Simplificar la implementación de equipos industriales utilizando conectores modulares configurables

Al considerar cómo hacer las conexiones de señal y energía para las aplicaciones industriales, generalmente hay muchas conexiones de energía, tierra y señal que deben hacerse en lugares estrechos. Los diseñadores necesitan especificar el cableado de muchos tipos, mientras que interconectar el tiempo de preparación, la conveniencia y el espacio son también factores críticos. En estas situaciones, muchos diseños de equipos industriales recurren a un "cableado" básico punto a punto en el que el técnico conecta manualmente los cables de uno en uno.

La realidad, sin embargo, es que este manual de cableado in situ consume mucho tiempo en el campo, es propenso a errores y por lo tanto es costoso. Es especialmente costoso en cuanto a tiempo perdido, esfuerzo de restauración y errores si se necesita una desconexión/reconexión por cualquier razón, incluyendo la reparación, expansión o reordenación.

La solución a este problema de eficiencia, costo, espacio y fiabilidad es utilizar conectores modulares ya que son flexibles, versátiles y fáciles de manejar. También pueden incluir una gran variedad de carcasas de conectores y marcos de montaje que se emparejan con insertos de mezcla y combinación seleccionables por el diseñador, diseñados para manejar una diversa gama de señales eléctricas específicas, incluyendo tipos de alimentación, señal y datos, utilizando cables desnudos, conectores D-Sub, cableado coaxial e incluso fibra óptica y neumática de aire comprimido.

En el presente artículo se utilizará un ejemplo práctico para poner de relieve algunas de las cuestiones con un enfoque manual. A continuación, introducirá un enfoque más flexible y eficiente basado en los conectores de la serie Han-Modular de HARTING , mostrando también cómo resuelven muchos problemas de cableado. Se describirá una herramienta de configuración que ayudará a los diseñadores a construir rápidamente el conector óptimo basado en el sistema Han-Modular.

Cableado de punto a punto: rápido, fácil, a menudo desordenado

Parece más fácil implementar interconexiones básicas con cableado punto a punto, pero en muchos casos se lamenta esa decisión. Consideremos el ejemplo de una actualización del cableado de un simple termostato "tonto" de una zona que requería un relé intermedio entre la unidad inteligente y el controlador del sistema de calefacción, a uno inteligente. El cableado de la primera zona era irregular y parecía desordenado, pero se instaló rápidamente y funcionó. Además, como todo era de 24 voltios CA, no había problemas con el cableado expuesto y la seguridad.

Sin embargo, al año siguiente, el dueño de la casa decidió mejorar las otras dos zonas de calefacción con termostatos inteligentes. El cableado añadido de punto a punto también se hizo "a la carrera" y el resultado fue un nido de ratas que funcionó de manera asombrosa (Figura 1). Si bien es funcional, no es un buen enfoque a largo plazo, ya que este esquema sería muy difícil de solucionar más tarde si surgiera un problema, y cualquier actualización adicional sería una pesadilla.

Figura 1: El desordenado cableado de punto a punto puede ser el resultado de la complejidad del proyecto o incluso de la estratificación incremental de la funcionalidad añadida a un sistema base, como se muestra en este cableado para los relés de una actualización de un termostato inteligente de tres zonas. (Fuente de la imagen: Bill Schweber)

Esta situación era inaceptable por razones prácticas, estéticas y de documentación, por lo que se tomó la decisión de limpiar y recablear todo el arreglo mediante el cableado con orejetas de pala y regletas de terminales de tornillo (Figura 2). Esto llevó menos tiempo y planificación que el uso de tres conectores dedicados (uno por zona) y se consideró un compromiso aceptable en este caso, a pesar de las más de 50 conexiones discretas. Esta instalación demostró los aparentes beneficios de las conexiones punto a punto cableadas: requieren relativamente poca planificación (un esquema o diagrama de interconexión es a menudo suficiente), un compromiso mínimo y pueden ponerse en marcha inmediatamente.

