如何為工廠自動化打造穩固的電力、通訊與安全系統

電力、通訊與安全系統是現代工廠的關鍵元件，有助於高度連線、價值數百萬美元的機器可靠運作。而且，這些關鍵元件的佈線系統必須穩定運作多年，同時處理熱量和振動，並應付輸入功率電壓波動、濕氣及高濃度懸浮微粒等挑戰。

將廣泛的線路整合到工廠內不僅極其困難，而且成本也相當高昂，因此最好一次到位。因此，系統採用的纜線組、連接器和配線盒，必須堅固可靠並能擴充，以滿足當今及未來的標準、協定與法規。

本文先簡單概述現代工廠的許多要求。之後以 Molex 真實元件為範例，介紹一種模組化方法，建構和發展工業自動化網路。文中展示此模組化方法如何簡化部署，並滿足核心的環境、操作、安全、可靠性與成本要求，同時保留充足彈性，在工廠規模成長時擴充及調整。

為明日的工廠佈置線路

工業自動化 (IA) 改變了現代的工廠。現今，大型商品製造機器使用電力來驅動傳動裝置及伺服馬達，因此通訊和電力同樣重要。而隨著人機之間密切合作，安全也成了必要條件。自動化工程師面臨挑選和安裝電源、通訊與安全佈線的挑戰，這類佈線工作採用現今的技術但須注意日後的擴充能力。

這可說是一項艱辛的挑戰，因為工廠是一項鉅額投資，還得長期運作。在工廠的生命週期中，製造技術會不斷進化，幾年前令人滿意的佈線系統，如今可能不再適用。而且，隨著生產能力增加，每個新啟用的系統需要個別連線，為工廠重新佈線不僅昂貴耗時，還要將貴重的機器停機閒置。

越來越多工程師求助於模組化系統，這種系統集電源、通訊與安全佈線於一身，未來也能以備用電線的形式擴充。這個方法的關鍵環節是 M23 連接器系統，如此命名是因為纜線聯結器螺紋的直徑為 23 mm。此系統的組裝和測試相對簡單，並有助於實現穩固可靠的電源與通訊基礎架構 (圖 1)。

圖 1：M23 纜線組，圖中顯示了 23 mm 插座與 8 極母嵌件。(圖片來源：Molex)

M23 連接器和佈線用於檢修電動驅動器、伺服馬達及編碼器，這些是工業自動化的常見用品。M23 系統針對資料、通訊及組合式電源與資料，使用一系列嵌件和外罩，因此同樣適用於涉及訊號或電力傳輸的應用。M23 纜線組能在 9 A、18 A 或 30 A 電流下，承載 250 V、630 V 或 800 V 電壓。

M23 佈線不受國際標準所規範。但是，製造商通常遵循纜線組製造建議，以便達到互通性。因此，M23 可以被視為既定標準。

M23 系統其中一種型號是 M12，其耦合螺紋直徑為 12 mm。M12 不用於電源，因此纜線組更緊湊，可節省成本與空間 (圖 2)。

圖 2：M12 纜線組只用於通訊與安全；尺寸比 M23 更小。(圖片來源：Molex)

M23/M12 成功的關鍵在於其彈性。首先，設計人員能選擇指定纜線、耦合元件、插座、嵌件、連接器外罩，甚至是配接引腳的直徑，製作個人客製化系統。耦合元件提供直式和折角設計，也能買到多個引腳及多種型態的嵌件。因此能客製化各種不同版本，支援幾乎任何應用。

設計人員也能從工廠提供的各種纜線／耦合元件或纜線／插座組件之間挑選。選擇現成預製品的優點是節省組裝的時間，並確保纜線和連接器的完整性已經過工廠測試。缺點是，比起從頭開始打造，解決方案的種類較有限。不過，預製品的種類仍舊廣泛，大多數工廠自動化選項的連接器替代方案及纜線長度，也都涵括在內，包括旋轉機器、熔接機器人或自動化組裝設備。

防止污染、振動與 EMC

除了一些例外狀況，如食品、藥品與高科技電子產品的製造作業，工廠通常充滿濕氣、灰塵、油脂及其他污染物，這些污染物是電氣系統的敵人。在其他應用中，纜線與連接器解決方案可能必須能耐抗生產及清潔期間使用的酸性和鹼性溶液，因此必須能抵擋各種液體、顆粒及其他物質滲入。

實際需要多強的抗污性，依工廠的要求而異。製造商會根據 IP 分類系統將產品進行分類，這點很有幫助。IP 等級指出產品提供的防護等級，並由國際標準 EN 60529 所定義。

