沒有這些連接器 工業(yè)自動化就無法實現(xiàn)

現(xiàn)在，有各種不同的連接器用來連接工業(yè)自動化中使用的電纜和組件。這些連接器必須能夠傳輸電纜上攜帶的所有電電源和數(shù)據(jù)信號流，同時以確保導(dǎo)體連接緊密并受保護(hù)的方式端接線路。其中挑戰(zhàn)在于，與工業(yè)自動化相關(guān)的設(shè)備往往位于骯臟、高熱、移動和電氣噪聲的環(huán)境中…因此，工業(yè)電纜連接器需要具有其他應(yīng)用所不需要的耐用性和可靠性。

首先，我們來了解一些工業(yè)連接器的基礎(chǔ)知識：連接器包括歸類為耦合器（連接兩根電纜）的組件，以及那種包括連接器組件的插頭和插槽（或插座）的系統(tǒng)。在某些情況下，連接器也可以指電纜密封套——穿過外殼的端接部分... 通常配有一個可自由旋轉(zhuǎn)的子部件，其作用是壓緊電纜末端的 O 形密封圈，使電纜與化學(xué)品、火焰、污物和外部電流隔離。

工業(yè)電纜連接器將位于在前部和后部安裝的設(shè)備插座上的電纜連接在一起（更常見）。所有的連接器和電纜密封套都具有 IEC 60529 規(guī)定的入侵保護(hù) (IP) 等級，以量化防塵、防潮能力。這些等級與用于描述組件外殼以及工業(yè)設(shè)備外殼堅固性的等級相同。一個 IP 代碼有兩個數(shù)字，數(shù)值越大，表明防塵、防潮的水平越高。

IP等級的第一位數(shù)字規(guī)定了對固體（如灰塵）的保護(hù)水平——從用數(shù)字 0 表示無保護(hù)到用數(shù)字 6 表示防塵密封。

IP 等級第二位數(shù)字規(guī)定了對液體的保護(hù)水平——從用數(shù)字 0 表示沒有保護(hù)，到數(shù)字 8 表示在1 m 深處的持續(xù)防水保護(hù)。

圖 1：此圖說明了 IEC 60529 的各種 IP 等級的含義。電纜連接器的 IP 等級至關(guān)重要。（圖片來源：connectortips.com）

自動化領(lǐng)域的 RJ 和 M12 以太網(wǎng)連接器之比較目前，由 IEEE 802.3 定義的以太網(wǎng)仍然是全球使用最廣泛的局域網(wǎng) (LAN) 技術(shù)。基于以太網(wǎng)的工業(yè)自動化通信標(biāo)準(zhǔn)包括 ModbusTCP/IP、EtherCAT、Ethernet/IP 和 Profinet。通常與以太網(wǎng)電纜有關(guān)的連接器是無處不在的注冊插孔 (RJ) 連接器。大多數(shù) RJ 連接器包括一個插頭。這種插頭有一個簡單的塑料凸片，用于卡入 RJ 插座上具有特殊幾何結(jié)構(gòu)的配接口，從而將兩者安全地固定在一起。插頭和插座很容易配合電纜——安裝人員可以同時將其夾緊，并使用專用的壓接工具制作電氣接觸部分。采用壓接式端接器時，可以現(xiàn)場切削電纜，而且這樣制作的電纜可靠性極高。針對這種現(xiàn)場安裝而設(shè)計的插頭子組件通常本身透明，因此安裝人員能在電纜使用前檢查所有的內(nèi)部觸頭。也就是說，工廠裝配電纜的可靠性無可匹敵。

圖 2：TL2253-ND手動壓接工具，可以在現(xiàn)場對四線、六線和八線以太網(wǎng)電纜的 RJ 插頭端接部分按長度進(jìn)行切割。只需擠壓一下，壓接工具的刀口就能將扁平或圓形的 Cat5e 和 Cat6 電纜剝皮并可靠固定連接器。（圖片來源：Tripp Lite）

如果 RJ 連接器對于特定的工業(yè)環(huán)境來說耐用性不足，則 M12 連接器可能是更好的選擇。這是因為 M12 連接器能夠?qū)崿F(xiàn)更可靠、更堅固耐用的連接——還有具有防灰、防水的優(yōu)勢。

圖 3：以太網(wǎng)電纜上最常見的 RJ 連接器。也就是說，以太網(wǎng)電纜還可以使用其他類型的連接器。（圖片來源：Getty Images）

由 IEEE 802.3 定義的以太網(wǎng)供電(PoE) 是一種通過單根電纜獲得數(shù)據(jù)和電力的便捷方法。PoE替代方案 A（通常稱為模式 A）使用相同的兩個雙絞線對來傳輸數(shù)據(jù)和電源，因此可以使用較少芯數(shù)的電纜——帶寬被限制為 100 Mbps (100BASE-TX)。PoE 替代方案 B（通常稱為模式 B）使用具有四對雙絞線的 Cat 5 以太網(wǎng)電纜——兩對用于傳輸數(shù)據(jù)，兩對用于供電。這會減少用于數(shù)據(jù)的帶寬——即使是千兆位以太網(wǎng)級電纜，也會將數(shù)據(jù)速率限制在100 Mbps。

