Usar sistemas industriales confiables y mantener a los operadores seguros usando las conexiones y sensores adecuados

A medida que las instalaciones industriales continúan aprovechando la Internet Industrial de las Cosas (IIoT) para lograr niveles crecientes de automatización, análisis predictivo y seguridad, las conexiones fiables entre dispositivos y sistemas se vuelven cada vez más críticas. Sin embargo, algunas aplicaciones pueden ser extremadamente implacables. Tanto los cables como los operadores humanos cercanos pueden estar expuestos a temperaturas extremas de calor y frío, así como a productos químicos y gases corrosivos.

Además, la presencia de gases corrosivos como el sulfuro de hidrógeno liberado por algunos equipos no solo es perjudicial para los operadores humanos, sino que al entrar en contacto con la humedad de un cable estos gases crean subproductos de reacción peligrosos como el ácido sulfúrico. Esto puede corroer rápidamente la cubierta del cable, dejando expuestos el blindaje y los conductores, lo que a menudo conduce a cortocircuitos y fallos del sistema.

Este artículo discutirá los desafíos del cableado en entornos difíciles. A continuación, mostrará cómo los diseñadores de sistemas industriales pueden garantizar la fiabilidad de las conexiones y la seguridad de los operadores seleccionando cables sensores de grado industrial utilizando ejemplos reales de Molex. En el artículo también se examinará un ejemplo práctico de cómo detectar el peligroso gas de sulfuro de hidrógeno antes de que cause daños graves al equipo o al personal.

El cableado en entornos industriales muy duros

Los sistemas de automatización industrial se basan en sensores para detectar el estado de los procesos y sistemas de una fábrica. Los tipos de sensores utilizados varían y pueden incluir termistores de temperatura, transductores de presión, sensores de nivel, detectores de luz e interruptores de proximidad. Los datos precisos de los sensores son necesarios para que la computadora principal pueda decidir adecuadamente cómo y cuándo controlar los actuadores de los motores, las cintas transportadoras, las luces, la medición de líquidos y otros dispositivos similares. Los datos incorrectos de los sensores pueden dar lugar a que se controlen los actuadores en el momento equivocado o con los parámetros equivocados. Los resultados pueden variar desde un funcionamiento ineficiente con el correspondiente aumento de los costos de explotación, hasta un fallo del sistema que provoque un costoso tiempo de inactividad. La selección y el uso adecuados del cableado expuesto a entornos difíciles pueden mejorar la fiabilidad de los datos del sensor y las señales de control del actuador. La elección incorrecta del cableado puede introducir fallos de conexión intermitentes que son notoriamente difíciles de solucionar, causando un costoso tiempo de inactividad. Los cables mal seleccionados pueden llevar eventualmente a la degradación de la señal o a la pérdida total de la misma.

El cableado de un fabricante que haya certificado el cable como de grado industrial con una clasificación de IP67 o IP68 puede superar muchos de estos problemas. Tenga en cuenta que el hecho de que un cable esté etiquetado como IP67 o IP68 no significa que el cable sea de grado industrial: el código IP sólo certifica que el cable es resistente a las partículas comunes y al agua. Como tal, los cables comunes de grado de consumidor pueden tener la certificación IP68 y pueden parecer resistentes, pero pueden no tener la protección contra temperaturas extremas, la resistencia tanto a solventes comunes como a líquidos corrosivos, o la inmunidad a la torsión y a la abrasión que viene con el cableado robusto de grado industrial.

Conectando a sensores y actuadores USB en entornos industriales

Mientras que muchos tipos diferentes de sensores y actuadores utilizan diferentes opciones de interfaz, un método seguro y ubicuo es utilizar el USB como interfaz. Las instalaciones modernas están aprovechando las capacidades del USB 3.0 debido a su alta velocidad, entrega de energía y mejora de la fiabilidad. Molex suministra el cable industrial USB 3.0 0847330005 (Figura 1). Este cable tiene 1.31 metros (m) de largo, tiene un conector de receptáculo circular USB 3.0 Tipo A sellado en un extremo, y un enchufe USB 3.0 Tipo A en el otro. Todo el conjunto de cables está clasificado como IP67. Soporta una velocidad de datos de 5 gigabits por segundo (Gbits/s) y es compatible con los enchufes y receptáculos USB 2.0. El cable está clasificado entre -40 °C y +85 °C y es apropiado para la mayoría de los ambientes industriales severos.

