Rynek złączy przemysłowych

Pod ogólnym pojęciem złącza przemysłowego kryje się zbiór kilku grup produktowych stosowanych do przesyłania sygnałów cyfrowych i analogowych. Są to złącza światłowodowe, złącza energetyczne wykorzystywane wszędzie tam, gdzie istnieje konieczność przesyłania energii stało- i zmiennoprądowej, złącza nisko- oraz wysokoprądowe i napięciowe, a także złącza do przesyłania innych mediów, takich jak sprężone powietrze, transport materiałów sypkich czy złącza hydrauliczne. Ponadto złącza dzieli się na jedno- i wielostykowe, a także złącza do systemów wykorzystujących szyny – np. złączki szeregowe montowane na szynie DIN.

Jednak w automatyce, przemyśle maszynowym, transporcie, przemyśle samochodowym i lotniczym oraz w zastosowaniach telekomunikacyjno-informatycznych złącza przemysłowe najczęściej kojarzone są ze złączami prądowymi, napięciowymi oraz sygnałowymi. Co więcej, pod pojęciem przemysłowe rozumie się profesjonalne wyroby, które zapewniają dużą niezawodność łączenia, dużą wytrzymałość mechaniczną i środowiskową – są np. oporne na wilgoć, zalanie czy pył. Ponadto często wykonane są w sposób uniemożliwiający iskrzenie, dzięki czemu mogą być stosowane w warunkach zagrożenia wybuchem (ATEX).

Szukając definicji złącza znajdziemy, że jest to zespół połączeniowy składający się z dwóch elementów: wtyku i gniazda. Zespół ten, tak jak zaznaczono na wstępie, umożliwia szybkie i bezproblemowe łączenie oraz rozłączanie dwóch lub więcej obwodów przez wetknięcie wtyku do gniazda. Złącze może służyć też do przedłużenia linii, dzięki połączeniu ze sobą dwóch przewodów. Co więcej, pod pojęciem złącze często rozumie się samo gniazdo.

Konstrukcja złączy jest zróżnicowana i dopasowana do konkretnych zastosowań lub aplikacji. W większości przypadków można jednak w ich budowie znaleźć szereg podobieństw. Przede wszystkim po połączeniu wtyk lub jego styki mieszczą się w gnieździe. Dla ułatwienia określania strony złącza stosuje się odniesienia do budowy anatomicznej narządów płciowych. I tak gniazda i wtyki określa sięodpowiednio jako żeńskie i męskie. Co więcej, zarówno gniazda, jak i wtyk, mogą być męskie, wówczas mają styki w postaci bolców lub pinów, bądź żeńskie, które mają styki umieszczone w otworach. Innymi słowy, piny mogą znajdować się zarówno we wtyku, jak i w gnieździe. Analogicznie otwory mogą być w gnieździe lub wtyku.

Klasyfikacja złączy przemysłowych

Z rozległego zakresu zastosowań złączy wynika ich różnorodność. Dostępne na rynku modele różnią się od siebie rodzajem przenoszonych sygnałów, metodą podłączenia przewodów, ich liczbą, kształtem obudowy czy materiałami, z których są wykonane. Większość złączy przemysłowych, zarówno tych elektrycznych, jak i sygnałowych jest ściśle zdefiniowana oraz znormalizowana. Informacje na ten temat znaleźć można w normach branżowych, np. w publikacjach International Electrotechnical Commission (IEC), wśród których wymienić można normy:

• IEC 60309, connectors primarily used for industrial purposes,
• IEC 60320, for use up to 250V AC for electrical appliances,
• IEC 60906-1, 230V AC connectors for domestic use,
• IEC 60906-2, 115V AC connectors,
• IEC 60906-3, safety extra-low voltage connectors for domestic use,
• IEC 62196, connectors and charging modes for electric vehicles;

jak i bardziej ogólnych takich jak np. Polskie Normy:

