Nowoczesne maszyny i urządzenia wykorzystywane w zastosowaniach przemysłowych to sprzęt, który charakteryzuje się dużą precyzją działania, wysoką wydajnością, a także stosunkowo niewielką energochłonnością. Dobre parametry pracy są po części wynikiem zastosowania najnowszych osiągnięć inżynierii materiałowej i wysokiej wytrzymałości oraz dokładności wykonania podzespołów, a po części efektem optymalizacji poszczególnych procesów. Tak znakomite rezultaty nie mogłyby jednak być osiągnięte bez znacznej automatyzacji działania, co pozwala nie tylko na zwiększenie ilości cyklów pracy w jednostce czasu, czy samoczynne realizowanie wielu czynności bez udziału operatora, ale przede wszystkim na zbieranie danych o stanie maszyny, parametrach jej pracy oraz postępie w wykonywaniu konkretnego zadania czy zapotrzebowaniu na określone surowce, lub materiały. Sprawne działanie zamontowanych w urządzeniach czujników i układów sterujących wymaga odpowiedniego okablowania. W znaczniej mierze to właśnie dzięki przewodom sterowniczym zainstalowanym we współcześnie stosowanych maszynach możliwa jest ich ciągła, wydajna i bezawaryjna praca. Przyjrzyjmy się bliżej znaczeniu tych elementów i zobaczmy, jakie wymagania są im najczęściej stawiane.
Do czego służą przewody sterownicze?
Działanie większości maszyn i urządzeń używanych w przemyśle wymaga dostarczania sporych ilości energii elektrycznej. Jest ona potrzebna do napędzania niemal wszystkich poruszających się elementów mechanicznych i wykonywania konkretnych procesów technologicznych. Dzięki podawanemu napięciu mogą działać silniki elektryczne, motoreduktory, wszelkiego rodzaju serwomechanizmy i często stosowane w maszynach układy hydrauliczne lub pneumatyczne, ponieważ ich pompy i kompresory zazwyczaj są zasilane prądem. Energia elektryczna jest także używana do zmiany temperatury surowców i materiałów – podgrzewania, topienia, zamrażana czy ochładzania. Korzysta się z niej ponadto do wytwarzania potrzebnego promieniowania elektromagnetycznego – od promieni UV aż po światło lasera.
Funkcjonowanie maszyn to nie tylko realizacja głównych i pomocniczych procesów technologicznych, ale także działanie automatyki przemysłowej. W niemal każdym urządzeniu potrzebne jest więc zasilanie przeznaczone dla wszelkiego typu czujników – choćby enkoderów rejestrujących drogę pokonywaną przez poszczególne podzespoły i ich aktualne położenie czy czujników piezoelektrycznych rejestrujących pojawiające się wibracje lub wszelkiego rodzaju czujników ciśnienia.
Pełne wykorzystanie zbieranych danych jest niemożliwe bez odpowiednich jednostek, które będą w stanie je przetworzyć i wykorzystać do przesyłania poleceń do poszczególnych podzespołów. Za realizację takich zadań odpowiedzialne są sterowniki PLC, które są rodzajem komputerów przemysłowych, wykonujących zaimplementowane polecenia w zależności od pozyskanych informacji. Użycie tego rodzaju urządzeń pozwala na większą elastyczność niż ta, która jest możliwa w przypadku prostych układów automatycznych działających dzięki sieci styczników i przełączników, umożliwia również funkcjonowanie sprzętu o większym poziomie złożoności.
Zadaniem przewodów sterowniczych jest zatem zarówno dostarczanie napięcia – zazwyczaj będzie to prąd stały 12, 24 lub 48 V przy niezbyt wysokim poziomie poboru mocy – jak i przesył danych. W zależności od zastosowanego rozwiązania informacje mogą być przesyłane jako sygnał elektryczny o określonej specyfice wskazującej na parametry mierzonej cechy albo przy bardziej skomplikowanych lub wstępnie przetworzonych odczytach jako dane cyfrowe.
