Vereenvoudiging van de inzet van industriële apparatuur met behulp van configureerbare modulaire connectors

Bij het overwegen van het maken van signaal- en stroomaansluitingen voor industriële toepassingen zijn er over het algemeen veel stroom-, aard- en signaalaansluitingen die in een krappe omgeving moeten worden gemaakt. Ontwerpers moeten bekabeling van vele typen specificeren, terwijl de voorbereidingstijd, het gemak en de ruimte van de onderlinge verbinding ook kritieke factoren zijn. In deze situaties nemen veel industriële apparatuurontwerpen hun toevlucht tot basis point-to-point "hardwiring" waarbij de technicus de draden één voor één handmatig verbindt.

De realiteit is echter dat deze handleiding ter plekke hardwiring zeer tijdrovend is in het veld, foutgevoelig en daarom kostbaar. Het is vooral kostbaar in verloren tijd, herstelwerkzaamheden en fouten als een ontkoppeling/heraansluiting nodig is om welke reden dan ook, inclusief reparatie, uitbreiding of herinrichting.

De oplossing voor dit efficiëntie-, kosten-, ruimte- en betrouwbaarheidsprobleem is het gebruik van modulaire connectoren, omdat deze flexibel, veelzijdig en gemakkelijk te beheren zijn. Ze kunnen ook worden geleverd met een grote verscheidenheid aan connectorbehuizingen en montageframes die zijn gekoppeld aan door de ontwerper te selecteren mix-and-match-inzetstukken die zijn ontworpen om een breed scala aan specifieke elektrische signalen te verwerken - inclusief stroom, signaal en datatypen - met behulp van kale draden, D-Sub-connectors, coaxiale bekabeling, en zelfs optische vezel en perslucht pneumatiek.

In dit artikel wordt aan de hand van een praktisch voorbeeld een aantal van de problemen met een manuele aanpak belicht. Het zal dan een flexibelere en efficiëntere aanpak introduceren op basis van de Han-Modular-serie-connectors van HARTING , die ook laten zien hoe ze veel bedradingsproblemen oplossen. Een begeleidende Configurator Tool om ontwerpers te helpen snel de optimale connector te bouwen op basis van het Han-Modulair systeem zal worden beschreven.

Punt-tot-punt-hardwiring: snel, gemakkelijk, vaak rommelig

Het lijkt eenvoudiger om basisverbindingen te implementeren met point-to-point hardwiring, maar in veel gevallen wordt die beslissing betreurd. Denk aan het voorbeeld van een upgrade van de bedrading van een eenvoudige "domme" thermostaat met één zone die een tussenrelais tussen de smart unit en de controller van het verwarmingssysteem nodig had, naar een smart unit. De bedrading van die eerste zone was lukraak en zag er rommelig uit, maar was snel geïnstalleerd en werkte. Ook waren er, aangezien het allemaal 24 volt AC was, geen problemen met de blootgestelde bedrading en veiligheid.

Het jaar daarop besloot de huiseigenaar echter de twee andere verwarmingszones te upgraden naar slimme thermostaten. De toegevoegde punt-tot-punt-bedrading werd ook "snel" gedaan en het resultaat was een rattennest dat verbazingwekkend werkte (Afbeelding 1). Hoewel functioneel, is dit geen goede langetermijnaanpak, aangezien deze regeling zeer moeilijk te verhelpen zou zijn als er later een probleem zou ontstaan, en eventuele extra upgrades een nachtmerrie zouden zijn.

Afbeelding 1: Rommelige punt-tot-punt-hardwiring kan het gevolg zijn van de complexiteit van een project of zelfs van een incrementele gelaagdheid van de toegevoegde functionaliteit van een basissysteem, zoals blijkt uit deze bekabeling van de relais voor een upgrade van een driezone-slimme thermostaat. (Bron afbeelding: Bill Schweber)

Deze situatie was onacceptabel om praktische, esthetische en documentatieredenen, dus werd besloten om de hele opstelling op te ruimen en opnieuw te bedraden door middel van harde bedrading met spadeklemmen en schroefklemmenstroken (Afbeelding 2). Dit kostte minder tijd en planning dan het gebruik van drie speciale connectors (één per zone) en werd in dit geval als een aanvaardbaar compromis beschouwd, ondanks meer dan 50 discrete aansluitingen. Deze installatie demonstreerde de ogenschijnlijke voordelen van de hardwerkende punt-tot-punt verbindingen: ze vereisen relatief weinig planning (een schematisch of interconnectief diagram is vaak genoeg), minimale inzet, en kunnen direct worden gestart.

