Przewody sygnałowe i elektryczne wykorzystywane w automatyce

Zanim przejdziemy do dalszej części artykułu, warto przybliżyć pojęcie kabla i przewodu. W języku potocznym oba słowa znaczą dokładnie to samo i stosowane są zamiennie, niemniej warto zdawać sobie sprawę z tego, że oba terminy tak naprawdę określają dwa zupełnie różne produkty, które mają inną budowę i przeznaczenie.

Z technicznego punktu widzenia, przewód to element obwodu elektrycznego lub elektrycznego-sygnałowego i służy do prowadzenia prądu, sygnałów sterujących lub transmisji danych wzdłuż określonej drogi. Wykonany jest z materiału przewodzącego prąd elektryczny, np. z miedzi lub z aluminium i ma najczęściej postać długiego drutu bądź linki, czyli kilku, kilkunastu lub kilkudziesięciu skręconych ze sobą śrubowo na stałe drutów. Niekiedy przewód może przyjmować postać tzw. szynoprzewodu, czyli sztywnej, płaskiej szyny prądowej o dużych wymiarach. Niekiedy szyną prądową może być też metalowy kształtownik lub rura, a tego typy instalacje często spotyka się w energetyce i górnictwie odkrywkowym.

Pojedynczy drut, linka albo płaskownik szyny prądowej, które przewodzą prąd elektryczny to elementy przewodu nazywane żyłami. Przewód zawiera zawsze tylko jedną żyłę, która może być zaizolowana lub nieizolowana, jak ma to miejsce najczęściej w wypadku szynoprzewodów. Innymi słowy, przewód to prosty, jednożyłowy łącznik elektryczny, który może być, ale wcale nie musi, osłonięty izolacją, która ma za zadanie wyłącznie izolowanie żyły pod względem elektrycznym. Obecnie izolację żył w przewodach najczęściej stanowią różnego rodzaju tworzywa sztuczne.

Natomiast kabel jest wyrobem złożonym z jednego, kilku lub kilkunastu, najczęściej osobno zaizolowanych przewodów, które umieszczone są we wspólnej powłoce lub osłonie. Dodatkowo składające się na kabel przewody mogą być razem lub pojedynczo ekranowane, a ich izolacja może zawierać również elementy wzmocnienia mechanicznego takie jak, np. oplot czy stalowe linki. Co więcej, w kablu poszczególne żyły mogą być również zatapiane we wspólnej powłoce. Podsumowując, każdy kabel jest złożonym przewodem, natomiast nie każdy przewód jest kablem, co wynika z najprostszej jego możliwej budowy. Tyle słowem wstępu.

Przegląd rodzajów kabli

Jak można się domyślić, wybór przewodów jest ogromny, podobnie jak szeroka jest gama możliwych zastosowań. Produkcja przewodów i kabli nie należy też do skomplikowanych, dlatego oferta tego typu wyrobów, produkowanych przez najrozmaitsze firmy, jest równie ogromna. Najszersza jest oczywiście oferta kabli i przewodów elektrycznych doprowadzających napięcie z sieci energetycznej do odbiorników. Ta grupa przewodów i kabli jest najlepiej wystardaryzowana, a ich parametry, takie jak jakość przewodu, odporność izolacji, wzmocnienia, oplot, przekrój żyły czy materiały, a nawet kolory osłon i izolacji są ściśle znormalizowane. Dlatego też kable pochodzące od różnych producentów, spełniające te same kryteria nie powinny się różnić, zarówno pod względem jakości, jak i funkcjonalności. Tą grupą przewodów i kabli nie będziemy się jednak tutaj zajmować.

Przejdźmy zatem do pozostałych grup kabli i przewodów. W literaturze wyróżnia się kable i przewody teleinformatyczne, przemysłowe, w tym grupę kabli do typowych zastosowań w automatyce, kable audio, kable wysokiej częstotliwości i przewody motoryzacyjne. W ramach grupy przewodów i kabli teleinformatycznych znaleźć można różnego rodzaju skrętki i kable koncentryczne służące do budowy sieci komputerowych, kable połączeniowe stosowane na potrzeby interfejsów, takich jak np. HDMI czy USB, kable do instalacji telefonicznych i telewizji CCTV. Warto zwrócić uwagę, że do grupy kabli teleinformatycznych zalicza się coraz częściej światłowody. Parametry przewodów teleinformatycznych opisane są w normach dla poszczególnych standardów komunikacji i systemów ICT, o czym za chwilę.

