如何为工厂自动化建立强大的电力、通信和安全系统

电力、通信和安全系统是现代工厂的关键要素，它们能让高度互联、价值数百万美元的机器可靠运行。此外，这些关键要素的布线系统必须可靠和经久耐用，同时能够应对高温和振动问题，克服输入功率电压波动、潮湿和高浓度颗粒物等挑战。

若将大量的线路整合到一个工厂中，这既困难又昂贵；而且，这项工作应该最好只做一次。因此，务必确保用于组成系统的线缆组件、连接器和配电盒坚固可靠且可扩展，以满足当前和未来的标准、协议和法规。

本文简要概述了现代工厂的要求。然后，介绍了构建和发展工业自动化网络的模块化方法，使用的是来自 Molex 公司的真实部件实例。文中展示了模块化方法如何简化部署并满足核心环境、操作、安全性、可靠性和成本要求，同时保留足够的灵活性，以便随着工厂的发展进行扩展和调整。

为未来的工厂布线

工业自动化 (IA) 改变了现代工厂。现在，通信的重要性堪比制造商品的大型机器的驱动器和伺服电机所需的电力，而且由于人类和机器人紧密合作，安全问题至关重要。自动化工程师面临的挑战是电力、通信和安全系统的布线的选择和安装，既要利用当今的技术，又要着眼于未来的可扩展性。

这是一项艰巨的挑战，因为工厂建设投资巨大，而且是为持久发展而建。在工厂的使用寿命内，制造技术将不断发展，几年前还令人满意的布线系统可能不再适用。此外，随着生产能力的提高，每一个附加系统都需要建立自己的连接，而重新为工厂布线不仅昂贵和耗时，还意味着昂贵的机器会被闲置。

工程师们越来越多地转向使用模块化系统，电源、通信和安全系统的布线均在同一护套中实现，同时允许未来以备用线的形式进行扩展。这种方法的一个关键部分是 M23 连接器系统，称之为 M23 是因为电缆接头的螺纹直径是 23 mm。这种模块化系统相对容易组装和测试，可实现强大可靠的电力和通信基础设施（图 1）。

图 1：M23 线缆组件，带有 23 mm 的插口和 8 芯母头。（图片来源：Molex）

M23 连接器和电缆专门服务于工业自动化中常见的电力驱动器、伺服电机和编码器。M23 系统具有一系列插头和外壳，广泛用于数据、通信以及电力和数据组合，这使该系统同样适用于涉及信号或电力传输的应用。M23 线缆组件可以在 9、18 或 30 A 的电流下承载 250、630 或 800 V 的电压。

M23 布线不受国际标准的约束。然而，为确保可互操作性，制造商通常会遵循有关线缆组件制造的建议。因此，M23 可以被视为事实标准。

M23 系统有一个变体 M12，其连接螺纹直径为 12 mm。由于 M12 不用于电力，所以线缆组件更加紧凑，节省了成本和空间（图 2）。

图 2：M12 线缆组件仅用于通信和安全；其特点是外形比 M23 更紧凑。（图片来源：Molex）

M23/M12 的成功关键在于其灵活性。首先，设计人员可以选择通过指定电缆、联接器、插口、插头、连接器外壳，甚至配接针的直径来组成自己的定制系统。联接器有直列式和直角式两种设计，而且可以采购多种针数和模式的插头。其结果是为几乎所有应用提供了广泛的可定制变化。

另外，设计人员可以从一系列工厂提供的电缆/联接器或电缆/插口组件中进行选择。选择预制产品的好处是可以节省装配时间，并且可以保证电缆和连接器的完整性已经过工厂测试。缺点是与从头开始制造相比，解决方案的应用范围相对有限。然而，预制的范围仍然很广，涵盖了大多数工厂自动化选件（包括旋转机器、焊接机器人或自动化组装设备）的连接器替代品以及电缆长度。

防止污染和振动以及电磁兼容问题

除了某些例外情况（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，这些都对电气系统不利。在其他应用中，可能会要求电缆和连接器解决方案耐受生产和清洁过程中使用的酸性和碱性溶液，因此，耐受所有液体、颗粒和其他物质的渗透至关重要。