4PPoE或四對電纜需要有四對雙絞線電纜，并且都是同時傳輸電力和數(shù)據(jù)。這意味著可以支持更高的數(shù)據(jù)速率（千兆位以太網(wǎng)及以上）和更大的電流。接受 PoE 供電的設(shè)備必須配置為接受其原有的模式 A 或模式 B。也就是說，這類電纜可能采用固定或交替的跨線對電阻來表明兼容性，并要求特定的電源配置。當(dāng)然，真正決定系統(tǒng) PoE 模式的是 PoE 電源（源設(shè)備或 PSE）。

圖 4：連接器的設(shè)計在很大程度上是由其端接的電纜決定的。M12 以太網(wǎng)電纜連接器，如本文顯示的連接器，通常比 RJ 連接器更堅固；一些制造商對其進(jìn)行顏色編碼，以表明與 PoE 模式和導(dǎo)體排列的兼容性。（圖片源：LumbergAutomation）同時端接數(shù)據(jù)和電力電纜（以及如工業(yè)以太網(wǎng)、PROFINET 和現(xiàn)場總線等網(wǎng)絡(luò)布線）的連接器就是 M 系列連接器——這是一種圓形配接連接器，帶有螺紋式母套管（用于安裝在公頭插座上）且內(nèi)含一組導(dǎo)電插針。M8 (8 mm) 和 M12 (12 mm) 螺紋最常見，但 M5、M16 和 M23 也是比較熟悉的標(biāo)準(zhǔn)。M 系列連接器的剛性（旋入式）外殼確保連接高度可靠，即使在抵御腐蝕和沖刷環(huán)境中如此常見的環(huán)境碎屑時，也能提供很好的保護(hù)，最大限度地減少不連續(xù)信號。所以，M 系列連接器會成為工業(yè)自動化的執(zhí)行器、PLC、傳感器、開關(guān)和控制器電纜方面的最高標(biāo)準(zhǔn)也就不足為奇了。

M8和 M12 連接器提供 2 個、3 個、4個、5個、8個或12個針腳（針位）選擇。傳感器和電源一般需要 3 個或 4 個針腳。對于以太網(wǎng)和 PROFINET電纜端的 M 系列連接器，需要四個或八個針腳。相比之下，那些用于傳輸現(xiàn)場總線、CAN 總線和 DeviceNet 數(shù)據(jù)的電纜末端的針腳通常為 4 個或 5 個。當(dāng)然，攜帶多個數(shù)據(jù)和電源流的電纜可能需要用具有全部 12 個引腳的 M 系列連接器進(jìn)行端接。

圖 5：BradUltra-Lock 120108直角連接器為提高可靠性對 M12 連接器設(shè)計進(jìn)行了專有改造。（圖片來源：Molex）事實上，一種相關(guān)的連接器插座設(shè)計在行業(yè)中相當(dāng)普遍，那就是引腳陣列和插座對——最初由Molex推出，所以這種連接器有時俗稱為 Molex 互連器件。Molex Brad 系列專有連接器以 M12 連接器為基礎(chǔ)，但更方便、更可靠的按壓鎖定式系統(tǒng)取代了螺紋套管。由于鎖定效果不依賴操作者的擰緊螺紋動作，因此確保了可靠性并將信號斷續(xù)的風(fēng)險降至最低。Brad 連接器變型包括:

• Brad Micro-Push M12 連接器——一種提供 IP65 保護(hù)的推拉式連接器

• 提供 IP65 保護(hù)的 Brad MX-PTLM12 按壓鎖定式連接器

• Brad Micro-Change M12 螺紋連接器提供 IP67 級保護(hù)

• Brad Ultra-Lock 和Ultra-Lock EX M12 連接器配有按壓鎖定式接頭和 O 形圈，具有全 IP69K 級入侵保護(hù)性能。

高頻信號同軸連接器同軸電纜（配有同軸連接器）也用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，用于傳輸高頻信號——特別是支持振動監(jiān)測和模擬信號傳輸?shù)耐S電纜。標(biāo)準(zhǔn)比比皆是。

BNC連接器具有卡口緊固結(jié)構(gòu)，需要旋轉(zhuǎn)四分之一圈來實現(xiàn)連接或斷開。這種連接器可用于 12GHz 以上的頻率，在某些情況下可達(dá) 18GHz。DIN 0.4 - DIN 2.5 連接器是體積非常小的壓入式連接器，適用于 3GHz 以下的頻率。相比之下，DIN1.0/2.3連接器是廣泛用于數(shù)字電信的小型壓入式射頻連接器。