Figura 1: El cable USB 3.0 0847330005 de Molex tiene un receptáculo circular USB 3.0 Tipo A en un extremo y un enchufe estándar USB 3.0 Tipo A en el otro. Es un cable de grado industrial que es adecuado para entornos difíciles. (Fuente de la imagen: Molex)

El cable USB 3.0 0847330005 de Molex está clasificado para manejar con seguridad un máximo de 1 amperio (A) por cada contacto. Está totalmente blindado contra interferencias electromagnéticas (EMI), necesarias para que una transferencia de datos USB 3.0 de 5 Gbit/s no interfiera con otros equipos electrónicos.

El enchufe USB 3.0 tipo A puede conectarse a una computadora industrial o a un sistema integrado que proporcione un receptáculo USB 3.0 estándar que se encuentra comúnmente en la mayoría de las computadoras personales (PC). El otro extremo del cable con el receptáculo circular USB 3.0 Tipo A se conecta al equipo del sensor que tiene una interfaz USB. La tuerca del conector circular del receptáculo tiene un mecanismo de bloqueo por torsión fácil de usar que puede soportar 20 libras-pulgadas (lb-pulg.) de torsión. Esto proporciona una sólida conexión con el equipo de sensores que no se desarmará accidentalmente. Cada conector tiene una capacidad nominal de 500 ciclos de acople y desacople, lo cual es apropiado para equipos industriales que deben ser reconfigurados periódicamente.

La junta del conector circular del receptáculo es de nitrilo negro que proporciona una excelente resistencia al agua y a los aceites industriales. Las juntas de nitrilo también son resistentes a la gasolina, a los fluidos hidráulicos y a los disolventes comunes. Esto hace que este cable sea excelente para conectarse a los sensores utilizados en la maquinaria de gasolina. Los derrames o accidentes con disolventes u otros fluidos que encuentren su camino hacia el conector no penetrarán en el sello e interferirán con las transferencias de datos.

La luz solar y la luz ultravioleta (UV) pueden causar la decoloración de la cubierta de un cable, lo cual puede ser inconveniente cuando los cables están codificados por colores para facilitar su mantenimiento. La luz del sol también puede causar que las cubiertas de los cables comerciales se rompan, exponiendo el blindaje EMI a los elementos. La cubierta del cable Molex USB 3.0 está hecha de una resina de PVC duradera que tiene una excelente resistencia a la luz solar y a los rayos UV. La resina de PVC también es resistente al agua, lo que con el tiempo puede acortar la longitud de los cables comerciales hechos de materiales de consumo.

Conectando a los actuadores mecánicos y solenoides

Los conectores de válvula DIN se utilizan para activar los solenoides que se usan para controlar los actuadores como válvulas, presostatos, interruptores de límite y motores de baja energía. Para las conexiones sólidas a los actuadores de válvulas DIN en entornos industriales, Molex proporciona el conector de válvula DIN 2210503466 y un cable de 5 m (Figura 2). Está terminado con una coleta de tres hilos para su conexión a un voltaje de hasta 24 voltios. El conjunto del cable está clasificado entre -40 °C y +90 °C, lo que lo hace adecuado no sólo para ambientes fríos sino también para algunos motores y equipos que se calientan mucho.

El conector de la válvula DIN Molex proporciona un sellado IP67 ajustado y seguro sobre una válvula DIN, y cuando se activa activará o desactivará la válvula dependiendo del tipo de válvula DIN que se controle. El conector está asegurado por un tornillo para proporcionar la máxima protección contra la extracción involuntaria. Un diodo emisor de luz (LED) amarillo en el conector DIN proporciona una indicación visual de que la válvula DIN ha sido activada.

Figura 2: El 2210503466 de Molex tiene un conector de válvula DIN en un extremo y una coleta de tres hilos en el otro. Un LED amarillo indica a los operadores que la válvula ha sido activada. (Fuente de la imagen: Molex)

El conector y cable de válvula DIN Molex 2210503466 tiene una cubierta de poliuretano que es resistente a la mayoría de los productos químicos agresivos y es extremadamente resistente al abuso de la torsión y la flexión. Las cubiertas de cable de poliuretano también son muy resistentes a las fuerzas de corte y aplastamiento. Un cable de válvula DIN dañado puede provocar un funcionamiento intermitente del equipo de válvula DIN o un fallo total del equipo. Esto hace que este cable sea apropiado para los actuadores de maquinaria pesada en movimiento, donde el cable puede extenderse y contraerse rápidamente, y también cuando un mal funcionamiento o una mala configuración de la máquina puede hacer que el cable se aplaste.

Como práctica segura, no se recomienda que el cable sea tan corto que alargarlo durante el funcionamiento normal ponga tensión en cualquiera de los extremos de la conexión del cable. Para ello es necesario que haya suficiente holgura en el cable para evitar que se tire de cualquiera de los extremos de la terminación del cable; sin embargo, cuanto más holgura haya en el cable, mayor será la posibilidad de que éste quede atrapado o aplastado accidentalmente. En estas aplicaciones una cubierta de poliuretano es una solución apropiada y rentable.