Wśród przewodów przemysłowych można wyróżnić trzy podstawowe
grupy:

• kable sygnałowe,
• kable sterownicze,
• kable sygnalizacyjne.

Wykorzystywane w przemyśle kable przemysłowe służą przede wszystkim do łączenia elementów instalacji w automatyce przemysłowej, podłączania czujników oraz podłączania silników i napędów. Poza kablami instalacyjnymi, w tej grupie wyróżnia się liczne rodzaje kabli specjalnych, na przykład takich jak giętkie i spiralne kable do transporterów, odbiorników ruchomych i suwnic, czy przewody o wzmocnionej konstrukcji mechanicznej, które są odporne na rozciąganie (zabezpieczenie przed zerwaniem), ścinanie (zabezpieczenie przed upadkiem ostrych elementów wykorzystywanych na produkcji) lub deptanie czy przejeżdżanie po nich ciężkich pojazdów.

Kable audio to specjalne przewody dostosowane do współpracy ze sprzętem elektronicznym. Są to m.in. ekranowane przewody mikrofonowe, kable do łączenia instrumentów muzycznych, podłączania głośników oraz niskoszumowe przewody wykonywane z wysokogatunkowej miedzi beztlenowej służące do podłączania elementów składowych urządzeń i zestawów audiofilskich.

Ważną grupę stanowią też kable wysokiej częstotliwości. Są to różnego rodzaju przewody koncentryczne, czyli współosiowe o ustalonej impedancji falowej – najczęściej 50 Ω i 75 Ω. Dostępne są w dwóch głównych kategoriach: grube kable niskostratne oraz cienkie kable elastyczne wykorzystywane do krótkich, kilku lub kilkunastometrowych połączeń. Wśród kabli wysokiej częstotliwości wiele dostępnych modeli to przewody specjalistyczne, gdzie wyróżnić można m.in.:

• kable wysokonapięciowe, kilkukrotnie izolowane,
• przewody spawalnicze i rozruchowe, o dużych przekrojach i odporności na ciepło,
• przewody iskrobezpieczne z certyfikacją ATEX,
• przewody do instalacji fotowoltaicznych, o dużych przekrojach, podwójnie izolowane i odporne na wpływ środowiska,
• przewody do pracy pod wodą,
• kable wstążkowe, tzw. taśmowe do magistral danych,
• przewody stosowane w medycynie i przemyśle spożywczym, przebadane pod kątem substancji szkodliwych i pozwalające na mycie gorącą wodą,
• przewody hybrydowe, zawierające w osłonie kable różnych typów i przeznaczenia, np. miedziane, optyczne, koncentryczne i sygnałowe.

Osobną kategorię, której szerzej nie będziemy tu omawiać, stanowią przewody motoryzacyjne, o dużej elastyczności otoczone niepalną, odporną na wilgoć izolacją, które są w stanie pracować w bardzo szerokim zakresie temperatury od –60 °C do +120 °C (zwykle są certyfikowane do pracy w temperaturze od –40 °C do 105 °C). Wykorzystuje się je szeroko w elektronice i elektryce samochodowej, zarówno do połączeń stałych, jak i wykonywania tzw. wiązek kablowych. Ze względu na wspomniany, szeroki zakres temperatury pracy, można je bez problemu stosować do okablowania elementów w komorze silnika, zarówno tych oddalonych od bloku silnika, jak i znajdujących się pod nim lub obok niego.

Przewody i kable przemysłowe

Do niedawna budowanie sieci przemysłowych i układanie okablowania dla automatyki przemysłowej nie było zadaniem zbyt skomplikowanym, co wynikało z faktu, że w sieciach tych przesyłane były tylko niewielkie ilości danych. Oznacza to, że stosowane przewody nie musiały charakteryzować się dużą przepustowością. Jednak wraz z rozwojem przemysłu i idącą za nim cyfryzacją i robotyzacją, w tym wyśrubowanymi wymaganiami dla urządzeń zgodnych z założeniami Przemysłu 4.0, również w sieciach automatyki przemysłowej zaczęto wymagać wyższej przepustowości. Co więcej, kable i przewody dostosowane być muszą do cyfrowej, pakietowej transmisji danych.