該結構由兩個數字組成，第一個數字代表對固體物的防護等級，舉凡接觸電導體後就可能具危險性的工具或手指，到可能損壞電路的空氣灰塵及粉塵。第二個數字定義了對各種液滴、噴霧或浸入行為的防護性。最低為 IP00 (不防塵或不防水)，最高為 IP69 (完全防塵、完全耐抗強力高溫噴水)。

不是只有污染物才會對設計不良的工廠電氣系統造成問題。纜線組件也可能發生熱應力、振動與機械彎曲，尤其是纜線可能不斷移動的機器人應用。而且，工廠一般都有大型電動馬達，這種馬達會汲取大量啟動電流，產生功耗與電壓突波和足以擾亂精密通訊系統的電磁干擾 (EMI)。

M23 和 M12 纜線組件專為應付工廠環境而設計，其擰接式耦合元件能耐抗振動及機械負載。對於具挑戰性的 EMI 環境，纜線組製造商一般提供內建屏蔽的款式。

例如，Molex 提供多款格外堅固、採用 Brad^® 120480 M23 電源包覆成型纜線組的電源纜線。這些纜線組件專為高要求環境所打造，具有包覆成型塑膠外皮等特點，以保護纜線／連接器接縫及選配的 EMI 屏蔽。離散長度介於 1 m 至 20 m，橘色款清晰可見 (圖 3)。

圖 3：120480 M23 纜線組採包覆成型以增添保護力，並有一系列嵌件；此處展示六極款和八極款。(圖片來源：Molex)

纜線有六極款或八極 (電線) 款。最大電壓和電流為 800 V 和 18 A，接觸電阻為 3 Ω，絕緣電阻為 100 MΩ。纜線組能在 25°C 至 +85°C 的溫度範圍內運作，並在配接後提供 IP67 防塵防水等級。

M23 等模組化系統的優點在於，工廠佈線能隨工廠規模擴大迅速累加及調整。這種系統讓工程師能將有線網路輕易互連，並將纜線端與配有 M23 插槽的機器直接配接。佈線不僅提供工廠自動化所需的高電壓和電流，還能支援工廠通訊系統，如乙太網路、EtherCAT、Modbus 及 PROFINET (圖 4)。

圖 4：M23 佈線讓人在新增製造單元時，更輕易延伸工廠的有線網路。(圖片來源：Molex)

確保工廠安全

連接性在現代工廠中扮演關鍵的角色。控制和更新設備雖然是網路的主要工作，但工廠自動化安全也很重要，尤其現場附近都會有工作人員和機器人。機器人一般具有多個感測器，以便工作人員侵入工作空間時停止動作，安全單元則由聯鎖式閘門及檢修面板組成。這些系統都必須相連，如果每個感測器都是由工廠主要網路的分支提供服務，有線網路可能很快就會變得很複雜、不便使用 (圖 5)。

圖 5：機器人工作單元需要必要安全系統，才能保護工廠自動化環境中的工作人員。(圖片來源：Molex)

但工程師目前使用連至工廠主要網路的多埠互連系統 (MPIS) 配線盒以化繁為簡。其中，M12 控制纜線連接至配線盒的輸出，以裝上製造單元的安全系統。Molex 耐用的 IP67 1202480510 安全 MPIS 配線盒就是一例，能協助管理裝於機械附近的安全裝置 (圖 6)。

圖 6：安全 MPIS 配線盒簡化安全佈線，同時節省空間及成本。(圖片來源：Molex)

1202480510 具備 5 m 長的整合式纜線 (以連至工廠主要網路)、四個 M12 八引腳連接埠，以及四個 M12 四引腳與五引腳連接埠，納入單一外罩中。該配線盒讓人能在有限的空間內安裝標準 I/O 佈線系統，同時將安全設計彈性提升到最大。每個連接埠最多可處理 30 V 直流電，最大電流為 4 A (配線盒總電流為 12 A)。配線盒要搭配此類纜線組使用：Molex 1 m 長的 M12 八極 1200652383 Micro-Change 系列，以及 1 m 長的 M12 四極 1200652378 類型。

結論

工廠要達到自動化，需要穩固可靠並能擴充的電源、通訊與安全有線網路。以 M23 和 M12 既定標準為基礎的模組化系統，可簡化初始安裝流程且滿足這些要求。這種系統所用的纜線組和配線盒在製造過程中，考慮到工廠嚴苛的環境條件，因此加入了防塵防潮的功能，且能應付極端溫度、振動與機械應力。