• PN-EN 60309-1:2002 (U), Gniazda wtyczkowe i wtyczki do instalacji przemysłowych – Część 1: Wymagania ogólne,
• PN-EN 60309-2:2002, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do instalacji przemysłowych – Część 2: Wymagania dotyczące zamienności wyrobów z zestykami tulejkowo-kołkowymi,
• PN-IEC 884-1:1996, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do użytku domowego i podobnego – Wymagania ogólne,
• PN-IEC 884-2-2:1996, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do użytku domowego i podobnego – Wymagania szczegółowe dla gniazd wtyczkowych do urządzeń,
• PN-IEC 884-2-3:1996, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do użytku domowego i podobnego – Wymagania szczegółowe dla gniazd wtyczkowych z łącznikiem, bez blokady do instalacji stałych,
• PN-IEC 60884-2-5:2002, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do użytku domowego i podobnego – Część 2-5: Wymagania szczegółowe do rozgałęźników wtyczkowych,
• PN-IEC 60884-2-6:2002, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do użytku domowego i podobnego – Część 2-6: Wymagania szczegółowe dla gniazd wtyczkowych z łącznikiem i z blokadą do instalacji stałych,
• PN-88/E-53100, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do użytku domowego i podobnego – Sprawdziany,
• PN-E-93201:1997, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do użytku domowego i podobnego – Gniazda wtyczkowe i wtyczki na napięcie znamionowe 250 V i prądy znamionowe do 16 A,
• PN-E-93202:1997, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do użytku domowego i podobnego – Gniazda wtyczkowe dwubiegunowe 2,5 A, 250 V,
• PN-E-93204:1997, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do użytku domowego i podobnego – Gniazda wtyczkowe i wtyczki ze stykami prostokątnymi w układzie liniowym na napięcie znamionowe 440 V i prąd znamionowy 25 A,
• PN-E-93205:1997, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do użytku domowego i podobnego – Wtyczki z wtykiem odłączalnym do szeregowych kompletów choinkowych,
• PN-E-93206:1997, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do użytku domowego i podobnego – Gniazda wtyczkowe szczękowe 16 A, 250 V,
• PN-E-93213:2000, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do użytku domowego i podobnego – Gniazda wtyczkowe i wtyczki kodowane DATA do urządzeń informatycznych i biurowych na napięcie znamionowe 250 V i prądy znamionowe do 16 A,
• PN-E-93251:1998, Gniazda wtyczkowe i wtyczki do instalacji przemysłowych – Gniazda wtyczkowe i wtyczki na napięcie znamionowe 500 V i prądy znamionowe 32 A i 63 A ze stykami prostokątnymi w układzie kołowym.

Oprócz tego każdy producent dysponuje szeroką gamą własnych rozwiązań. Tego typu złącza znaleźć można w firmowych katalogach każdego z producentów, gdzie są uszeregowane względem zastosowań i parametrów technicznych. Wybór takiego złącza wiąże się niestety z przywiązaniem aplikacji do danego rozwiązania konkretnej firmy. Na szczęście, na rynku są też przyjęte w przemyśle systemy złączy, które nie zostały formalnie znormalizowane, ale są produkowane przez kilku lub nawet kilkunastu producentów na zasadzie wzajemnych porozumień i wymiany rozwiązań. Rynek ten jest bardzo mocno zróżnicowany.

Oczywiście, złącza przemysłowe obejmują szereg produktów, których podstawowy sposób klasyfikacji związany jest z maksymalną wartością przesyłanych prądów i napięć. Do tego klasyfikuje się złącza z sygnałowe, prądowe oraz służące do przesyłu danych. Takie złącza mogą występować też w wersjach przewód–obudowa, przewód–przewód i przewód-płytka drukowana oraz mogą mieć od jednego do nawet kilkudziesięciu torów przesyłowo-sygnałowych. Istotną podgrupę stanowią złącza teleinformatyczne i do komunikacji w sieciach automatyki przemysłowej zgodne np. ze standardami Fieldbus czy Ethernet.

Na to nakłada się jeszcze klasyfikacja dotyczącą kształtów złączy (okrągłe, prostokątne itd.), gabarytów, materiałów, z jakich są wykonane oraz parametrów takich jak stopień ochrony przed wilgocią, wytrzymałość mechaniczna, odporność na warunki środowiskowe, w tym pyłoszczelności i gazoszczelności a także cechy izolacji elektrycznej i zgodności z ATEX. W efekcie tworzy się obszerna i zróżnicowana gama wyrobów. Oprócz tego, ogólnie złącza przemysłowe, można też podzielić ze względu na liczbę styków na złącza:

• jednopinowe,
• wielopinowe.