Przesyłane w sieciach przemysłowych dane są coraz bardziej złożone i wymagają szerszego pasma przenoszenia, niezbędnego do tego, aby przesłać różne typy cyfrowych informacji. Przemysłowe sieci systemów automatyki w coraz większym stopniu przypominają sieci IT i systemy telekomunikacyjne. Również stosowane w obu grupach rozwiązań przewody zaczynają się ujednolicać, a spinającym je ogniwem jest standard Ethernet.

Obecnie okablowanie dla systemów automatyki obejmuje kable sterownicze, kable do przesyłu danych, w tym zgodne ze standardami Ethernet, Profinet czy Profibus, przewody bezhalogenowe, światłowody zaliczane do przewodów sygnałowych stosowanych, mimo że jest to medium optyczne, kable do transmisji danych, kable telekomunikacyjne, kable płaskie oraz odporne na temperaturę. Oferowane na rynku przewody i kable dostępne są w różnych wykonaniach i wariantach, zależnych od producenta. Bez problemu można dostać kable odporne na czynniki chemiczne, atmosferyczne, działanie temperatury czy promieniowanie elektromagnetyczne, a także wykonane zgodnie ze specyfikacją ATEX.

Izolacje

Jednym z najczęściej wykorzystywanych w systemach automatyki przewodów są elastyczne kable sterownicze, które osłonięte są i zabezpieczone specjalną izolacją z PCV oraz zewnętrzną osłoną wykonaną również z PCV bądź z polietylenu – PE lub polietylenu usieciowanego – XLPE. Taka budowa przewodu gwarantuje jego doskonałą elastyczność, która niezbędna jest przy prowadzeniu przewodów sterowania w systemach automatyki i na liniach produkcyjnych, nawet tam, gdzie układając kable wykonać należy wiele zagięć i łuków. Coraz większa popularnością cieszą się również kable sterownicze w osłonie poliuretanowej PUR, które charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi – w tym odpornością na ścieranie, termicznymi i chemicznymi. W tym ostatnim przypadku najistotniejsza jest odporność przewodów na chłodziwa maszynowe. Warto też wspomnieć, że poliuretan cechuje się dobrą pamięcią kształtu i zachowuje elastyczność w szerokim zakresie temperatur – zazwyczaj od –20 °C do +80 °C.

Coraz większe znaczenie w systemach automatyki mają kable bezhalogenowe i przewody samo gasnące, które nie podtrzymują płomienia. Przewody tego typu mogą być używane wszędzie tam, gdzie w przypadku pożaru nie może wydobywać się dym. Charakteryzują się one również zmniejszoną korozyjnością. Kable i przewody bezhalogenowe produkowane są często w osłonach odpornych na działanie olejów, mikroorganizmów, olejów obróbczych czy środków chłodzących i smarów. Tego typu okablowanie wykorzystuje się do produkcji maszyn oraz stosuje w zrobotyzowanych gniazdach obróbczych.

Większość kabli stosowanych współcześnie w automatyce charakteryzuje się numerowanymi lub kolorowymi żyłami. Kable takie produkuje się z pojedynczym lub podwójnym ekranowaniem, dzięki czemu zgodne są z wymaganiami związanymi z kompatybilnością elektromagnetyczną. W ten sposób dodatkowo chronią system automatyki przemysłowej lub sterowanie maszyn przed zakłóceniami i interferencjami elektromagnetycznymi. Przewody te standardowo stosuje się w różnego rodzaju obwodach sterowania, pomiarowych i sygnalizacyjnych.

Kwestie wytrzymałości

W środowisku przemysłowym kable często narażone są na działanie niekorzystnych czynników mechanicznych, takich jak: rozciąganie, zginanie, zwijanie lub zagniatanie. Mogą one wpływać bezpośrednio na strukturę wewnętrzną kabla, zmieniając jego parametry elektryczne lub nawet doprowadzić do zerwania poszczególnych żył. Największymi zagrożeniami, oprócz wspomnianego przerwania przewodów, są tu: możliwość pojawienia się zwiększonego tłumienia, sprzęganie się sygnałów, pojawienie się większych strat odbiciowych oraz zwiększenie wrażliwości przewodu na występujące w otoczeniu zaburzenia elektromagnetyczne.

