工業自動化接線用的連接器、接頭與握把選項

有多種連接器可在工業自動化應用中連接纜線與元件。這些連接器必須傳輸纜線上所承載的所有電力與數據訊號流，同時以保持導線緊密連接且受防護的方式端接線路。這當中的難題在於，工業自動化的相關設備往往位於髒亂、高溫、機動性且具有電氣雜訊的環境中，因此工業纜線連接器需具備一定程度的強固性與可靠性，而這在其他應用中並非必要條件。

首先要瞭解工業連接器的一些基礎知識：連接器含有歸類為耦合器 (連接兩條纜線) 的元件，也具有系統，其中包括連接器組件一半尺寸的插頭與插槽 (或插座)。在某些情況下，連接器一詞也會指纜線接頭 (即穿透外殼的端接器)，通常具有自由轉動的子元件，可用來壓住纜線末端周圍的 O 型環密封，以免受到化學物質、火焰、髒汙與外在電流的影響。

工業纜線連接器 (往往) 會將纜線接在正面與背面安裝的設備插座上。所有連接器與纜線接頭皆有侵入防護 (IP) 等級，如 IEC 60529 標準所規定，可量化其耐受髒汙與濕氣的能力。這些等級與用來說明元件外罩以及工業設備外殼的強固性一樣。IP 代碼有兩位數，兩個數字的數值越高代表防護程度越高。

第一個 IP 等級數字代表對灰塵等固體物件的防護程度，從代表無防護的 0，到代表塵密密封的 6。

第二個 IP 等級數字代表對液體的防護程度，從代表無防護的 0，到代表水深 1 m 時持續防護的 8。

圖 1：在此說明 IEC 60529 多種 IP 等級的含意。纜線連接器的 IP 等級極為重要。(圖片來源：connectortips.com)

自動化用的 RJ 與 M12 乙太網路連接器比較

IEEE 802.3 制訂的乙太網路依然是各處最廣泛使用的區域網路技術。工業自動化的乙太網路式通訊標準包括 Modbus TCP/IP、EtherCAT、Ethernet/IP 與 Profinet。經常與乙太網路纜線並用的連接器是相當普遍的註冊插孔 (RJ) 連接器。絕大多數 RJ 連接器含有插頭，其有簡單的塑膠接片可卡進 RJ 插槽的配接幾何中，即可將兩者牢牢固定。插頭與插槽可輕易配合纜線，而且安裝人員可同時將這些項目夾在一起，再透過專用的壓接工具達到電氣接觸。壓接端子可用來建構客製化切割纜線 (現場裝配)，以提供合理的可靠度。針對此類現場安裝而設計的插頭子元件，通常會使用透明主體讓安裝人員檢查所有內部觸點，然後才使用。即便如此，工廠組裝的纜線具有無可比擬的可靠度。

圖 2：此 TL2253-ND 手持壓接工具能針對裁切至指定長度的四、六與八線乙太網路纜線，進行現場 RJ 插頭端接。只要擠壓一下，此工具的刀片就能將扁平或圓形 Cat5e 與 Cat6e 纜線剝線，並且固定連接器主體。(圖片來源： Tripp Lite)

若 RJ 連接器不夠強固，無法滿足特定工業環境，M12 連接器可能是更好的選擇。這是因為 M12 連接器提供更可靠且實體穩固的連接，具有防塵與防液體侵入的額外優勢。

圖 3：RJ 連接器如此圖所示，是乙太網路纜線上最常見的連接器。即便如使，還是有其他連接器類型可用於乙太網路纜線。(圖片來源： Getty Images)

乙太網路供電 (PoE) 是由 IEEE 802.3 所定義，是透過單一纜線同時取得數據與電力的便利方式。PoE 替代方案 A (通常稱為模式 A) 採用相同的兩對雙絞線來承載數據與電力，因此可使用線芯較少的纜線，但頻寬會限制在 100 Mbps (100BASE-TX)。PoE 替代方案 B (通常稱為模式 B) 則採用 Cat 5 乙太網路纜線搭配四對雙絞線，兩條承載數據，兩條承載電力。這會降低數據可用的頻寬，即便纜線具有 Gigabit 乙太網路等級，也會把數據傳輸率限制在 100 Mbps。