Figura 2: El cableado de la actualización del termostato se mejoró mediante el recableado con un uso extensivo de terminales de pala y tiras de terminales de tornillo, pero aún así requirió un cuidado extremo al recablear más de 50 conexiones para evitar errores mientras se ocupaba un espacio significativo en comparación con el uso de conectores de multicontactos. (Fuente de la imagen: Bill Schweber)

El mundo industrial es más complejo

En un entorno industrial, incluso esa mejora del cableado tendría consecuencias perjudiciales a largo plazo. La instalación de todos esos cables individuales requiere múltiples comprobaciones de la colocación de cada cable frente al dibujo, así como la comprobación de la integridad física. El etiquetado de cada cable es también crítico, y normalmente hay normas de etiquetado ANSI e ISO a seguir. Si es necesario desconectar el equipo para su reparación o reubicación, hay que deshacer el complicado proceso de conexión, y su reconexión requiere repetir el proceso.

Obviamente, los cables precableados discretos y los conectores de acoplamiento ofrecen una alternativa inicialmente atractiva. Estos pueden ser construidos y probados de antemano en un entorno controlado, eliminando el cableado, pero también traen nuevas preocupaciones. Muchas instalaciones emplean una mezcla de tipos de señales, tales como voltajes altos y bajos en un rango de valores de corriente, señales de sensores, numerosos tipos de enlaces de datos, así como Ethernet, fibra óptica, e incluso aire a baja presión (neumático). El resultado es una colección variada de cables y conectores, que ocupan un espacio considerable en el panel, pueden requerir de un tecleado si hay varios cables con el mismo tipo de conector, y aún así toman tiempo para conectar/desconectar.

Hay una solución que parece resolver el dilema del multicable/conector, al menos al principio. Los conectores estándar están disponibles con múltiples contactos de potencia y señal en una carcasa común. En realidad son solo una solución parcial por dos razones. En primer lugar, solo están disponibles en conjuntos predeterminados y fijos de números y tipos de contacto, como dos posiciones para la potencia y seis para la señal. En segundo lugar, solo están disponibles para niveles básicos de señal y potencia de bajo/alto nivel, y algunas señales de datos, pero no para conexiones de gigabit Ethernet (GbE), fibra óptica de vidrio o plástico, o incluso conexiones neumáticas (de aire) de baja presión.

Modularidad completa: una mejor solución

Para evitar estas limitaciones de contacto, los diseñadores pueden usar la serie de conectores HARTING Han-Modular. Estos representan el estado del arte en términos de flexibilidad de mezcla y combinación debido al número y tipos de contactos. El diseñador selecciona casi cualquier combinación de conectores y contactos, y luego elige un marco de conector para sostenerlos junto con una carcasa adecuada (Figura 3 y Figura 4).

Figura 3: La modularidad definida por el usuario da como resultado la creación de un conector personalizado con componentes estándar. (Fuente de la imagen: HARTING)

Figura 4: El resultado del proceso que se muestra en la figura 3 es un ensamblaje de conector cerrado compacto, totalmente personalizado, con los lados de acoplamiento emparejados. (Fuente de la imagen: HARTING)

Los módulos Han soportan conectores y contactos (masculinos y femeninos) para corrientes de unos pocos miliamperios a 200 amperios (A), voltajes de hasta 5.000 voltios, mangueras neumáticas, líneas de datos, señal de bus blindada e incluso cables de plástico o fibra óptica de vidrio. Es un rango de selección eléctrica y mecánica que no se encuentra en otros conjuntos de conectores/contactos multifuncionales.

El uso de estos conectores hace que el cable y el cableado sea una tarea prediseñada que puede ser diseñada, ensamblada y probada como un arnés completo fuera del sitio en lugar de en el sitio de instalación, y luego simple y rápidamente conectada y desconectada (Figura 5).

Figura 5: Los cables terminados en conectores se montan y prueban fuera del sitio, luego se instalan rápidamente en el sitio y se desconectan según sea necesario; observe los diferentes tipos de cableado fusionados dentro de cada uno de los dos conectores rectangulares, particularmente visibles en el conector de la izquierda. (Fuente de la imagen: HARTING)

Hay otro beneficio en el alto grado de modularidad y flexibilidad de esta serie. En el mundo real del diseño de productos, los requisitos cambian y evolucionan a medida que el proyecto avanza. Con la serie Han-Modular, no hay necesidad de empezar de nuevo en la búsqueda de un conector o conectores que puedan acomodar estos requisitos añadidos; todo lo que un diseñador tiene que hacer es añadir otro módulo interno al conector básico.