Wszystkie te czynniki ograniczają odległość, na którą mogą być przesyłane informacje i, co najważniejsze, zmniejszają szybkość transmisji danych. Wynika to z faktu utraty znacznej liczby pakietów danych, które muszą być ponownie przesłane przez komunikujące się ze sobą urządzenia. Dlatego kable i przewody wykorzystywane w środowisku przemysłowym często wykonywane są w wersjach ze wzmocnieniem mechanicznym. Stosuje się tu różnego rodzaju zatopione w osłonę linki czy stalowe oploty zabezpieczające kabel przed zerwaniem lub zgnieceniem.

Innym sposobem mechanicznego zabezpieczenia kabla, zwłaszcza tam gdzie nie mamy do czynienia z ekstremalnymi naprężeniami, jest zastosowanie na powłoki tzw., usieciowanych polimerów. Najczęściej wykorzystuje się tutaj PCV, który dzięki odpowiednim dodatkom sieciującym, jest nieco mocniejszy od standardowego materiału. W ten sposób można też uzyskać odporność na promieniowanie UV, dzięki czemu przewody takie można stosować również na zewnątrz budynków.

Tam, gdzie pozwalają na to warunki, również w przemyśle, wykorzystuje się standardowe, znacznie tańsze okablowanie teleinformatyczne. Decydując się na nie trzeba pamiętać, że to warunki środowiskowe i rodzaj aplikacji determinują wybór odpowiedniego rodzaju okablowania oraz złączy o odpowiednim stopniu ochrony.

Przewody do przesyłu danych

W wypadku kabli wykorzystywanych w systemach automatyki do przesyłu danych, istotny jest dobór przewodu, który zapewni wystarczająco dużą szybkość transmisji i odporność na mogące pojawić się zakłócenia elektromagnetyczne. Warto zwrócić uwagę na fakt, że przewody do wykorzystywanych standardowo w systemach automatyki szeregowych interfejsów RS-232, RS-422 i RS-485 muszą charakteryzować się odpowiednią tłumiennością oraz pojemnością. Odpowiednich przewodów wymagają też magistrale systemowe typu BUS wykorzystywane do szeregowej i równoległej, pakietowej transmisji danych. Najczęściej wykorzystuje się tutaj skrętkę dwużyłową.

Przemysłowych standardów przesyłu danych i wykorzystywanych w tym celu typów sieci przemysłowych jest bardzo dużo, a każdy z nich ma swoje mniej lub bardziej specyficzne wymagania dotyczące okablowania. Przykładowo jednym z najpopularniejszych standardów przemysłowych jest Profibus. Umożliwia on wykorzystanie zarówno czterożyłowej skrętki, jak i ośmiożyłowego okablowania Ethernet. Profinet pozwala też korzystać ze znacznie prostszych rozwiązań bazujących na interfejsie RS-485, gdzie wykorzystuje się wspomniane przed chwilą dwużyłowe, ekranowane przewody miedziane.

Warto zwrócić uwagę na fakt, że magistrale typu BUS, które spotkać można zazwyczaj w rozwiązaniach służących do zarządzania procesami przemysłowymi, są obecnie również stosowane w przemyśle samochodowym – np. magistrala I2C. Różnice między sieciami BUS i tradycyjnymi systemami sterowania najlepiej obrazują przewody elektryczne wykorzystywane do ich budowy. W starszych, analogowych instalacjach automatyki przemysłowej i systemach sterowania stosowane były grube, trudne w prowadzeniu wielożyłowe kable o przekroju żył od 0,5 mm² do 1,5 mm². We współczesnych, cyfrowych instalacjach, używane są przewody o przekrojach żył od 0,25 mm² do 0,5 mm². Dzięki temu znacznie łatwiej je prowadzić i układać w korytkach i trasach kablowych.