Protección contra sustancias corrosivas

Los motores de gasolina y algunos procesos químicos industriales pueden emitir un peligroso gas de sulfuro de hidrógeno. Si bien las instalaciones industriales están diseñadas para que estos gases estén contenidos de forma segura, cualquier persona que conduzca un vehículo a gasolina sabe que los colectores de escape pueden tener fugas; además, a veces alguien en la fábrica puede olvidarse de cerrar una válvula. El gas de sulfuro de hidrógeno es extremadamente tóxico para los operadores humanos, incluso en pequeñas cantidades. Aunque a menudo se puede reconocer como un olor a huevo podrido, el sulfuro de hidrógeno es más pesado que el aire y se puede propagar rápidamente sin ser detectado en el suelo de un gran complejo industrial lejos de su punto de origen.

Si el sulfuro de hidrógeno entra en contacto con el agua, forma ácido sulfúrico corrosivo que puede corroer muy rápidamente los equipos de cobre, hierro y aluminio. Al entrar en contacto con un cable húmedo, el ácido sulfúrico puede corroer rápidamente la mayoría de los tipos de aislamiento de los cables, como el poliuretano. Mientras que las cubiertas de cable de resina de PVC son más resistentes a los ácidos que el poliuretano a temperatura ambiente, a temperaturas extremas de ácido sulfúrico caliente y frío pueden corroer rápidamente las cubiertas de cable de PVC. Independientemente de las hojas de especificaciones de los materiales, el sulfuro de hidrógeno y el ácido sulfúrico deben considerarse peligrosos para cualquier material que no sean los colectores de escape y otros equipos diseñados específicamente para contener estas sustancias peligrosas.

Para mantener a salvo los cables, los equipos y los operadores humanos, Molex Sensorcon proporciona el analizador de gas de sulfuro de hidrógeno 2023150001 (Figura 3). Es un dispositivo de mano con una pantalla LCD que puede detectar y mostrar concentraciones de gas de sulfuro de hidrógeno con una resolución tan pequeña como 1 parte por millón (ppm) y tan alta como 400 ppm.

Figura 3: El 2023150001 de Molex Sensorcon es un detector de gas de sulfuro de hidrógeno de mano que puede detectar gas de sulfuro de hidrógeno de 1 ppm a 400 ppm. (Fuente de la imagen: Molex)

El detector de gas de sulfuro de hidrógeno 2023150001 de Molex Sensorcon tiene una clasificación IP67 y puede hacer sonar dos alarmas diferentes desde puntos de ajuste de alarma altos y bajos. El punto de ajuste de fábrica de la alarma baja es de 10 ppm, pero se puede ajustar manualmente hasta 1 ppm. El punto de ajuste de fábrica de la alarma alta es de 15 ppm o más, pero se puede ajustar manualmente a 100 ppm o más. Junto con estas alarmas, la unidad portátil también puede vibrar en alerta, lo que es útil en entornos industriales ruidosos.

El detector es apropiado para detectar pequeñas concentraciones de gas de sulfuro de hidrógeno cerca del suelo y especialmente en los pozos del suelo de las máquinas donde se pueden acumular gases más pesados que el aire. Esto es útil para detectar el sulfuro de hidrógeno cuando el olor de los huevos podridos no ha alcanzado un nivel lo suficientemente alto como para ser detectado por la nariz de los operadores humanos.

Los motores y la mayoría de los procesos industriales que emiten gas de sulfuro de hidrógeno también emiten monóxido de carbono, que es inodoro y puede ser tóxico para los seres humanos, incluso en pequeñas cantidades. Molex Sensorcon ofrece el detector de gas de monóxido de carbono 2023100001, que tiene la misma construcción física que el detector de sulfuro de hidrógeno. La presencia de monóxido de carbono no solo es un peligro para los operadores humanos, sino que también puede indicar la presencia no detectada de sulfuro de hidrógeno. Ambas unidades son útiles en una instalación de automatización industrial para mantener seguros a los operadores y equipos humanos.

Conclusión:

Las instalaciones de automatización industrial pueden ser implacables en los montajes de cables, especialmente en condiciones extremas de calor y frío, y donde pueden estar presentes gases y líquidos peligrosos y corrosivos. Los conjuntos de cables sensores de grado industrial aseguran que las computadoras tengan datos precisos de los sensores para que los sistemas industriales puedan ser controlados de manera adecuada y eficiente, mientras que los cables de grado industrial para los actuadores aseguran que las operaciones sean controladas de manera adecuada y confiable. Esto reduce los costos operacionales al aumentar la fiabilidad y reducir el mantenimiento.