傳統的機器硬接線(hardwiring)方法涉及許許多多錯綜複雜的電線與電纜。在現代的機器安裝中,為了操作複雜或多功能的機械設備,各種電氣、訊號與資料接觸點的數量可能高達數以百計。

例如,設計用於戳記、印刷和切割紙張的機器,實際上結合了三台不同機器才具有的大量電氣、資料與訊號設計。如果各項功能不清楚其他功能正在執行的工作,那麼就會出現問題。因此,如果在切割程序完成首批次工作之前,印刷好的紙張就已經進入,機器就會卡住,從而導致產品損壞。

一般情況下,使用多個感測器可以防止發生問題以及生產上的延遲。在採用硬接線的機器中,電力、感測器資料以及控制通訊的每個點都會透過電纜或電線傳輸到控制台或配電盤。這樣加總起來就有多達數百個點對點的接觸,它們不僅需要剝線和焊接,可能還要進行壓線作業。

硬接線的缺點

硬接線的機器在出貨前就必須測試全部的連接點或者輸入/輸出點,對每個點進行接線、測試,然後斷開。接著,技術純熟的技術人員、電工人員或工程師必須在客戶所在的地點,將每一個點對點的接觸位置重新連接起來。這一流程的人工成本十分昂貴。除此之外,每一個接線和斷開過程中都會為機器的製造商增添另一層風險。即使只有一處電線位置不正確,就可能造成機器的損?或徹底破壞,導致數十萬美元的損失。

為了減輕風險,機器製造商往往會派遣工程師到工廠,在安裝過程或客戶增加新的生產線時監督機器的接線作業。而每次的現場拜訪作業,都會使機器的總成本不斷上升。

在客戶方面,負責處理繁重接線任務的技術人員必須參考電氣和訊號原理圖,執行日常任務以及解決各種問題。在一處設有數台硬接線馬達和驅動裝置的工廠中,一旦發生問題,可能就得斷開數百個點對點的接觸位置後再重新連接,才能安全地除錯並診斷問題。

機器製造商與終端用戶工程師在加工廠、製造廠以及裝配廠中操作工業機械時,可能會面臨時間、成本以及調整與維護機械設備的複雜度等挑戰。典型的自動化配置需要大量的工時來處理系統的硬接線與啟動系統,從而實現穩定的運轉與同步作業。而且,需要例行維護的機器還必須拆解、維修,然後再重新組裝起來。這又一次意味著要斷開然後重新連接起硬接線的每一點。正如之前所說的,這是一項非常耗時的任務。機器的停機總會損失生產力和盈利能力,造成總購置成本的上升。

轉向模組化

繁重的機器接線任務是客戶經常抱怨的問題。因此機器製造商正一馬當先地從硬接線轉為使用模組化(modular)連接器。針對新型的機器,以及在市場上存在多年的機器,改善連接效果通常可以帶來更高的客戶滿意度與忠誠度,同時提升銷售。

Molex connector P1 在機器應用中,80%以上的連接器都採用M12規格,如上所示。這類產品在尺寸、性能和操作的便利性之間取得了均衡。該型連接器可以承受高達16安培的電流

模組化連接器的投資報酬率可能來自以下方面: ‧ 為機械設備、機器人和裝配線減少人力並縮短調試時間。 ‧ 顯著縮短電氣調試時間並降低機器的總裝機成本。 ‧ 性能十分可靠,符合IEC的標準化作業,以及NFPA-79安全規範。 ‧ 更快、更容易進行維護和修理,以提高生產力並縮短停機時間。 ‧ 因應需求或操作變化,配置、修改和擴展機器和裝配線的靈活性與可擴展性。

模組化連接器具有出色的機械穩定度,無需在現場進行人力密集型的接線安裝作業,並且可以簡化例行的測試與維護,特別是當機器設置於狹小空間或是偏遠位置的工廠時效果尤為明顯。技術人員可以快速斷開使用了客製化配置電線組(cordset)的設備,並直接插入到可攜式的測試設備中。在具有成千上百個連接點的工廠廠房中,這項功能能夠節省可觀的人力。

這些優勢甚至可以拓展到工廠自動化應用中,這類應用往往在狹小空間中需要使用高度複雜而又功能強大的機械設備。幾種模組化連接器的尺寸和樣式經專門設計,可以滿足嚴苛的工業機械應用與流程提出的嚴格要求。其中一些較為常見的產品包括:

重型連接器(HDC):工業連接器的主要作用是保持安全可靠的連接。但是,在連接或者斷開過程中,甚至在操作過程中,液體、灰塵和其他污染物都可能進入連接器外殼之內,最終造成斷電和停機。在一些特定的惡劣工業環境中,特別是在石油與天然氣、食品飲料和汽車產業中,這些情況都會對電氣和電子設備產生異常重大的影響。