Czas standardu Ethernet

Obecnie w praktyce przemysłowej niezwykle popularne stały się kablewykonane w standardzie Ethernet. Wynika to z faktu, że okablowanie przemysłowego Ethernetu pozwala na przesył danych przy wykorzystaniu wielu różnego rodzaju protokołów i standardów bazujących na pakietowej transmisji danych zgodnej z TCP/IP i XML. W systemach automatyki, oprócz wspomnianych standardów Profibus i Profinet, infrastrukturę ethernetową wykorzystać można z powodzeniem do transmisji danych, przy użyciu takich protokołów transmisji, jak: EtherCAT, EtherNet/IP, Powerlink, Fidelbus, SERCOS III, CC-Link IE, czy Modbus/TCP – wymieniając tylko te najważniejsze i najbardziej popularne.

Zazwyczaj przemysłowy kabel Ethernet składa się z dwóch lub czterech par przewodów otoczonych, w odróżnieniu od standardowych kabli teleinformatycznych UTP kat. 5e i kat. 6, metalowym ekranem. Przewody te zabezpieczone są dodatkowo otuliną termoaktywną. Przewody Ethernet pozwalają na osiąganie krótkich czasów reakcji na zdarzenia, dając przy tym jednocześnie możliwość łączenia ze sobą dużej liczby urządzeń znajdujących się w dużych odległościach od siebie, lub nawet w innych lokalizacjach. Są wykonane z materiałów o podwyższonej elastyczności, odpornych na zginanie, skręcanie i negatywny wpływ środowiska. Dzięki temu system automatyki charakteryzuje się większym poziomem bezpieczeństwa i wyższą niezawodnością. W przewodach tych może być również prowadzone zasilanie (PoE – Power over Ethernet).

Skrętki, w zależności od przepustowości, oznacza się symbolami 10BASE-T, 100BASE-T lub 1000BASE-T
(10/100/1000 Mb/s) i podzielić je można na skrętki ekranowane (STP – SF/UTP, FTP – F/UTP) oraz nieekranowane (UTP – U/UTP). Różnią się one od siebie tym, że skrętki ekranowane wyposażono w folię ekranującą (F/UTP) bądź ekran w postaci oplotu (SF/UTP), a pokrycie ochronne jest w nich zwykle lepszej jakości. Dzięki temu zapewnia się mniejsze straty transmisji i większą odporność na zakłócenia. Mimo to najczęściej stosowaną skrętką, przede wszystkim ze względu na niższe koszty, są skrętki typu U/UTP.

Podstawowym podziałem skrętek jest klasyfikacja na kategorie. Podział ten został wprowadzony przez EIA (Electronic Industries Alliance) oraz TIA (Telecommunication Industry Association) jako standard EIA/TIA-668A. Zgodnie z nim skrętki dzieli się na siedem kategorii. Podstawowym wyróżnikiem każdej z nich są: liczba par w skrętce oraz częstotliwość sygnału nośnego, jaki można propagować wewnątrz skrętki. Odpowiednikiem amerykańskiej normy EIA/TIA 668A jest europejska norma EN 50171, która dzieli skrętki na sześć klas: od A do F.

Na przemysłową popularność sieci w standardzie Ethernet wpływa też fakt, iż odporne są one na różnego rodzaju zakłócenia elektromagnetyczne, które mogą znacząco wpływać na efektywność pracy maszyn i systemów automatyki przemysłowej. Nie bez znaczenia jest również to, że przemysłowe kable Ethernet pozwalają na stworzenie architektury P2P stanowiącej rodzaj sieci, w której następuje bezpośrednia wymiana informacji między urządzeniami bez konieczności przesyłania ich przez główne urządzenie kontrolujące. Tego typu rozwiązania bardzo często stosuje się do bezpośredniego sterowania robotami.

Warto też wspomnieć, że bez problemu do tworzenia przemysłowej sieci Ethernet wykorzystać można standardową, firmową infrastrukturę teleinformatyczną i sprzęt IT – routery, przełączniki czy koncentratory, dzięki czemu zmniejszyć można w istotny sposób koszty instalacji. Oczywiście jest to możliwe tylko tam, gdzie nie ma specjalnych wymagań co do stosowania typowo przemysłowej infrastruktury.

Oferta rynkowa

Oferta rynkowa kabli i przewodów wykorzystywanych w automatyce jest bardzo szeroka. Praktycznie każda firma zajmująca się sprzedażą elementów automatyki i sterowania ma w swojej ofercie różnego rodzaju kable i przewody wykorzystywane do zasilania, sterowania i transmisji danych. Do tego dochodzą przedsiębiorstwa zajmujące się sprzedażą urządzeń do infrastruktury IT, które również oferują różnego rodzaju przewody, w tym specjalizowane przewody do zastosowań w automatyce.