Los ejemplos destacan la variedad y la versatilidad

En lugar de llamar a los muchos conectores y contactos que están disponibles en la serie Han-Modular, un breve vistazo a algunos proporciona una buena idea de las opciones.

Primero, está el marco que sostiene los módulos conectores. Un ejemplo es el bastidor articulado de alta resistencia 09140240313 para seis módulos (Figura 6). Los módulos de conexión individuales se insertan, aseguran y bloquean en este marco.

Figura 6: Uno de los muchos marcos disponibles para sujetar los conectores, el marco abisagrado de alta resistencia 09140240313, tiene espacio para seis de estos módulos. (Fuente de la imagen: HARTING)

Un sistema industrial de última generación puede incluso tener que soportar enlaces GbE, por lo que se puede añadir el módulo Gigabit 09140083012 con contactos macho (Figura 7). El conector blindado tiene una capacidad de funcionamiento de 10 gigabits por segundo (Gbit/s) y también soporta la entrega de energía IEEE 802.3bt (también llamada PoE++).

Figura 7: Este conector blindado GbE 09140083012 conectado en serie tiene una capacidad de funcionamiento de 10 Gbit/s y también admite la entrega de energía IEEE 802.3bt (PoE++). (Fuente de la imagen: HARTING)

Al mismo tiempo, es posible que el conector tenga que soportar una alimentación sustancial de CA o CC, por lo que la carcasa hembra de seis contactos 09332062648 para los insertos de prensa puede ser una buena opción (Figura 8). Puede manejar insertos de prensa de 500 voltios a 16 A usando alambre sólido o trenzado en tamaños desde 0.14 milímetros cuadrados (mm²) hasta 2.5 mm² (AWG 26 a AWG 14).

Figura 8: Las instalaciones industriales suelen requerir cantidades sustanciales de energía de CA y CC, que pueden conectarse a través de esta carcasa hembra 09332062648 de seis contactos para insertos de prensa; maneja una amplia gama de tamaños de cables sólidos y trenzados. (Fuente de la imagen: HARTING)

Para las instalaciones en las que se necesita un enchufe modular de 8 posiciones RJ45 Cat 6A estándar de la industria, está disponible el conector 09454001520 (Figura 9).

Figura 9: El sistema Han-Modular también tiene previsto el conector RJ45, ampliamente utilizado, que utiliza el conector 09454001520. (Fuente de la imagen: HARTING)

Una de las características distintivas del sistema Han-Modular es su capacidad de proporcionar fácilmente conexiones de aire a baja presión (neumáticas), además de su amplia gama de opciones de conexión eléctrica. Por ejemplo, el 09140033501 es un módulo neumático que es compatible con los muchos marcos, y puede ser configurado para líneas de baja presión de varios diámetros según lo establecido por la selección de insertos adecuados (Figura 10). Entre ellas se encuentran el inserto metálico macho 09140006304 (Figura 11) y el inserto metálico hembra complementario 09140006404 (Figura 12), ambos para tubos de 4 mm de diámetro interior (ID).

Figura 10: Los módulos Han van más allá de la conexión de señales, datos y potencia solo eléctrica, al acomodar el control neumático usando módulos como el 09140033501 para conexiones de aire a baja presión e insertos adecuados. (Fuente de la imagen: HARTING)

Figura 11: El inserto metálico macho 09140006304 está diseñado para tubos neumáticos con un diámetro interior de 4 mm. (Fuente de la imagen: HARTING)

Figura 12: El inserto de metal 09140006404 es el conector hembra para aire a baja presión, también para tubos con un diámetro interior de 4 mm. (Fuente de la imagen: HARTING)

Una vez más, estos son solo una muestra muy pequeña de los muchos insertos y conectores disponibles en la serie Han-Modular.