HDC的設計目的在於為要求嚴苛的應用提供多年不間斷的良好性能。外殼可能採用經過聚酯粉末進行表面處理(EMC應用採用鍍鎳版本)的壓鑄鋁合金,或者採用自熄的熱塑性外層。閉鎖機構含有鍍鋅鋼或不銹鋼的整體鑄造鎖桿,或是不銹鋼材料的彈簧和拉簧鉤,以確保良好的密封效果,在耦合上的穩定度可防止閉鎖機構由於振動或衝擊而意外打開。內部保護墊片則針對灰塵、水份和侵蝕劑提供密封功能。堅固的聯軸器在最惡劣的工業環境下也可長期提供可靠的性能。

HDC可提供多種配置、形狀及尺寸。電線組各端上的連接器存在明顯的區別,使得安裝過程極其合理且直觀,可以顯著降低對工程資源的需求,避免發生由於用戶出錯而造成的接線問題。

模組化的HDC外殼可以根據終端使用者的具體需求進行客製。客製化選項包括由使用者配置的矩形連接器,連接器的接腳數或電壓也各不相同,而選項的組合則包括在單一連接器中同時包含電力、訊號、同軸或其他傳輸介質。例如,HDC可以將RJ45和訊號接腳結合在一起,同時傳輸電力、資料與訊號。在涉及多台機器的情況下,裝配作業仍可保持一致性與可重複性,進而減少人力並實現整體的節省。

高功率M系列連接器:機械設備和裝配線對於HDC和其他標準化的工業連接器設定了嚴格的要求。M系列連接器嚴格符合產業規範要求,確保與其他的元件供應商、工業機械OEM以及系統佈局的相容性。用於配電和馬達控制的預塑模成型電纜,以及隨按即鎖(push-to-lock)的專利M12連接器,簡化了與感測器、致動器和其他裝置的連接操作。

M40連接器通常指定用於高功率應用,例如動態伺服驅動裝置、封裝和材料搬運、汽車生產線和其他機器人作業,以及任何需要緊湊型高功率輸入的驅動裝置。既定的產業標準包括6極(3+2+PE)和8極(4+3+PE)連接器配置以及標準長度的電線組(2、3、5、7和10公尺)。電源接腳額定值為37安培(A),而訊號接腳額定值為16A,可提供快速連接,讓機器的停機時間與維護成本降至最低。

基本上滿足可靠性和性能嚴格要求的一系列M23連接器與插座,也廣泛地用於工業自動化和材料搬運領域的電源應用(高達28A)。M23連接器一般具有6條或8條用於供電的電線,訊號線可以多達19條。可在現場連接的公端子和母端子纜線連接器提供直排版本和直角版本,可在前與後安裝的機器中實現設計靈活性。整合的閉鎖機構無需專用的裝配工具,即可簡便地完成裝配與拆解作業。

Molex connector P2 雙端子電線組為工程師和設計人員提供各種不同的連接器,能夠佈設在電線組的每一端

在惡劣潮濕的工業環境中,建議使用良好密封的IP67等級M40或M23介面,以防止灰塵、水份和污染物進入到外殼中。薄型、預裝配的包塑(overmolded)連接器與電線組可使用多種外徑的電纜以及各種形式的插座,這樣有助於減少接線和裝配中出錯,節省寶貴的時間與空間。使用包塑成型時,需要選用合適的材料與設計,以便在低溫和高溫環境下提供緊密的連接。優質的連接器可以達到100%的密封效果,而品質不佳的版本能夠達到70%的密封性能也已經是萬幸了。

專用的遮罩式連接器電纜採用了耐油耐焊渣的護套,在廣泛的工作溫度範圍下可提供出色的彎曲性能與扭轉性能。觸點支架中密封的接腳可防止暴露在外的接腳接觸到雙手和手指而造成電擊,提高了安全性。在設計緊湊而載流能力更高的連接器中,增強的散熱設計可以更有效地控制熱量。

承受風險最高的元件是連接至關鍵機械與控制系統的連接器。它們可能需要IP69K等級的直流或多極連接器嵌件和外殼,以防止水份和污染物的進入,並且耐受極端的振動和溫度。

支柱型M12連接器:在機器應用中,約佔80%或更多的連接器屬於M12的變型,它可以在尺寸、性能以及操作方式之間實現最佳平衡。較小型的M5和M8連接器通常較為脆弱,因此傾向於空間極其受限的低功率應用與訊號應用上,例如感測器等。

標準的M12連接器能夠承載16A的電流,滿足馬達、電磁操縱閥門與致動器以及機器和自動化控制中24V直流(DC)輔助配電系統,以符合最常見的供電要求。重要的一點在於廠商必須指定使用按IEC標準61076-2-xxx設計的產品,該標準建立了一個開放的產業標準,可以促進眾多的平台和製造商對標準化連接器的採納。

