使用合适的连接和传感器确保工业系统的可靠运行和操作人员的安全

随着工业设施越来越多地利用工业物联网 (IIoT) 来提高自动化、预测分析和安全水平，设备与系统之间的可靠连接变得越来越关键。然而，有些应用的环境可能极其恶劣。电缆和附近的操作人员都可能暴露在极冷和极热温度下，同时也会接触到腐蚀性的化学品和气体。

此外，一些设备会释放像硫化氢这样的腐蚀性气体。这些气体不仅对操作人员有害，而且与电缆上的水分接触后，会产生硫酸等危险的反应副产物。这种副产物可能会迅速侵蚀电缆护套，使屏蔽层和线芯暴露出来，从而经常导致短路和系统故障。

本文将讨论恶劣环境下的布线挑战。然后，使用 Molex 的实际例子向工业系统设计人员展示，如何通过选择工业级传感器电缆来确保可靠的连接和操作人员的安全。文章最后还将用一个实例，讨论如何在对设备或人员造成严重伤害之前就检测出危险的硫化氢气体。

在非常恶劣的工业环境中布线

工厂中的工业自动化系统依靠传感器来检测工艺和系统的状态。使用的传感器类型也各不相同，可能包括温度热敏电阻、压力传感器、液位传感器、光检测器和接近开关。传感器数据准确是必须的，如此主计算机才能正确决定如何及何时控制电机、传送带、灯、液位计以及类似设备的执行机构。传感器数据不正确会导致在错误的时间或用错误的参数控制执行机构。其结果可能是作业效率低下，运营成本相应增加，也可能是系统故障导致损失巨大的设备停机。正确选择和使用暴露在恶劣环境中的电缆，可以提高传感器数据和执行机构控制信号的可靠性。电缆选择错误可能会带来间歇性连接故障，这类故障相当棘手，很难排除，会导致代价高昂的设备停机。电缆选择不当，最终会导致信号衰减，甚至信号完全丢失。

如果布线时采用获得 IP67 或 IP68 级工业级电缆认证的电缆，那么就可以克服其中许多问题。注意，电缆标有 IP67 或 IP68 并不意味着电缆是工业级的——IP 代码只是证明电缆能抵抗普通颗粒物和防水。因此，普通的消费级电缆也可能通过 IP68 认证，看似坚固耐用，但可能不具备极端温度保护能力、对常见溶剂和腐蚀性液体的耐受性，或者工业级布线所要求的抗扭曲和耐磨损能力。

在工业环境中连接 USB 传感器和执行机构

虽然许多不同类型的传感器和执行机构使用不同的接口选项，但 USB 仍是一种安全且无处不在的接口方式。现代设施正在利用 USB 3.0 的功能，因为它速度高，能够用来供电，并提升了可靠性。Molex 提供的 0847330005 USB 3.0 工业电缆（图 1）。该电缆长 1.31 米，一端是密封的 USB 3.0 A 型圆形插座连接器，另一端是 USB 3.0 A型插头。整个电缆组件防护等级为 IP67。它支持每秒 5 千兆位 (Gb/s) 的数据传输速率，且向后兼容 USB 2.0 插头和插座。该电缆的额定温度为 -40°C 至 +85°C，适合大多数恶劣的工业环境。

图 1：Molex 0847330005 USB 3.0 电缆一端为圆形 USB 3.0 A 型插座，另一端为标准 USB 3.0 A 型插头。它是一种适用于恶劣环境的工业级电缆。（图片来源：Molex）

Molex 0847330005 USB 3.0 电缆每个触头的额定安全电流处理能力最大 1 安培 (A)。它完全屏蔽了电磁干扰 (EMI)，因此 5 Gbit/s 的 USB 3.0 数据传输也不会对其他电子设备造成干扰。

USB 3.0 A 型插头可以连接到工业计算机或嵌入式系统，这些系统会提供大多数个人计算机 (PC) 常见的标准 USB 3.0 插口。电缆的另一端带有 USB 3.0 A 型圆形插座，可以连接到带 USB 接口的传感器设备。圆形插座连接器上的锁紧螺母采用易于使用的扭锁机制，可承受 20 磅-英寸 (lb-in) 的扭矩。这为传感器设备提供了牢固的连接，不会出现意外分开。每个连接器的额定配接和解配次数为 500 次，适合必须定期重新配置的工业设备。

圆形插座连接器上的密封垫圈采用黑色丁腈制造，具有优异的防水和耐工业油品能力。丁腈橡胶垫圈还能耐受汽油、液压油和普通溶剂。因此该电缆非常适合连接到汽油动力机械中使用的传感器。出现溶剂或其他液体的溢出或事故时，即使发现它们进入了连接器，也不会穿透密封圈而干扰数据传输。

为了方便维护，有些电缆会带有色码，而阳光和紫外线 UV) 会导致电缆护套变色，这样就会带来不便。阳光也会导致商用电缆护套开裂，使 EMI 屏蔽层暴露在环境中。Molex USB 3.0 电缆护套由耐用的 PVC 树脂制成，具有出色的抗日照和紫外线能力。PVC 树脂还具有耐水性，而随着时间的推移，水会缩短消费级材料制成的商业电缆的长度。