La herramienta de configuración es clave para la facilidad de uso

Aunque la serie Han-Modular es útil para conectar un conjunto diverso de tipos de cables, funciones y tamaños, las opciones pueden ser abrumadoras y aparentemente imposibles de configurar de forma óptima. HARTING aborda esto proporcionando la herramienta gratuita Han Configurator.

Esta herramienta en línea simplifica enormemente el proceso de construcción de un conector Han-Modular personalizado para aplicaciones específicas. El diseñador simplemente introduce los detalles de los requisitos de conexión y la herramienta llama a los insertos modulares más adecuados para la aplicación, mientras que también proporciona detalles técnicos, dibujos en 3D y archivos de datos para muchas opciones diferentes de conectores. La herramienta también reconoce que hay diseñadores que ya están familiarizados con el sistema Han, y les permite configurar toda una interfaz directamente sin pasar por el asistente paso a paso.

El uso de la herramienta de configuración comienza con la identificación del primer tipo de señal a ser terminada (Figura 13).

Figura 13: La Herramienta de configuración muestra una lista de los muchos tipos de conexión básicos soportados por el sistema Han-Modular; los diseñadores empiezan escogiendo uno de los varios tipos que quieren incorporar al conjunto de conectores. (Fuente de la imagen: HARTING)

La herramienta responde con recuadros desplegables para datos específicos relevantes, que se muestran aquí para las señales eléctricas: número de contactos, clasificación de la corriente, clasificación del voltaje, calibre del cable y técnica de terminación. Se muestran diferentes conjuntos de datos según el tipo de señal (Figura 14).

Figura 14: A continuación, la Herramienta de configuración pide al diseñador que especifique los parámetros de primer nivel para ese tipo de señal; aquí se muestra la elección de "Eléctrico". (Fuente de la imagen: HARTING)

A continuación, los menús desplegables permiten al diseñador especificar requisitos adicionales como el material de la carcasa (Figura 15), la situación de montaje (Figura 16) y el tipo de cierre (Figura 17), de nuevo apropiados para los conectores disponibles (mostrados aquí para "Eléctrico").

Figura 15: La parte inferior de la pantalla de inicio pide la preferencia del diseñador por el material de la carcasa. (Fuente de la imagen: HARTING)

Figura 16: La parte inferior de la pantalla de inicio también ofrece una selección de Situación de montaje para el conector seleccionado. (Fuente de la imagen: HARTING)

Figura 17: Otra elección que se debe hacer es el mecanismo de bloqueo del conector requerido. (Fuente de la imagen: HARTING)

La herramienta genera entonces una primera solución posible viable junto con otras soluciones sugeridas, con la configuración mostrada como un modelo 3D junto con la lista de productos (Figura 18).

Figura 18: Una vez que se introducen todos los tipos de conexión, parámetros y preferencias necesarios, la herramienta construye el conjunto de conectores completo y proporciona una imagen 3D detallada, un listado de piezas y toda la información necesaria. (Fuente de la imagen: HARTING)

El diseñador puede seleccionar la configuración preferida o puede modificar las soluciones sugeridas y reemplazar los componentes individuales.

El configurador Han mejora y acelera todos los aspectos del proceso de diseño, ya que el ingeniero que especifica el conector puede lograr múltiples objetivos:

• Explorar el diseño del conector con una visualización 3D interactiva
• Asegurar que la solución es viable
• Colaborar fácilmente con otros miembros del equipo
• Guardar y compartir el archivo del conector personalizado
• Descargar archivos CAD STP estándar y hojas de datos
• Crear automáticamente una lista de materiales detallada (BOM)

Conclusión:

Los desafíos de elegir el conjunto de conectores adecuados para terminar un cable en un entorno industrial pueden ser frustrantes. El sistema HARTING Han-Modular simplifica la obtención de una solución óptima debido a su alto grado de flexibilidad, modularidad y configurabilidad, todo ello apoyado por una potente e intuitiva Herramienta de configuración. Como resultado, el enfoque de punto a punto con cables puede ser sustituido por una solución optimizada y personalizada que ofrece comodidad y facilidad de conexión en un espacio mínimo.