尺寸更小的M12電源連接器針對加固設計的電氣要求提供多種編碼(coding),以便於工廠自動化設備的使用。例如: ‧ M12 F編碼(F-Coding)電源連接器在每一個接腳上可提供高達300V AC/DC的電壓與16A的電流,還可防止錯誤地配對到用於輸入、輸出、訊號或工業網路連接的其他M12連接器。 ‧ M12 L型編碼(L-Coding)電源連接器在每一個接腳上可以耐受63V AC/DC電壓與16A的電流,功率可達到標準型M12連接器的四倍。 ‧ M12 T型編碼(T-Coding)電源連接器功率是標準型M12連接器的三倍,每個接腳可提供63V AC/DC電壓以及高達12A的電流。

模組化M12連接器中使用的隨按即鎖技術不需要轉動聯軸器,即可提供牢固、耐久的配對功能。技術人員只要按下即可完成連接,提起即可斷開,在顯著節省時間的同時,不再需要傳統的螺紋式M12連接器安裝時所需的重複手掌/手腕動作。這樣可以提高生產效率,縮短調試時間與生產時間。在操作和商業上的優勢隨著時間而不斷增加,對於工業機械和自動化系統來說,可以節省多達80%的電氣調試時間。

混合式連接器:混合連接器的尺寸較小,以圓形的M12螺紋接頭設計為基礎。越來越多的M12連接器被用於電導感測器和光學感測器,符合乙太網路(Ethernet)、PROFINET和其他主動元件匯流排連接的編碼要求,在工業機械和自動化平台上可以連接到可編程邏輯控制器(PLC)的骨幹。

典型的IP密封式M12圓形混合連接器可以在4接腳陣列(兩個遮罩對)上整合起Cat5e Ethernet資料速度與供電線路,連接器密封在環繞的金屬管套中,使串擾和電磁干擾(EMI)降至最低,以實現最佳的訊號完整性與訊號性能。8極的圓形混合連接器(4+4)可以含有兩條Cat5e Ethernet資料線與四條電源線,承載高達6A的電流。

混合連接器將電源線與資料訊號線整合到一個連接器中,減少了在機器設計中佔用的空間,降低了佈線的要求、縮短安裝時間並減少相關的成本,該效果在惡劣的工業應用中更為顯著。密封的混合連接器可作為工業製程與自動化控制設備的理想選擇,或是任何需要一台裝置同時提供供電與資料的應用。遮罩防護的理念並不僅限於M12的加工尺寸,還可以針對M16或M23之類的其他外形來開發。

模組化連接器的優勢

傳統的硬接線一直是工業自動化以及機器供電、訊號與資料的標準。然而,隨著越來越多的工業應用和客戶需要更高的通用性、靈活性與可靠性,工業機械的製造商現在越來越傾向於使用模組化連接器。

Molex connector P3 在此應用中,高功率的線路為連接每台藍色驅動裝置的電纜供電

長久以來,為製造廠和裝配廠所使用的機械設備進行設計與安裝的人員在處理現場的設備時,面對著調試時間、成本和複雜度等方面的挑戰。機器人以及其他複雜的自動化機械需要授權的專業人員花費大量工時來配置、通電並同步,才能達到精確的操作參數。這些步驟會造成部署上的延遲,以及總購置成本的快速攀升。當硬接線的系統需要例行維護時,就必須拆解、維護並重新裝配,這樣就需要更多的時間與成本。隨著時間和人工成本的增加,生產效率與盈利能力就會隨之降低。

儘管硬接線連接的前期投資成本較低,但由於存在腐蝕或者是人為出錯的可能性,使其發生機械故障的風險也更高一些。探尋各種方式以簡化機器的維護作業,對於設計人員、製造商、工廠的工程師以及管理人員來說,都是一項持續不斷的挑戰。

在惡劣的工業環境下,模組化連接器更可靠地承受重度使用與頻繁接觸。快速斷開的電源、訊號連接器與電線組在工廠模製而成,並由抗壓材料構成,可輕易取代機器的硬接線。

模組化的電源和訊號連接器僅在進行預測試後才能出貨,與主要依靠安裝人員資格和專業經驗的熱線式安裝相比,這是一項巨大的優勢。如要拆解然後重新裝配機器以供維護或是廠房的重新配置,技術人員只需要斷開機器、感測器、致動器和其他設備上的電線組與連接器,然後再重新連接即可。這就意味著只要透過培訓合格的技術人員即可快速、方便地安裝起完整、符合標準的連接網路,毋須動員獲得授權的專業人員,也不必再耗費時間和精力來為安裝和端接操作拉伸電纜、進行硬接線。

根據電源和訊號的要求,需要能夠耐受化學品沖洗以及極端溫度、濕度與灰塵條件的連接器。可靠的IP級別HDC與M系列連接器可提供產業標準的解決方案,並且針對工業連接應用提供多種編碼的變化版本。隨著機器或操作的變化,這類連接器還便於配置、修改或擴展,或者可配合廠房的重新設計。