Como construir sistemas robustos de energia elétrica, comunicação e segurança para automação de fábrica

Sistemas de energia, comunicação e segurança são elementos críticos de uma fábrica moderna que permitem a operação confiável de máquinas de vários milhões de dólares altamente conectadas. Além disso, os sistemas de cabeamento para esses elementos críticos devem permanecer confiáveis por muitos anos, enquanto lidam com o calor e a vibração, e enfrentam desafios tais como tensões flutuantes da entrada de energia, umidade e altos níveis de material particulado.

Integrar fiação extensiva em uma fábrica é difícil e caro, e é um trabalho que, de preferência, só deve ser feito uma vez. Assim, é importante assegurar que os cabos, conectores e caixas de distribuição usados para compor um sistema sejam robustos, confiáveis e escaláveis, a fim de atender às normas, protocolos e regulamentos atuais e futuros.

Este artigo fornece uma breve visão geral das exigências da fábrica moderna. Em seguida, introduz uma abordagem modular para construir e evoluir redes de automação industrial usando exemplos de componentes reais da Molex. Mostra como uma abordagem modular pode simplificar a implantação e atender aos principais requisitos ambientais, operacionais, de segurança, confiabilidade e custo, mantendo flexibilidade suficiente para expandir e adaptar-se, à medida que a fábrica cresce.

Cabeamento da fábrica do futuro

A automação industrial (IA) transformou a fábrica moderna. Hoje em dia, a comunicação é tão importante quanto a eletricidade usada para os acionamentos e servomotores das grandes máquinas de manufatura, e a segurança é fundamental, pois humanos e robôs trabalham em conjunto. O desafio para o engenheiro de automação é selecionar e instalar cabos de energia, comunicação e segurança que aproveitem a tecnologia atual e, ao mesmo tempo, tenham um olho no futuro em termos de escalabilidade.

É um grande desafio, pois as fábricas demandam um grande investimento e são construídas para durar. Durante sua vida útil, a tecnologia de fabricação irá evoluir, e sistemas cabeados que eram satisfatórios a apenas alguns anos atrás poderão não ser mais adequados. Além disso, à medida que a capacidade de produção aumenta, cada sistema adicional exigirá sua própria conectividade, e recabear uma fábrica não só é caro e demorado, mas também significa que máquinas caras ficam ociosas.

Os engenheiros estão se voltando cada vez mais para sistemas modulares que acomodam cabeamento para energia, comunicações e segurança na mesma bainha, enquanto permitem o crescimento futuro na forma de fios sobressalentes. Uma parte-chave dessa abordagem é o sistema de conectores M23, assim chamado porque o diâmetro da rosca do acoplamento do cabo é de 23 milímetros (mm). O sistema é relativamente fácil de montar e testar, e proporciona uma infra-estrutura robusta e confiável de energia e comunicação (Figura 1),

Figura 1: Um conjunto de cabos M23 mostrando um receptáculo de 23 mm com um inserto fêmea de 8 pólos. (Fonte da imagem: Molex)

Os conectores e cabeamento M23 são projetados para atender acionamentos elétricos, servomotores e codificadores comuns à automação industrial. O sistema M23 apresenta uma gama de insertos e caixas para dados, comunicação e energia e dados combinados, tornando-o igualmente adequado para aplicações envolvendo transmissão de sinal ou energia. Os conjuntos de cabos M23 podem conduzir tensões de 250, 630 ou 800 volts, com correntes de 9, 18 ou 30 amperes (A).

O cabeamento M23 não é regido por uma norma internacional. Entretanto, os fabricantes geralmente seguem recomendações relativas à fabricação dos conjuntos de cabos, o que permite a interoperabilidade. Como tal, o M23 pode ser considerado um padrão de facto.

Uma variante do sistema M23 é a M12, que tem o diâmetro da rosca do acoplamento de 12 mm. Como o M12 não é utilizado para energia elétrica, os conjuntos de cabos são mais compactos, economizando custo e espaço (Figura 2).