4PPoE 或四對纜線中具有四對雙絞導線，全都可傳輸電力與數據。也就是說可支援更高的數據傳輸率 (Gigabit 乙太網路以上) 以及電流。可接受 PoE 供電的裝置在出貨時必須配置成可接受模式 A 或模式 B。如此一來，可能會在線對上使用固定或交替電阻，以代表相容性並要求指定的電力配置。當然，實際上是由 PoE 電源供應器 (源極設備或 PSE) 決定系統的 PoE 模式。

圖 4：連接器的設計幾乎是由其要端接的纜線來決定。M12 乙太網路纜線連接器，如此圖所示，通常會比 RJ 連接器更加強固；有些製造商還會使用顏色編碼來指出 PoE 模式的相容性以及導線排列。(圖片來源： Lumberg Automation)

M 系列連接器可端接數據與電力纜線 (以及網路纜線，例如工業乙太網路、PROFINET 與 Fieldbus)，此圓形配接連接器具有螺紋母端護套筒 (可裝在公端插座上) 包覆在導電引腳陣列上。M8 (8 mm) 與 M12 (12 mm) 螺紋最為常見，但 M5、M16 與 M23 也是耳熟的標準。M 系列連接器的確閉 (螺絲鎖緊) 外殼可確保高度可靠的連接，將間歇訊號降至最低，還可在沖洗與腐蝕性環境中，防範常見的環境碎片。難怪 M 系列連接器是纜線的頂尖標竿，適用於工業自動化用的致動器、PLC、感測器、開關與控制。

M8 與 M12 連接器可能有 2、3、4、5、8 或 12 引腳 (也稱為腳位)。感測器與電源供應器通常需要三或四個引腳。若是乙太網路與 PROFINET 纜線末端的 M 系列連接器，則需要四或八引腳。相較之下，承載 Fieldbus、CANbus 與 DeviceNet 數據的纜線，其末端的連接器則通常使用四或五引腳。當然，承載多重數據與電力流的纜線，就可能需要端接具有全部 12 引腳的 M 系列連接器。

圖 5：此 Brad Ultra-Lock 120108 直角連接器是依據 M12 連接器設計再自行研發的款式，可增強可靠性。(資料來源：Molex)

實際上，業界中有個相關且相當常見的連接器插座設計，就是引腳陣列與插槽對。這原本是由 Molex 推出，因此有時也俗稱為 Molex 互連。Molex 自行研發的 Brad 系列連接器採用 M12 連接器為基礎，但以更便利可靠的推鎖系統取代螺紋套筒。由於此鎖不需要操作人員旋緊螺紋，因此可確保可靠度，並將間歇訊號的機率降至最低。Brad 連接器款式包括：

• Brad Micro-Push M12 連接器 — 推鎖拉開連接器提供 IP65 防護
• Brad MX-PTL M12 推鎖連接器提供 IP65 防護
• Brad Micro-Change M12 螺紋連接器提供 IP67 防護
• Brad Ultra-Lock 與 Ultra-Lock EX M12 連接器具有推鎖接頭與 O 型環，可提供完整的 IP69K 等級侵入防護。

高頻訊號用的同軸連接器

同軸纜線 (配同軸連接器) 也可在工業自動化中傳輸高頻訊號，尤其是支援振動監測與類比訊號傳輸的纜線。各式標準。

BNC 連接器採用卡口固定，需要轉四分之一圈以連接或斷開。可用於超過 12 GHz 的頻率，在某些情況下更可高達 18 GHz。DIN 0.4 至 2.5 連接器是超小型的按壓式連接器，非常適合高達 3 GHz 的頻率。相較之下，DIN 1.0/2.3 連接器是小型的按壓式無線射頻連接器，廣泛用於數位電信應用。