Afbeelding 2: De bedrading van de thermostaatupgrade is verbeterd door de bedrading opnieuw te bedraden met behulp van spadeklemmen en schroefklemmenstroken, maar vereist nog steeds uiterste zorgvuldigheid bij het opnieuw bedraden van meer dan 50 aansluitingen om fouten te voorkomen en toch veel ruimte in beslag te nemen in vergelijking met het gebruik van multicontactconnectors. (Bron afbeelding: Bill Schweber)

De industriële wereld is complexer

In een industriële omgeving zou zelfs die verbeterde bedrading op lange termijn nadelige gevolgen hebben. Het installeren van al die individuele draden vereist meerdere controles van de plaatsing van elke draad ten opzichte van de tekening, evenals het controleren van de fysieke integriteit. Het labelen van elke draad is ook van cruciaal belang, en er zijn meestal ANSI- en ISO-etiketteringsnormen die moeten worden gevolgd. Als de apparatuur moet worden losgekoppeld voor reparatie of verplaatsing, moet het gecompliceerde verbindingsproces ongedaan worden gemaakt en moet het proces worden herhaald.

Uiteraard bieden discrete voorbedrade kabels en paringsconnectors een in eerste instantie aantrekkelijk alternatief. Deze kunnen op voorhand worden gebouwd en getest in een gecontroleerde omgeving, maar brengen ook nieuwe zorgen met zich mee. Veel installaties maken gebruik van een mix van signaaltypen zoals lage en hoge spanningen over een scala van stroomsterktes, sensorsignalen, talrijke soorten datalinks, maar ook Ethernet, optische vezels en zelfs lagedruklucht (pneumatisch). Het resultaat is een gevarieerde verzameling van kabels en connectors, die veel paneelruimte in beslag nemen, die mogelijk moeten worden gesleuteld als er meerdere kabels met hetzelfde type connector zijn en toch tijd nodig hebben om aan te sluiten/af te koppelen.

Er is een oplossing die het multi-kabel/aansluiting dilemma lijkt op te lossen, althans in eerste instantie. Standaard connectors zijn verkrijgbaar met meerdere voedings- en signaalcontacten in een gemeenschappelijke behuizing. Dit is eigenlijk maar een gedeeltelijke oplossing, en wel om twee redenen. Ten eerste zijn ze alleen beschikbaar in vooraf bepaalde, vaste sets van contactnummers en -types, zoals twee posities voor vermogen en zes voor signaal. Ten tweede zijn ze alleen beschikbaar voor basis laag/hoog niveau signaal- en vermogensniveaus, en sommige datasignalen, maar niet voor gigabit Ethernet (GbE), glas of plastic optische vezel, of zelfs lage druk pneumatische (lucht)verbindingen.

Volledige modulariteit: een betere oplossing

Om deze contactbeperkingen te omzeilen, kunnen ontwerpers gebruik maken van de HARTING Han-Modular-serie van connectors. Deze vertegenwoordigen de state-of-the-art op het gebied van mix-and-match flexibiliteit door het aantal en de soorten contacten. De ontwerper selecteert bijna elke combinatie van connectors en contacten en kiest vervolgens een connectorframe om ze samen met een geschikte behuizing vast te houden (Afbeelding 3 en Afbeelding 4).

Afbeelding 3: Door de gebruiker gedefinieerde modulariteit resulteert in het maken van een aangepaste connector met standaardcomponenten. (Bron afbeelding: HARTING)

Afbeelding 4: Het resultaat van het in afbeelding 3 getoonde proces is een compacte, volledig op maat gemaakte, gesloten connectorconstructie met op elkaar afgestemde paringszijden. (Bron afbeelding: HARTING)

De Han-modules ondersteunen connectors en contacten (mannelijk en vrouwelijk) voor stromen van enkele milliampères tot 200 ampère (A), spanningen tot 5.000 volt, pneumatische slangen, datalijnen, afgeschermde bussignalen en zelfs kunststof- of glasvezelkabels. Dat is een elektrisch en mechanisch selectiebereik dat niet in andere multifunctionele stekker-/contactassemblages te vinden is.

Het gebruik van deze connectors maakt de kabel en bedrading tot een pre-engineered taak die kan worden ontworpen, gemonteerd en getest als een complete harnasgordel off-site in plaats van op de installatielocatie, en vervolgens eenvoudig en snel worden aangesloten en losgekoppeld (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Kabels met aansluitklemmen worden extern geassembleerd en getest, vervolgens snel ter plaatse geïnstalleerd en indien nodig losgekoppeld; Let op de verschillende soorten bedrading die zijn samengevoegd in elk van de twee rechthoekige connectoren, vooral zichtbaar in de connector aan de linkerkant. (Bron afbeelding: HARTING)

Er is nog een ander voordeel aan de hoge mate van modulariteit en flexibiliteit van deze serie. In de echte wereld van het productontwerp veranderen de eisen en evolueren ze naarmate het project vordert. Met de Han-Modular-serie hoeft u niet opnieuw te beginnen met het zoeken naar een connector of connectoren die aan deze extra eisen voldoen; het enige wat een ontwerper hoeft te doen is een andere interne module aan de basisconnector toe te voegen.