Figura 2: O conjunto de cabos M12 é usado somente para comunicação e segurança; ele apresenta um fator de forma mais compacto do que o M23. (Fonte da imagem: Molex)

A chave para o sucesso do M23/M12 é sua flexibilidade. Primeiro, os projetistas podem optar por compor seus próprios sistemas personalizados especificando cabos, acoplamentos, receptáculos, insertos, caixas de conectores e até mesmo o diâmetro dos pinos de acoplamento. Os acoplamentos estão disponíveis em projetos retos e angulares, e os insertos podem ser obtidos com múltiplas contagens e padrões de pinos. O resultado é uma ampla gama de variações personalizáveis para praticamente qualquer aplicação.

Alternativamente, o projetista pode escolher entre uma gama conjuntos de cabos/acoplamentos ou de cabos/receptáculos fornecidos de fábrica. A vantagem de escolher produtos pré-desenvolvidos é a economia de tempo de montagem e a garantia de que a integridade do cabo e do conector já foi testada na fábrica. O lado negativo é uma gama relativamente limitada de soluções em comparação com a construção a partir do zero. Entretanto, a gama dos produtos pré-desenvolvidos é ampla e abrange alternativas de conectores e comprimentos de cabos para a maioria das opções de automação de fábrica, incluindo máquinas rotativas, robôs de solda ou equipamentos de montagem automatizada.

Proteção contra contaminação, vibração e EMC

Com algumas exceções, como a fabricação de alimentos, produtos farmacêuticos e eletrônicos de alta tecnologia, o ambiente de fábrica normalmente é cheio de umidade, poeira, graxa e outros contaminantes que são inimigos dos sistemas elétricos. Em outras aplicações, pode ser necessário que o cabo e a solução de conector sejam resistentes a soluções ácidas e alcalinas utilizadas durante a produção e limpeza, tornando vital que resistam à penetração de todos os líquidos, partículas e outras substâncias.

A resistência específica a contaminantes exigida mudará dependendo da necessidade da fábrica. Os fabricantes convenientemente categorizam seus produtos de acordo com o sistema de classificação IP. A classificação IP indica o grau de proteção fornecido pelo produto, e é definida pela norma internacional EN 60529.

O esquema compreende dois dígitos, o primeiro representando o nível de proteção contra objetos sólidos, desde ferramentas ou dedos, o que poderia ser perigoso caso entrassem em contato com condutores elétricos, até sujeira e poeira no ar que poderiam danificar circuitos. O segundo dígito define a proteção contra vários gotejamentos, pulverização ou submersões. A faixa vai de IP00 (sem proteção contra poeira ou água) a IP69 (proteção total contra poeira e jatos de água potentes e de alta temperatura).

Não são apenas os poluentes que podem causar problemas aos sistemas elétricos de fábrica mal projetados. Os conjuntos de cabos também estão potencialmente sujeitos ao estresse térmico, vibração e flexão mecânica (particularmente se usados em uma aplicação robótica onde os cabos podem estar em constante movimento). Além disso, as fábricas normalmente acomodam grandes motores elétricos que drenam grandes correntes de partida, criando picos de potência e tensão, e interferência eletromagnética (EMI) que podem perturbar os delicados sistemas de comunicação.

Os conjuntos de cabos M23 e M12 são projetados especificamente para lidar com ambientes de fábrica, e seus acoplamentos roscados resistem a vibrações e cargas mecânicas. Para desafiadores ambientes com EMI, os fabricantes de conjuntos de cabos normalmente oferecem opções com blindagem integrada.

Por exemplo, a Molex oferece uma gama de cabos de força particularmente robusta com seus conjuntos de cabos de força sobremoldados M23 Brad^® 120480 . Esses conjuntos de cabos são construídos para ambientes exigentes com características tais como bainhas plásticas sobremoldadas para proteger a junta cabo/conector e blindagem EMI opcional. Estão disponíveis em comprimentos discretos de 1 metro (m) até 20 m e cor laranja para alta visibilidade (Figura 3).