Ze względu na kształt i wymiary złącza dzielimy na:

• okrągłe (w tym koncentryczne), najczęściej stosowane w połączeniach obudowy z zewnętrznymi doprowadzeniami przewodów,
• prostokątne, najszerzej stosowane w automatyce,
• wielokątne,
• modułowe, które pozwalają rozbudowywać liczbę i typ złączy wraz z rosnącymi potrzebami przyłączeniowymi,
• specjalne, np. odporne na zalanie, odporne na wibracje czy nieiskrzące (ATEX),
• symetryczne, które pozwalają na połączenie wtyczki również po jej obróceniu (np. USB Type-C),
• asymetryczne, pozwalają na podłączenie tylko w jednej pozycji (np. USB Type-B),
• kompaktowe, czyli o niewielkich wymiarach;
• zaciskowe, służące do samozaciskowego wpinania kabli i przewodów.

Jeśli chodzi o złącza elektryczne stosowana jest też klasyfikacja ze względu na funkcje wewnętrznego i zewnętrznego połączenia sprzętu. Poziom wzajemnego połączenia jest podzielony na sześć warstw:

• pierwsza warstwa to wzajemne połączenie komponentu z obudową,
• druga warstwa obejmuje połączenie obudowy z płytką drukowaną,
• trzecia warstwa to połączenie płytka-płytka,
• czwarta warstwa odpowiada za połączenie komponentu z komponentem,
• warstwa piąta dotyczy połączenie komponentów z interfejsami wejściowymi i wyjściowymi,
• warstwa szósta to zaś połączenie system–system.

Ze względu na strukturę połączenia złącza przemysłowe dzieli się na:

• złącza płytka–płytka,
• złącza płytka–przewody,
• złącza przewód–przewód,
• złącza przewód–obudowa.

Według klasyfikacji na realizowaną funkcję złączy:

• złącza mocy, które dzieli się w zależności od transmisji mocy na: niskiej, średniej i wysokiej mocy,
• złącze sygnałowe (transmisja sygnału),
• złącze wysokiej częstotliwości (transmisja danych).

Podsumowując klasyfikację i biorąc pod uwagę przemysłowe zastosowanie złączy i odnosząc się do odpowiednich norm technicznych, złącza można podzielić na następujące kategorie:

• złącza prostokątne,
• złącza okrągłe,
• złącza koncentryczne,
• złącza zaciskowe,
• złącza RF,
• złącze światłowodowe,
• złącza bezkontaktowe, np. przełącznik zbliżeniowy.

Zastosowania złączy

Jak widać, złącza przemysłowe to wyjątkowo zróżnicowana grupa produktów, zarówno pod względem asortymentu, jak i aplikacyjnym. Mimo to klienci względem nich, niezależnie od zastosowań, formułują dość stałe wymogi. Po pierwsze muszą one spełniać wymogi aplikacji, czyli mieć odpowiednio dopasowane parametry techniczne i budowę, muszą też cechować się wystarczającą jakością i akceptowalnymi kosztami. Co ciekawe, nie chodzi tu, jak w większości wypadków o jak najmniejszą cenę zakupu, ale o to, aby koszt był racjonalnie dopasowany do przyszłej aplikacji.

Wysoka jakość i spełnianie przez złącza parametrów technicznych aplikacji związana jest z wysokimi wymogami co do niezawodności połączenia, zapewniania odpowiedniej izolacji, bezpieczeństwa i długiej żywotności. Często złącza muszą pracować w ekstremalnych warunkach, np. w kopalniach, w miejscach gdzie służby utrzymania ruchu, mówiąc trywialnie, zaglądają bardzo rzadko. Złącza przemysłowe pracują też często przy dużych prądach i napięciach w niesprzyjających warunkach środowiskowych. Narażone są też na uszkodzenia mechaniczne. Dlatego przez konstruktorów traktowane są jako elementy krytyczne systemu czy maszyny.

Wielorakość zastosowań sprawia, że cały czas mamy do czynienia z rozwijającym się rynkiem. Pojawiają się nowe obszary zastosowań, takie jak np. Przemysłowy Internet Rzeczy. Bardzo często nie są to już to tylko elementy łączeniowe, ale również charakteryzują się dodatkowymi funkcjonalnościami. Nikogo nie dziwią zintegrowane ze złączem czujniki, sterowniki, testery a nawet switche, które pozawalają łatwo budować inteligentną sieć Internetu Rzeczy. Producenci złączy skupiają się również na większym upakowaniu kontaktów w dotychczasowych gabarytach czy miniaturyzacji samych wtyczek i gniazd, a także na opracowywaniu wersji z dodatkowym ekranowaniem lub w wykonaniach beziskrowych.