Voorbeelden benadrukken het bereik en de veelzijdigheid

In plaats van de vele connectors en contacten die in de Han-Modular-serie beschikbaar zijn op te roepen, geeft een korte blik op sommige een goed beeld van de mogelijkheden.

Ten eerste is er het frame dat de verbindingsmodules vasthoudt. Een voorbeeld hiervan is het 09140240313 heavy-duty scharnierframe voor zes modules (Afbeelding 6). De afzonderlijke verbindingsmodules worden in dit frame geplaatst, geborgd en vergrendeld.

Afbeelding 6: Een van de vele beschikbare frames voor het vasthouden van de connectorinzetstukken, het 09140240313 heavy-duty scharnierframe, heeft ruimte voor zes van dergelijke modules. (Bron afbeelding: HARTING)

Een ultramodern industrieel systeem moet mogelijk zelfs GbE-verbindingen ondersteunen, zodat de 09140083012 gigabit-module met mannelijke contacten kan worden toegevoegd (Afbeelding 7). De afgeschermde connector heeft een capaciteit van 10 gigabit per seconde (Gbit/s) en ondersteunt ook IEEE 802.3bt (ook PoE++ genoemd) stroomtoevoer.

Afbeelding 7: Deze afgeschermde 09140083012 GbE-connector in de serie is geschikt voor 10 Gbit/s werking en ondersteunt ook IEEE 802.3bt (PoE++) stroomtoevoer. (Bron afbeelding: HARTING)

Tegelijkertijd kan het nodig zijn dat de connector een aanzienlijke wissel- of gelijkstroomvoeding ondersteunt, dus de 09332062648 zes-contact vrouwelijke behuizing voor persinzetstukken kan een goede keuze zijn (Afbeelding 8). Het kan persen tot 500 volt bij 16 A met massieve of gestrengelde draad van 0,14 mm² tot 2,5 mm² (AWG 26 tot AWG 14).

Afbeelding 8: Industriële installaties vereisen gewoonlijk een aanzienlijke hoeveelheid AC- en DC-vermogen, dat kan worden aangesloten via deze 09332062648 zescontactloze vrouwelijke behuizing voor persinzetstukken; deze kan een breed scala aan massieve en gestrengelde draadafmetingen aan. (Bron afbeelding: HARTING)

Voor installaties waar een industriestandaard RJ45 Cat 6A 8-positie modulaire stekker nodig is, is de 09454001520-connector beschikbaar (afbeelding 9).

Afbeelding 9: Het Han-Modulair-systeem heeft ook een voorziening voor de veelgebruikte RJ45-connector, met behulp van de 09454001520-connector. (Bron afbeelding: HARTING)

Een van de onderscheidende kenmerken van het Han-Modular-systeem is de mogelijkheid om naast een breed scala aan elektrische aansluitmogelijkheden ook eenvoudig lage druk luchtaansluitingen (pneumatisch) te verzorgen. De 09140033501 is bijvoorbeeld een pneumatische module die compatibel is met de vele frames en kan worden geconfigureerd voor lagedrukleidingen met verschillende diameters zoals ingesteld door de selectie van geschikte inserts (Afbeelding 10). Hieronder bevinden zich de metalen insert 09140006304 voor mannen (Afbeelding 11) en de metalen insert 09140006404 voor vrouwen (Afbeelding 12), beide voor buizen met een binnendiameter van 4 mm (ID).

Afbeelding 10: De Han-modules gaan verder dan het aansluiten van alleen elektrische signalen, gegevens en stroom door het opnemen van pneumatische besturing met behulp van modules zoals de 09140033501 voor lagedrukluchtaansluitingen en geschikte inserts. (Bron afbeelding: HARTING)

Afbeelding 11: Het metalen mannelijk insert 09140006304 is ontworpen voor pneumatische buizen met een binnendiameter van 4 mm. (Bron afbeelding: HARTING)

Afbeelding 12: Het metalen insert 09140006404 is de vrouwelijke connector voor lagedruklucht, ook voor buizen met een ID van 4 mm. (Bron afbeelding: HARTING)

Ook dit is slechts een zeer kleine greep uit de vele beschikbare inserts en connectors in de Han-Modular serie.