Firma igus oferuje m.in. serię przewodów pod wspólną nazwą chainflex. Przewody chainflex to przewody do zastosowań ruchomych w prowadnikach i robotach. Spełniają wymogi bezpieczeństwa EMC, jak również standardy i wytyczne UL, CSA, VDE, EAC, CTP, Interbus oraz Profibus. Przewody firmy igus dostępne są w różnym materiale płaszcza, a asortyment chainflex obejmuje przewody sterownicze, serwoprzewody, przewody silnikowe i do robotów, a także przewody „BUS-owe”, przewody do transmisji danych, przewody enkoderowe oraz światłowody.

Helukabel oferuje dla przemysłu m.in.: kable sterownicze, kable do przesyłu danych, przewody bezhalogenowe, światłowody, kable do transmisji danych, kable telekomunikacyjne, kable płaskie czy przewody odporne na temperaturę. Przewody i kable dostępne są w różnych wykonaniach, w tym nabyć można kable odporne na czynniki chemiczne, atmosferyczne, działanie temperatur czy promieniowanie elektromagnetyczne. Warto tu wspomnieć o kablach bezhalogenowych w powłoce odpornej na działanie bioolejów (Bioflex) i mikroorganizmów (Kompoflex), które również odporne są na oleje obróbcze, środki chłodzące i smary. W ofercie Helukabel znaleźć można szereg przewodów i kabli do transmisji danych począwszy od przewodów z serii PAAR-TRONIC, poprzez ekranowane przewody transmisyjne DATAFLAM i DATAPUR, na kablach z serii RD, RE i JE skończywszy. Należy wymienić też serię kabli HELUKAT oraz PROFINET, są to rodziny przewodów przemysłowego Ethernetu.

Technokabel to producent kabli oferujący kable i przewody dla przemysłu, energetyki oraz dla infrastruktury budownictwa i transportu. W ofercie znajdziemy kable sterownicze i przyłączeniowe Technofleks, kable do transmisji danych Technotronik, kable teleinformatyczne w wykonaniu UTP i FTP, sygnalizacyjne Technokontrol, przewody audio-wideo, przewody współosiowe a także przewody i kable w wykonaniach specjalnych – serię produktów bezhalogenowych, iskrobezpiecznych. Technokabel produkuje również kable do zastosowań militarnych.

Polski oddział firmy Lapp Kabel, Lap Polska ma w swojej ofercie zarówno kable sterownicze i przyłączeniowe z serii ÖLFLEX, jak i przewody do transmisji danych ETHERLINE, w tym zgodne ze standardem Ethernet. Znajdziemy tu przewody UNITRONIC typu „BUS”, takie jak INTERBUS, przewody RS-485/RS-422, ProfiBus, CC-LINK, CAN oraz przewody magistralowe m.in. EIB czy gable do transmisji o niskiej częstotliwości nośnej. Jeśli chodzi o przewody Ethernet, to mamy tu do czynienia praktycznie ze wszystkimi rodzajami tych kabli, łącznie z kablami siódmej kategorii do okablowania strukturalnego budynków z serii LAN i kablami z serii FLEX do zastosowań wymagających kabli giętkich – roboty przemysłowe i prowadniki kablowe.

Firma Phoenix Contact oferuje kable sygnałowe i transmisji danych. Dostępne są one w wersjach konfekcjonowanych i sprzedawanych „na metry” co ułatwia wybór okablowania do własnych zastosowań. Firma oferuje kable Ethernet, Profinet i do aplikacji przemysłowych, gdzie stosowana jest magistrala AS-Interface. Co ciekawe, kable dostępne są też w wykonaniu morskim odpornym na słoną wodę i trudne pod względem temperatury i wilgotności warunki atmosferyczne.

To tylko niektóre spośród setek marek kabli i przewodów dostępnych na polskim rynku, które przeznaczone są do zastosowań przemysłowych i systemów sterowania w automatyce przemysłowej.

*Tabele produktowe dostępne są wydaniu drukowanym oraz PDF miesięcznika Automatyka.

źródło: Automatyka 10/2019