Często zdarza się, że złącza opracowywane i produkowane są na zamówienie pod ścisłe wymagania klientów. Najczęściej dzieje się tak w branży motoryzacyjnej, lotniczej i transportowej, ale również w wypadku konkretnych zagadnień aplikacyjnych związanych ze sterowaniem i systemami automatyki. Chodzi tu o maksymalną optymalizację i często połączenie kilku funkcji (transmisja sygnału, danych, zasilanie) lub mediów (sygnały elektryczne, światłowód) w jednym złączu. Zapotrzebowanie na tego typu rozwiązania jest na tyle duże, że np. firma HARTING uruchomiła w Polsce zakład specjalizujący się w produkcji rozwiązań pod indywidualne potrzeby aplikacji.

W tym miejscu warto zaznaczyć, że złącza sprzedawane są zarówno samodzielnie, jak też w tzw. kompletacjach. Chodzi tu przede wszystkim o wiązki kablowe oraz kable z zarobionymi złączami, kable ze złączami i prowadnicami przewodów oraz jako całościowe elementy montażowe do bezpośredniego podłączenia. Tego typu kompletacje cieszą się coraz większym zainteresowaniem klientów.

Rynek

Według firmy analitycznej Allied Market Research, wartość globalnego rynku złączy oceniona została w 2019 r. na 64,17 miliardów dolarów i przewiduje się, że osiągnie 98,12 mld dolarów do 2027 r., rejestrując w latach 2020–2027 ok. 6,7% wzrostu średniorocznie. Analitycy przewidują, że globalny rynek złączy będzie szybko się rozwijał. Spowodowane to będzie takimi czynnikami jak szybka urbanizacja wraz ze wzrostem popytu na urządzenia elektryczne i elektroniczne, wysokie wykorzystanie technologii automatyzacji w przemyśle (Przemysł 4.0) w różnych sektorach, w tym w sektorach produkcji maszyn, systemów automatyki, robotów, energetycznym (elektrownie wiatrowe, fotowoltaika), telekomunikacja (telefonia 5G, Internet Rzeczy) obronnym i motoryzacyjnym – to one w głównej mierze odpowiadają za napędzanie globalnego rynku złączy.

Warto zaznaczyć, że w analizach, globalny rynek złączy jest podzielony na typ produktu, użytkownika końcowego i regionu. Przez typ produktu rozumie się załącza wykorzystane na płytkach drukowanych, złącza we/wy, przemysłowe złącza okrągłe i kwadratowe, złącza światłowodowe, złącza RF, złącza koncentryczne i inne. Przez użytkownika końcowego rozumie się rynek elektroniki użytkowej, telekomunikacji, motoryzacji, energii i mocy, przemysł lotniczy i obronnego i inne.

W latach 2021–2027, oczekuje się, że rynek złączy w regionie Azji i Pacyfiku będzie rósł w szybszym tempie w porównaniu z innymi regionami. Jest to spowodowane istotnym wzrostem popytu ze strony gospodarek takich krajów jak Chiny, Indie oraz Korea Południowa i Japonia. Na przykład, rząd chiński ma nadzieję, że przemysłowy rynek IoT (IIoT) będzie się rozwijał, przynosząc około 75 mld USD do 2021 r.. Ponadto rząd japoński zatwierdził plan, znany jako „Odrodzenie Japonii”, który nakreśla drogę do wzmocnienia sektora produkcyjnego poprzez przeznaczenie na rozwój jego 1,3 biliona USD. Oczekuje się, że do 2023 r. przychody firm przemysłowych wzrosną o 490 mld USD, w wyniku przyjęcia standardów Przemysłu 4.0.

Wartość polskiego rynku złączy przemysłowych szacowana jest na ok. od 80 do 150 mln złotych rocznie. W Polsce obecni są bezpośrednio lub pośrednio, zarówno najwięksi wytwórcy uznanych marek, jak szereg firm, głownie chińskich, oferujących tańsze rozwiązania. Kluczowymi dostawcami markowych rozwiązań z punktu widzenia zastosowań przemysłowych są m.in. igus, Lapp, wspomniany HARTING, Molex, Phoenix Contact, Conec, Turck, Wieland Electric, Wago czy Weidmüller. Popularne marki złączy oferują również liczni dystrybutorzy. Przykładami tego typu marek są Amphenol, Cabur, Ilme, Lemo, czy Degson a znaleźć je można w ofercie takich firm jak Astat, Conrad, Conprod, Dacpol, Eltron, Impol-1, Micros, Soyter, OEM Automatic, TIM czy Semicon.