所需的具体耐污染物能力将根据工厂要求而有所不同。制造商根据 IP 分类系统对其产品进行了有益的分类。IP 等级表示产品具有的防护等级，根据国际标准 EN 60529 定义。

该 IP 等级方案包含两个数字，第一个数字表示对固体物的防护等级，从碰到电导线就会有危险的工具或手指，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、喷水或浸水的防护等级。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柱保护）。

对于设计不良的工厂电气系统，不仅污染物会造成问题，电缆组件还可能受到热应力、振动和机械弯曲的影响（特别是如果用于机器人应用，电缆可能处于持续运动状态）。此外，工厂中通常配有大型电机，这些电机的启动电流很大，会产生电源和电压浪涌以及电磁干扰 (EMI)，从而扰乱脆弱的通信系统。

M23 和 M12 电缆组件专门为应对工厂环境而设计，其螺纹连接的联接器可以耐受振动和机械负荷。对于具有挑战性的 EMI 环境，电缆套件制造商通常提供带有集成屏蔽的选件。

例如，Molex 提供的一系列特别坚固的电源线，以及其 Brad^® 120480 M23 电源包塑线缆组件。这些电缆组件专为应对苛刻的环境而设计，其特点包括用于保护电缆/连接器接头的塑料包覆护套和可选的 EMI 屏蔽功能。它们的长度从 1 m 至 20 m 不等，颜色为橙色，具有很高的可视性（图 3）。

图 3：120480 M23 线缆组件采用了可提供额外保护的包塑，并配有各种插头；此处显示的是 6 芯和 8 芯变体。（图片来源：Molex）

这些电缆有 6 芯或 8 芯（线）型式。最大电压和电流分别为 800 V 和 18 A，接触电阻为 3 Ω，绝缘电阻为 100 MΩ。该线缆组件可在 25°C 至 +85°C 的温度范围内工作，配接后，可提供 IP67 等级的防尘防水性能。

M23 这种模块化系统的优势在于，工厂布线可以随着工厂的发展而快速建立和调整。此类系统允许工程师轻松地将布线网络耦合在一起，并将电缆末端直接与配备 M23 插孔的机器配接。这种布线不仅提供工厂自动化所需的高电压和高电流，而且还能够为工厂通信系统（如以太网、EtherCAT、Modbus 和 PROFINET）提供支持（图 4）。

图 4：M23 布线使得增加新生产单元后，更容易扩展工厂的有线网络。（图片来源：Molex）

确保工厂安全

连通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一个重要部分，但工厂自动化安全也很重要，特别是在人与机器人离得很近的地方。机器人通常具有多个传感器，一旦有工作人员侵入工作区域，机器人便会停止运动，安全单元由互锁的闸门和检修面板构成。所有这些系统都需要连通，如果每个传感器都由工厂主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人类工人。（图片来源：Molex）

取而代之的是，工程师们正在使用连接到工厂主网络的多端口互连系统 (MPIS) 配电盒来简化布线。在配电盒中，M12 控制电缆连接到接线盒的输出端，以连接生产单元的安全系统。例如 Molex 坚固耐用的 IP67 等级 1202480510 安全 MPIS 配电盒，它有助于管理安装在机器周围的安全设备（图 6）。

图 6：安全 MPIS 配电盒简化了安全布线，同时节省了空间和成本。（图片来源：Molex）

1202480510 具有一根 5 m 长的集成电缆，用于连接到工厂主网络，在一个壳体内集成了四个 M12 八针端口和四个 M12 四针与五针端口。该配电盒可在狭窄空间内安装标准 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 V 的直流电，最大电流为 4 A（配电盒的总电流为 12 A）。该配电盒设计可配合 Molex 的 1 m 长 8 芯 M12 1200652383 Micro-Change 系列，以及 1 m 长 4 芯 M12 1200652378 型式等线缆组件使用。

总结

工厂自动化需要强大、可靠和可扩展的电力、通信和安全系统布线网络。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这些要求。这些系统使用的线缆组件和配电盒在制造时考虑了工厂环境的严苛性，确保防尘防潮，并能够耐受极端温度、振动和机械压力。