Stworzone do ciężkich warunków pracy – specyfika przewodów do automatyki przemysłowej
Przewody sterownicze muszą spełniać wiele wymogów związanych ze środowiskiem, w jakim są używane. Poza typowymi wymaganiami związanymi z rodzajem zasilanych urządzeń czy przesyłanych sygnałów, czyli m.in. ilością żył, ich budową czy przekrojem muszą też odpowiadać rodzajowi wykonywanych zadań. Jedną z bardziej charakterystycznych cech przewodów sterowniczych jest to, że w wielu zastosowaniach są one poddawane znacznym obciążeniom mechanicznym w tym częstemu zginaniu, np. zasilając czujniki umieszczone w częściach ruchomych. Dla zapewnienia odpowiedniej elastyczności w takich przypadkach muszą być używane przewody klasy giętkości 5 lub 6 – poszczególne żyły są wówczas splatane z cienkich lub bardzo cienkich drutów co pozwala na ich stosunkowo swobodne i częste zginanie.
Kolejnym dużym wyzwaniem dla przewodów sterowniczych są możliwe zakłócenia związane z silnym promieniowaniem elektromagnetycznym, powodowanym zamontowanymi w maszynie urządzeniami elektrycznymi, innym okablowaniem, a także pracą instalacji radiowych. Ten rodzaj zakłóceń ma szczególne znaczenie tam, gdzie przewody są stosowane do transmisji danych lub sygnałów z czujników zamienianych na charakterystykę przepływającego prądu. Sposobem na unikniecie tego rodzaju problemów, jest korzystanie z przewodów ekranowanych.
Elementem kluczowym dla trwałości przewodów oraz bezpieczeństwa ich użytkowania jest zastosowana w nich izolacja. W większości przypadków stosuje się tu różne rodzaje tworzyw sztucznych – popularny jest polichlorek winylu (PVC), polietylen (PE), poliuretan (PUR), ale również silikon. Właściwości tworzyw pomagają w radzeniu sobie z rozmaitymi czynnikami zewnętrznymi. Do największych zagrożeń należą uszkodzenia mechaniczne, temperatura oraz kontakt z substancjami chemicznymi.
Uszkodzenia mechaniczne przewodów sterujących są niebezpieczne nie tylko ze względu na ryzyko ich przerwania wskutek kontaktu np. z dużą masą, ale również z powodu ryzyka zmiany ich przekroju, a tym samym możliwych zakłóceń w specyfice przesyłanego sygnału. W miejscach, gdzie istnieje zagrożenie tego rodzaju, warto korzystać z grubych i wytrzymałych typów izolacji, a w niektórych sytuacjach również ze specjalnych pancerzy stalowych.
Dużym problemem może się również okazać kontakt przewodów sterujących z różnymi chemikaliami. Jest to ważne np. tam, gdzie w atmosferze znajdują się różnego typu gazy, albo gdy przy procesach technologicznych korzysta się z agresywnych chemicznie cieczy np. jako chłodziwa, środka myjącego czy jednego z materiałów wykorzystywanych podczas konkretnej operacji. Sporym zagrożeniem dla izolacji są też na ogół produkty ropopochodne. W zależności od skali i natężenia zagrożeń warto więc wybierać przewody sterujące z izolacją z substancji odpornych na określony typ związków chemicznych albo takie, które zapewnią bezpieczny kontakty z większą ilością substancji, np. politetrafluoroetylen (PTFE).
Wiele przewodów sterujących musi radzić sobie w niskich albo wysokich temperaturach, a często także znosić ich stosunkowo szybkie zmiany. Wysoka temperatura może prowadzić do stopienia izolacji, niska oznacza najczęściej ryzyko utraty elastyczności i zwiększoną podatność na kruszenie się i pękanie. Ze względu na ryzyko uszkodzenia i pojawienia się zwarć czy zakłóceń sygnału wytrzymałość temperaturowa jest więc jednym z kluczowych parametrów przy doborze przewodów przemysłowych.
Rola przewodów sterujących używanych w różnych zastosowaniach automatyzacyjnych jest równie ważna, jak tych, które dostarczają zasilania do wykonywania głównych procesów realizowanych przez dane urządzenie. Ponieważ przewody te są zwykle narażone na większe obciążenia niż pozostałe okablowanie, powinny być dobrze dostosowane do znoszenia czynników związanych ze specyfiką środowiska zewnętrznego i używanych technologii.