连接机械执行机构和电磁阀

DIN 阀门连接器用于激活控制阀门、压力开关、限位开关和低功耗电机等执行机构所用的电磁阀。为了在工业环境中实现与 DIN 阀门执行机构的牢固连接，Molex 提供了 2210503466 DIN 阀门连接器和 5 米电缆（图 2）。其末端为三根尾线，用于连接最高 24 伏的执行机构。电缆组件的额定温度为 -40°C 至 +90°C，因此它不仅适用于寒冷的环境，而且还适用于一些温度很高的发动机和设备。

Molex DIN 阀门连接器在 DIN 阀门上实现了紧密而安全的 IP67 级密封，当激活时，将根据所控制 DIN 阀门类型进行阀门启用或禁用。连接器由一个螺丝固定，以提供最大限度的保护，防止无意中拔下。该 DIN 连接器上的黄色发光二极管 (LED) 提供 DIN 阀门已被激活的视觉指示。

图 2：Molex 2210503466 一端是 DIN 阀门连接器，另一端是三根尾线。黄色 LED 灯向操作人员指示阀门已被激活。（图片来源：Molex）

Molex 2210503466 DIN 阀门连接器和电缆采用聚氨酯护套，可耐受最烈性的化学品，且极度抗扭、抗弯。聚氨酯电缆护套还具有很强的耐切割和抗挤压能力。DIN 阀门电缆损坏会导致 DIN 阀门设备间歇性运行或设备完全失效。这使得这种电缆适用于移动的重型机械上的执行机构，因为在这种情况下，电缆可能要快速地伸缩，也可能会因机器故障或错误配置而导致电缆被压坏。

为了安全起见，不建议电缆太短，以免在正常操作伸长电缆时对电缆连接的两端造成张力。这就要求电缆要有足够的松弛度，以防止电缆末端被拉断；但是电缆松弛度越大，电缆被意外卡住或压坏的可能性也越大。在这些应用中，聚氨酯护套是一个合适的、具有成本效益的解决方案。

防止腐蚀性物质的侵蚀

汽油动力发动机和一些工业化学工艺会排放出危险的硫化氢气体。虽然工业设施的设计成可以安全地控制这些气体，但任何驾驶汽油车的人都知道排气歧管可能会有泄漏；此外，有时工厂里有人可能会忘记关闭阀门。硫化氢气体即使是少量的，对操作人员也有极大的毒性。虽然硫化氢有臭鸡蛋的味道，我们通常能够通过气味闻出它，但由于硫化氢比空气重，在远离其来源地的大型工业综合体的地面上，可以迅速扩散而不被发现。

如果硫化氢与水接触，就会形成具有腐蚀性的硫酸，能很快腐蚀铜、铁、铝设备。硫酸与湿电缆接触后，能迅速腐蚀大多数类型的电缆绝缘层，如聚氨酯。虽然聚氯乙烯树脂电缆护套在常温下比聚氨酯更耐酸，但在极端冷热温度下，硫酸会迅速侵蚀聚氯乙烯电缆护套。无论材料规格如何，除了排气歧管和其他专门设计用于容纳这些危险物质的设备外，硫化氢和硫酸应被视为对任何材料都危险。

为了保证电缆、设备和操作人员的安全，Molex Sensorcon 推出了 2023150001 硫化氢气体分析仪（图 3）。它是一种带有 LCD 显示屏的手持式设备，可以检测和显示硫化氢气体的浓度，检测浓度小至百万分之一 (1 ppm)，高至 400 ppm。

图 3：Molex Sensorcon 2023150001 是一款手持式硫化氢气体检测仪，可以检测浓度从 1 ppm 到 400 ppm 的硫化氢气体。（图片来源：Molex）

Molex Sensorcon 2023150001 硫化氢气体检测仪的防护等级为 IP67，可根据高、低报警设定点发出两种不同的报警声。出厂设定的低报警设定点为 10 ppm，但可手动设定为低至 1 ppm。出厂设定的高报警设定点为 15ppm 或更高，但可手动设定为 100 ppm 或更高。除了这些报警声，手持设备还可以在报警时振动，这在嘈杂的工业环境中非常有用。

该检测仪适用于检测靠近地面的小浓度硫化氢气体，特别是机械地井中比空气重的气体可能聚集的地方。当臭鸡蛋的味道还没有达到操作人员鼻子能闻到的高度时，这对于检测硫化氢很有用。

发动机和大多数工业生产过程都会释放出硫化氢气体，也会释放出一氧化碳。一氧化碳无色、无味，即使是少量吸入也会对人体产生毒性。Molex Sensorcon 提供 2023100001 一氧化碳气体检测仪，其物理结构与硫化氢检测仪相同。一氧化碳的存在不仅对操作人员有危险，而且还可能表明有硫化氢存在而未被发现。这两种装置在工业自动化设备中都很有用，可以保证操作人员和设备的安全。

结语

工业自动化设施对电缆组件的要求很高，特别是在极端冷热环境下，以及可能存在危险性和腐蚀性气体和液体的地方。工业级传感器电缆组件能够确保计算机获得准确的传感器数据，从而正确、有效地控制工业系统。而用于执行机构的工业级电缆则能确保操作得到正确、可靠的控制。这样就可以通过提高可靠性和减少维护来降低运营成本。