自動化機械用的模組化與客製化纜線逐漸增加

在便利的系統整合作法下，纜線可「客製化」，包括在現場安裝自動化設備時一同測量、切割與端接。這通常是指電氣技師在現場切割纜線至所需長度、剝除導線外皮，然後將纜線與連接器配接，以連接手邊的元件。這些現場纜線準備工作相當耗時，也會導致連接品質有所差異。因此目前的趨勢是採購模組化纜線與連接器系統，其中含有標準纜線與工廠裝配的連接器。必要的纜線長度可在設計期間決定，到貨後即可立即安裝。

有些資料估計模組化纜線能讓現場安裝時間縮短 60% 至 70%，同時還可提升電氣連接的可靠度。

纜線接頭的特殊使用情況

纜線連接器稱為接頭，可用在纜線穿透外殼之處。接頭有三個用途：固定纜線、預防纜線磨損，以及在纜線周圍提供密封以屏蔽外殼內的元件，以免受到環境碎片的影響。纜線接頭固定纜線的方式，主要是用來避免電氣觸點受到猛拉或其他干擾的破壞。此外也可避免纜線刮傷或與外殼開孔的尖銳金屬片邊緣摩擦。這相當重要，因為金屬片可輕易劃破纜線外皮，最終導致線芯短路。

要求較低的應用通常使用薄片接頭，有多個指片可壓接在纜線周圍。此類型接頭成本較低，但需要定期重新鎖緊，以維持侵入防護效果。更高品質的接頭會採用連續密封，可壓接在纜線周圍。此類型接頭隨時間逐漸鬆脫的情況大幅減少。

目前工業用電源連接器的結構

工業自動化用的裝置通常需要有線的電源供應加上數據連接。上述相對較新的 PoE 技術在可採行之處是較偏好的方式，因為能讓接線保持簡化。然而，絕大多數的自動化元件與系統都需要傳統的電源線。

國際電工委員會 (IEC) 制訂的標準化連接器常見於消費性、辦公室以及工業應用的電源纜線上。IEC 在 IEC 60320 標準中制訂多種非鎖定型連接器，其電壓達 250 V，電流不超過 16 A。C13/C14 連接器常用於電子設備中，包括電腦的電源供應器。較大的 C19/C20 耦合器會用於纜線末端，可承載更大的電流，包括伺服器外殼等等。

圖 6：一般用途電源纜線包括多種 IEC 與其他標準的連接器。(圖片來源： Getty Images)

若是更關鍵或高要求的應用，通常會偏好使用 IEC 60309 連接器。這些插頭、插槽與耦合器明訂用於工業用途，並可承載高達 1000 V 的電壓、高達 800 A 的電流，以及高達 500 Hz 的頻率。這些連接器皆可提供一定程度的防水效能：IP44 連接器可防潑水、IP67 連接器可防水、IP66/67 連接器甚至可在高壓水柱下提供可靠的侵入防護。插槽插座可能會聯鎖，如此一來插槽就不會通電，除非插頭插入，而且在電源關閉前，插頭也不能拔除。

圖 7：請注意高功率纜線連接器的顏色編碼 (依循 IEC 60309)。(圖片來源： Railway Tech)

不同尺寸的 IEC 60309 連接器可用於不同的電流額定值。連接器亦可鍵控並經過顏色編碼，可指出其電壓與頻率範圍：

• 黃色代表承載 100 至 130 V @ 50 至 60 Hz
• 藍色代表承載 200 至 250 V @ 50 至 60 Hz
• 紅色代表承載 380 至 480 V @ 50 至 60 Hz；通常為三相配置

結論

挑選工業自動化用的連接器與接頭時，通常有多種幾何與整合選項。針對機械的指定自動化元件挑選纜線時，設計工程師首先要考量纜線線芯數量以及線芯的線規。侵入防護以及是否需要確閉鎖緊裝置以避免間歇訊號，則是第二重要的考量。