie danych w sieci.

Środowisko przemysłowe to wróg kabli

Instalacje przemysłowe obejmują zakłady produkcyjne, zakłady przetwarzania ropy i gazu, kopalnie węgla, oczyszczalnie ścieków oraz systemy transportowe, w tym tunele i metro. Wszystkie te środowiska są dla kabli nieprzyjazne, a zagrożenia obejmują oddziaływanie chemiczne, światło ultrafioletowe (UV), wilgoć, oddziaływanie mechaniczne, skrajne temperatury i wibracje (Rysunek 1). Jednocześnie kabel musi zapewniać integralność sygnału i minimalizować jego straty, jak również minimalizować efekty EMI.

Ewentualne awarie mogą zagrozić bezpieczeństwu operatora, spowodować problemy z jakością i być bardzo kosztowne: każda minuta utraconej produkcji to utracone tysiące dolarów.

Zagrożenia mechaniczne dla kabli w fabryce obejmują uderzenia, ścieranie, wstrząsy, naprężenia i wibracje. Ponadto, wiele urządzeń przemysłowych jest w ciągłym ruchu: jak przykład mogą posłużyć wieloosiowe obrabiarki, roboty, turbiny wiatrowe, maszyny pick&place, automatyczne systemy manipulacyjne i systemy przenośników. Kable do tych zastosowań muszą wytrzymywać powtarzalne zginanie przez setki tysięcy cykli.

Zagrożenia związane z wnikaniem czynników obcych obejmują wilgoć, chemikalia i kurz. W wielu branżach stosuje się agresywne chemikalia, a kabel musi wytrzymać długotrwałe narażenie na ich oddziaływanie bez pogorszenia wydajności. Na przykład w przetwórstwie żywności i napojów, aby spełnić rygorystyczne wymagania higieniczne, sprzęt musi być regularnie czyszczony wodą pod wysokim ciśnieniem zmieszaną z agresywnymi chemikaliami. Nieodpowiednio dobrany kabel może umożliwić przenikanie płynów do przewodów.

Okablowanie przemysłowe jest często narażone na działanie elementów zarówno w instalacjach znajdujących się zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz budynków. Wynikające z tego faktu zagrożenia obejmują ekstremalnie wysokie lub niskie temperatury, promieniowanie UV (światło słoneczne), wilgoć, a nawet gryzienie lub inwazyjne korzenie drzew.

Jeśli zaś chodzi o kwestie związane z przepływem prądu, to środowisko przemysłowe oznacza duże prądy, wysokie napięcia, nieodpowiednie uziemienie i zakłócenia elektromagnetyczne, pochodzące ze spawarek łukowych, pieców czy urządzeń HVAC. W przypadku modernizacji fabryk, ograniczenia przestrzenne mogą spowodować, że nowe kable będą prowadzone w pobliżu źródeł zakłóceń, takich jak silniki i generatory.

Porównajmy zagrożenia w środowisku przemysłowym z tymi spotykanymi w typowym środowisku komercyjnym. Instalacje komercyjne, w tym pomieszczenia biurowe, serwerownie i domy, działają w warunkach stabilnego, wytwarzanego przez systemu HVAC klimatu, co przekłada się na stały poziom temperatury i wilgotności kabli. Większość okablowania infrastrukturalnego znajduje się w przestrzeni powietrznej nad płytami sufitowymi lub jest prowadzona wewnątrz ścian, gdzie może leży nietknięta przez lata. Standardowe środowiska komercyjne są na ogół wolne od drobnych cząstek stałych, cieczy i nadmiernych temperatur, więc kable komercyjne nie są narażone na kurz, wilgoć, chemikalia, skrajne temperatury ani promieniowanie UV.

Kable COTS są zaprojektowane tak, aby wytrzymywały tylko te warunki, w których będą używane, tak więc użycie komercyjnego kabla w zastosowaniach przemysłowych niezawodnie doprowadzi do wysokiej awaryjności, strat w produkcji, zwiększonych kosztów i obniżonego bezpieczeństwa. Porównanie dwóch typów kabli w serii standardowych testów pokazuje o wiele wyższe parametry kabli klasy przemysłowej (Rysunek 2).

Rysunek 2: Poddane tym samym testom kable klasy przemysłowej wykazuję o wiele wyższe parametry (Źródło: ©Belden)