Configurator Tool is de sleutel tot gebruiksgemak

Hoewel de Han-Modular-serie nuttig is bij het aansluiten van een breed scala aan draadsoorten, functies en maten, kunnen de keuzes overweldigend zijn en schijnbaar onmogelijk optimaal te configureren. HARTING pakt dit aan door de gratis Han Configurator Tool ter beschikking te stellen.

Deze online tool vereenvoudigt het proces van het bouwen van een op maat gemaakte Han-Modular connector voor specifieke toepassingen aanzienlijk. De ontwerper voert eenvoudigweg de details van de aansluitingsvereisten in en het gereedschap roept de best passende modulaire inserts voor de toepassing op, terwijl het ook technische details, 3D-tekeningen en gegevensbestanden voor veel verschillende aansluitingsopties levert. De tool erkent ook dat er ontwerpers zijn die al bekend zijn met het Han-systeem, en stelt hen in staat om een hele interface direct te configureren zonder de assistent stap voor stap te doorlopen.

Het gebruik van de Configurator Tool begint met het identificeren van het eerste signaaltype dat moet worden beëindigd (Afbeelding 13).

Figuur 13: De Configurator Tool toont een overzicht van de vele basisaansluitingstypes die door het Han-Modular systeem worden ondersteund; ontwerpers beginnen met het kiezen van een van de verschillende types die ze in de connectorconstructie willen inbouwen. (Bron afbeelding: HARTING)

De tool reageert met pull-down boxen voor relevante specifieke gegevens, hier getoond voor elektrische signalen: aantal contacten, stroomsterkte, spanningssterkte, draadmeter en afsluittechniek. Afhankelijk van het signaaltype worden verschillende datasets getoond (Afbeelding 14).

Afbeelding 14: Vervolgens vraagt de Configuration Tool de ontwerper om de hoogste parameters voor dat signaaltype te specificeren; hier getoond is de keuze van "elektrisch". (Bron afbeelding: HARTING)

Vervolgens kan de ontwerper met behulp van pull-down/up-menu's aanvullende eisen opgeven, zoals behuizingsmateriaal (Afbeelding 15), montagesituatie (Afbeelding 16) en vergrendelingstype (Afbeelding 17), ook weer passend bij de beschikbare connectoren (hier afgebeeld bij "elektrisch").

Afbeelding 15: Onderaan het startscherm wordt gevraagd naar de voorkeur van de ontwerper voor behuizingsmateriaal. (Bron afbeelding: HARTING)

Afbeelding 16: Onderaan het startscherm vindt u ook een selectie voor de montagesituatie van de geselecteerde connector. (Bron afbeelding: HARTING)

Afbeelding 17: Een andere keuze die moet worden gemaakt is het vereiste vergrendelingsmechanisme voor de connectoren. (Bron afbeelding: HARTING)

De tool genereert vervolgens een eerste mogelijke oplossing samen met andere voorgestelde oplossingen, waarbij de configuratie wordt weergegeven als een 3D-model samen met de productlijst (Afbeelding 18).

Afbeelding 18: Zodra alle benodigde verbindingstypes, parameters en voorkeuren zijn ingevoerd, bouwt het gereedschap de complete connectorconstructie op en levert het een gedetailleerde 3D-afbeelding, een lijst met onderdelen en alle andere benodigde informatie. (Bron afbeelding: HARTING)

De ontwerper kan de gewenste configuratie selecteren of de voorgestelde oplossingen wijzigen en afzonderlijke componenten vervangen.

De Han-configurator verbetert en versnelt alle aspecten van het ontwerpproces, aangezien de connector-specifiërende ingenieur meerdere doelstellingen kan bereiken:

• Verkennen van connectorontwerp met een interactieve 3D-visualisatie
• Zorg ervoor dat de oplossing levensvatbaar is
• Gemakkelijk samenwerken met andere teamleden
• Opslaan en delen van het aangepaste aansluitingsbestand
• Standaard CAD STP-bestanden en datasheets downloaden
• Automatisch een gedetailleerde materiaallijst maken (BOM)

Conclusie

De uitdagingen van het kiezen van de juiste set connectoren om een kabel in een industriële omgeving af te sluiten, kunnen frustrerend zijn. Het HARTING Han-Modular-systeem vereenvoudigt het vinden van een optimale oplossing door de hoge mate van flexibiliteit, modulariteit en configureerbaarheid, allemaal ondersteund door een krachtige, intuïtieve Configurator Tool. Het resultaat is dat de hardwerkende punt-tot-punt benadering kan worden vervangen door een geoptimaliseerde, op maat gemaakte oplossing die gemak en gemak van verbinding in een minimale ruimte biedt.