用于自動化機械的模塊化和定制電纜的數(shù)量激增在傳統(tǒng)的系統(tǒng)集成方法中，電纜是在自動化設(shè)備的安裝過程中在現(xiàn)場“制備”的——測量、切割和端接。這通常意味著現(xiàn)場電工將所需的電纜切割成特定長度，剝?nèi)ニ袑?dǎo)體護(hù)套，并將電纜與連接手頭組件所需的連接器結(jié)合在一起。這種現(xiàn)場電纜準(zhǔn)備工作很耗時，還會導(dǎo)致連接質(zhì)量不穩(wěn)定。這就是為什么采購由標(biāo)準(zhǔn)電纜和工廠安裝的連接器組成的模塊化電纜和連接器系統(tǒng)成為當(dāng)今的趨勢。所需的電纜長度已在設(shè)計過程中確定，到貨后可直接安裝。

有人估計，模塊化電纜可將現(xiàn)場安裝時間減少 60% 至 70%，同時提高電氣連接的可靠性。

電纜密封套的特殊情況被稱為密封套的電纜連接器用于電纜需要穿過外殼情況。密封套的作用三個：固定電纜、防止電纜磨損、在電纜周圍形成密封，以保護(hù)外殼內(nèi)的組件不受環(huán)境碎屑的影響。電纜密封套的電纜固定方式從根本上防止了因拉扯或其他干擾而損壞電氣觸頭。電纜密封套還能防止電纜與外殼預(yù)留孔的尖銳金屬板邊緣發(fā)生刮擦或摩擦。這點很重要，因為金屬板很容易劃傷電纜護(hù)套，最終導(dǎo)致電纜芯線短路。

要求不高的應(yīng)用通常使用具有多個觸指的片狀密封套來固定電纜。這種類型的密封套成本較低，但需要定期重新擰緊以保持入侵保護(hù)等級。較高質(zhì)量的密封套使用連續(xù)密封件來固定電纜。這種類型的密封套經(jīng)過長期運行后也幾乎不可能出現(xiàn)松動。 今天的工業(yè)電源連接器的結(jié)構(gòu)用于工業(yè)自動化的設(shè)備除了數(shù)據(jù)連接外，往往還需要通過電線連接電源。上文所述的相對較新的 PoE 技術(shù)是可能是更好的選擇，因為這種技術(shù)使布線非常簡單。然而，絕大多數(shù)的自動化組件和系統(tǒng)都需要傳統(tǒng)的電源線。

由國際電工委員會 (IEC) 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)化連接器在消費、辦公以及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的電力電纜上很常見。IEC 在 IEC60320 標(biāo)準(zhǔn)中定義了一系列非鎖定式連接器，電壓為 250V，電流不超過 16A。此處，C13/C14 連接器通常用于電子設(shè)備——包括計算機電源。較大的 C19/C20 耦合器用于承載較大電流的電纜端——例如包括服務(wù)器外殼。

圖 6：通用電源線包括各種 IEC 和其他標(biāo)準(zhǔn)連接器。（圖片來源：Getty Images）

對于更關(guān)鍵或要求更高的應(yīng)用，通常首選 IEC 60309 連接器。這些插頭、插座和耦合器明確用于工業(yè)用途，可以承載1000V 電壓、800A 電流和 500Hz 頻率。所有這些連接器都具有一定的防水能力。IP44 連接器防濺，IP67 連接器防水，而 IP66/67 連接器甚至在受到加壓水流沖擊時也能可靠地防止進(jìn)水。插口也可以采用聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，這樣插座就不能通電，除非它與插頭相配接——而且在切斷電源之前，插頭無法拔出。

圖 7：注意這種大功率電纜連接器的顏色編碼（符合 IEC60309 標(biāo)準(zhǔn)）。（圖片來源：Railway Tech）

不同尺寸的 IEC 60309 連接器適合不同的額定電流。連接器也通過鍵控和顏色編碼來表示其電壓和頻率范圍：

• 黃色表示頻率為 50 - 60 Hz 時100- 130 V

• 藍(lán)色表示頻率為 50 - 60 Hz 時200 - 250 V

• 紅色表示頻率為 50 - 60 Hz 時380 - 480 V——通常為三相配置

結(jié)語

在為工業(yè)自動化選擇連接器和密封頭時，有許多幾何形狀和集成方式可供選擇。在為給定的自動化機械指定電纜規(guī)格中，設(shè)計工程師首先考慮的必須是電纜芯數(shù)和線芯規(guī)格。其次，還必須考慮的是入侵保護(hù)性能和鎖定機構(gòu)的可靠性，以防止信號斷續(xù)。

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