Ofertę złączy znajdziemy również u tzw. sprzedawców katalogowych, czyli u takich firm jak Automation24, Digi-Key, Elfa Distrelec, Elhurt, Farnell, RS Components oraz TME. Sprzedażą złączy, w tym złączy specjalistycznych zajmują się również dystrybutorzy produktów związanych z branżą automatyki, elektrotechniki i elektroniki. Złącza są również wyrobami, o które można bardzo szybko rozszerzyć ofertę, co dodatkowo sprzyja ich rozpowszechnieniu na rynku – dostaniemy je praktycznie w każdym sklepie elektrotechnicznym, elektronicznym czy handlującym materiałami branży budowlanej.

Branże wykorzystujące największą różnorodność złączy

Do największych grup odbiorców złączy przemysłowych należy sektor maszynowy, energetyka, transport szynowy, przemysł spożywczy, chemiczny oraz górnictwo. Do produkowanych przez siebie wyrobów złącza są przede wszystkim wykorzystywane w przemyśle motoryzacyjnym, maszynowym oraz elektrotechnicznym i elektronicznym. Ważnym odbiorcą złączy jest też branża zbrojeniowa i szeroko pojęty rynek wojskowy.

Jeśli chodzi o funkcjonalność i specyfikację techniczną to w przypadku zastosowań typowo przemysłowych, w tym automatyki istotna jest wytrzymałość mechaniczna i prądowa. Do tego dochodzi możliwość stosowania złączy modułowych. Energetyka wymaga złączy wysokoprądowych, szczelnych oraz szybkich w montażu i demontażu, podobnie górnictwo, z tym, że dochodzi tu jeszcze wymóg spełnienia specyfikacji ATEX. Co ciekawe, w sektorze transportowym i przemyśle motoryzacyjnym wymaga się złączy o dużej odporności na wibracje, a często również dostosowanych do możliwości pracy w ekstremalnych warunkach środowiskowych – na przykład w komorze silnika.

W zastosowaniach przemysłowych najbardziej popularne są złącza okrągłe o różnym kodowaniu i prostokątne, jednotorowe i wielotorowe. W systemach automatyki stosuje się też złącza miniaturowe, modułowe i hybrydowe, które bardzo często odporne są na wysokie temperatury. Producenci maszyn i urządzeń bardzo chętnie wykorzystują złącza miniaturowe i hybrydowe, co spowodowane jest tym, że pozwalają na prowadzenie w jednej obudowie wielu różnych połączeń sygnałowych oraz zasilających. Z kolei wersje modułowe umożliwiają dopasowanie złącza do konkretnych potrzeb aplikacji u klienta w miejscu montażu urządzenia. Dzięki nim można też dobierać swobodnie podzespoły montażowe, takie jak wkładki, ramki czy obudowy.

Złącza miniaturowe stosuje się przede wszystkim w systemach elektroniki przemysłowej i urządzeniach komunikacyjnych. Złącza takie charakteryzują się bardzo dobrej jakości wykonaniem i materiałami, po to aby sprostać charakterystykom prądowo-napięciowym i mechanicznym, które muszą być zbliżone do ich większych odpowiedników, tak aby zapewniać możliwość przewodzenia większych prądów, odpowiednią izolację i parametry związane z wytrzymałością mechaniczną.

Wpływ pandemii na rynek 2021

Na końcu zajmijmy się jeszcze problemem, jak pandemia koronawirusa wpłynęła na rynek złączy. Pojawienie się COVID-19 znacząco wpłynęło na sektor przemysłowy i elektroniczny na całym świecie. Jednostki biznesowe i produkcyjne w różnych krajach zostały zamknięte, ze względu na wzrost liczby przypadków COVID-19, nie wiadomo, jak pod tym względem będzie wyglądać jesień 2021. Częściowe lub całkowite zamknięcie zakłóciło globalny łańcuch dostaw, stwarzając producentom wyzwania w dotarciu do klientów.

Sytuacja ta istotnie wpłynęła na zmniejszenie dostaw. Efektem lock­downów związanych z  COVID-19 była na dużą skalę przerwa w produkcji w całej Europie oraz przerwa w eksporcie chińskich części. Niemniej, w drugiej połowie roku widoczny jest, na szczęście, wzrost popytu na złącza dla motoryzacji, elektroniki użytkowej i sektora telekomunikacji, co związane jest ze wzmożoną produkcją i popytem na wyroby po zakończeniu wiosennej fali wirusa. Jest to pewnością optymistyczny akcent, który może mieć zasadniczy wpływ na światowy rynek złączy.

źródło: Automatyka 9/2021