Figura 3: Os conjuntos de cabos M23 120480 apresentam sobremoldagem para proteção adicional e uma gama de insertos. As variações de seis e oito pólos são mostradas aqui. (Fonte da imagem: Molex)

Os cabos estão disponíveis em versões de seis ou oito pólos (fios). A tensão e corrente máximas são de 800 volts e 18 A, com uma resistência de contato de 3 ohms (Ω) e uma resistência de isolamento de 100 megaohms (MΩ). Os cabos podem operar em uma faixa de temperatura de 25 °C a +85 °C e oferecem uma classificação IP67 de proteção contra poeira e água, depois de acoplados.

A vantagem de um sistema modular como o M23 é que o cabeamento da fábrica pode ser desenvolvido e adaptado rapidamente, à medida que a fábrica cresce. O sistema permite ao engenheiro acoplar facilmente as redes cabeadas e conectar as terminações dos cabos diretamente nas máquinas equipadas com soquetes M23. A fiação não só oferece a alta tensão e corrente necessárias para a automação de fábrica, mas também é capaz de suportar sistemas de comunicação de fábrica como Ethernet, EtherCAT, Modbus e PROFINET (Figura 4).

Figura 4: O cabeamento M23 facilita a ampliação da rede cabeada da fábrica à medida que novas células de fabricação são adicionadas. (Fonte da imagem: Molex)

Garantindo a segurança da fábrica

A conectividade desempenha um papel fundamental na fábrica moderna. Controlar e atualizar equipamentos é uma grande parte do trabalho da rede, mas a segurança da automação da fábrica também é importante, particularmente onde pessoas e robôs ficam próximos. O robô normalmente possui vários sensores para parar o movimento se um trabalhador invadir o campo de ação, e a célula de segurança é completada por portões intertravados e painéis de acesso. Todos esses sistemas exigem conectividade, e a rede cabeada pode se tornar rapidamente complexa e desajeitada se cada sensor for servido por um ramal da rede principal da fábrica (Figura 5).

Figura 5: Células de trabalho robotizadas requerem sistemas de segurança vitais para proteger os trabalhadores em ambientes de automação de fábrica. (Fonte da imagem: Molex)

Em vez disso, os engenheiros estão simplificando as coisas usando caixas de distribuição do sistema de interconexão multiportas (MPIS) anexadas à rede principal da fábrica. De lá, os cabos de controle M12 são conectados às saídas das caixas para ligar os sistemas de segurança da célula de fabricação. Um exemplo é a robusta caixa de distribuição de segurança MPIS 1202480510 com classificação IP67, da Molex, que auxilia o gerenciamento dos dispositivos de segurança instalados ao redor das máquinas (Figura 6).

Figura 6: As caixas de distribuição de segurança MPIS simplificam a fiação de segurança, economizando espaço e custo. (Fonte da imagem: Molex)

A 1202480510 possui um cabo integrado de 5 m de comprimento para conexão com a rede principal da fábrica, quatro portas M12 de oito pinos e quatro portas M12 de quatro e cinco pinos em uma caixa. A caixa de distribuição permite a instalação de sistemas de cabeamento de E/S padrão em espaço limitado, maximizando ao mesmo tempo a flexibilidade do projeto de segurança. Cada porta pode suportar até 30 volts CC com uma corrente máxima de 4 A (corrente total de 12 A para a caixa de distribuição). A caixa de distribuição é projetada para uso com conjuntos de cabos como a série Micro-Change 1200652383 de 1 m, M12, com oito pólos, e a versão 1200652378 de 1 m, M12, de quatro pólos, ambas da Molex.

Conclusão

A automação de fábrica exige redes elétricas, de comunicação e de segurança robustas, confiáveis e escaláveis. Os sistemas modulares baseados nos padrões de facto M23 e M12 simplificam a instalação inicial e atendem a esses requisitos. Os conjuntos de cabos e caixas de distribuição que utilizam são construídos tendo em mente os rigores do ambiente de fábrica, tornando-os resistentes à sujeira e umidade, e capazes de lidar com extremos de temperatura, vibração e estresse mecânico.