工业自动化布线的连接器、密封套和线夹选项

作者：Lisa Eitel

现在，有各种不同的连接器用来连接工业自动化中使用的电缆和组件。这些连接器必须能够传输电缆上携带的所有电电源和数据信号流，同时以确保导体连接紧密并受保护的方式端接线路。其中挑战在于，与工业自动化相关的设备往往位于肮脏、高热、移动和电气噪声的环境中...因此，工业电缆连接器需要具有其他应用所不需要的耐用性和可靠性。

首先，我们来了解一些工业连接器的基础知识：连接器包括归类为耦合器（连接两根电缆）的组件，以及那种包括连接器组件的插头和插槽（或插座）的系统。在某些情况下，连接器也可以指电缆密封套——穿过外壳的端接部分... 通常配有一个可自由旋转的子部件，其作用是压紧电缆末端的 O 形密封圈，使电缆与化学品、火焰、污物和外部电流隔离。

工业电缆连接器将位于在前部和后部安装的设备插座上的电缆连接在一起（更常见）。所有的连接器和电缆密封套都具有 IEC 60529 规定的入侵保护 (IP) 等级，以量化防尘、防潮能力。这些等级与用于描述组件外壳以及工业设备外壳坚固性的等级相同。一个 IP 代码有两个数字，数值越大，表明防尘、防潮的水平越高。

IP 等级的第一位数字规定了对固体（如灰尘）的保护水平——从用数字 0 表示无保护到用数字 6 表示防尘密封。

IP 等级第二位数字规定了对液体的保护水平——从用数字 0 表示没有保护，到数字 8 表示在 1 m 深处的持续防水保护。

图 1：此图说明了 IEC 60529 的各种 IP 等级的含义。电缆连接器的 IP 等级至关重要。（图片来源：connectortips.com）

自动化领域的 RJ 和 M12 以太网连接器之比较

目前，由 IEEE 802.3 定义的以太网仍然是全球使用最广泛的局域网 (LAN) 技术。基于以太网的工业自动化通信标准包括 ModbusTCP/IP、EtherCAT、Ethernet/IP 和 Profinet。通常与以太网电缆有关的连接器是无处不在的注册插孔 (RJ) 连接器。大多数 RJ 连接器包括一个插头。这种插头有一个简单的塑料凸片，用于卡入 RJ 插座上具有特殊几何结构的配接口，从而将两者安全地固定在一起。插头和插座很容易配合电缆——安装人员可以同时将其夹紧，并使用专用的压接工具制作电气接触部分。采用压接式端接器时，可以现场切削电缆，而且这样制作的电缆可靠性极高。针对这种现场安装而设计的插头子组件通常本身透明，因此安装人员能在电缆使用前检查所有的内部触头。也就是说，工厂装配电缆的可靠性无可匹敌。

图 2：TL2253-ND 手动压接工具，可以在现场对四线、六线和八线以太网电缆的 RJ 插头端接部分按长度进行切割。只需挤压一下，压接工具的刀口就能将扁平或圆形的 Cat5e 和 Cat6 电缆剥皮并可靠固定连接器。（图片来源：Tripp Lite）

如果 RJ 连接器对于特定的工业环境来说耐用性不足，则 M12 连接器可能是更好的选择。这是因为 M12 连接器能够实现更可靠、更坚固耐用的连接——还有具有防灰、防水的优势。

图 3：以太网电缆上最常见的 RJ 连接器。也就是说，以太网电缆还可以使用其他类型的连接器。（图片来源：Getty Images）

由 IEEE 802.3 定义的以太网供电 (PoE) 是一种通过单根电缆获得数据和电力的便捷方法。PoE 替代方案 A（通常称为模式 A）使用相同的两个双绞线对来传输数据和电源，因此可以使用较少芯数的电缆——带宽被限制为 100 Mbps (100BASE-TX)。PoE 替代方案 B（通常称为模式 B）使用具有四对双绞线的 Cat 5 以太网电缆——两对用于传输数据，两对用于供电。这会减少用于数据的带宽——即使是千兆位以太网级电缆，也会将数据速率限制在100 Mbps。

4PPoE 或四对电缆需要有四对双绞线电缆，并且都是同时传输电力和数据。这意味着可以支持更高的数据速率（千兆位以太网及以上）和更大的电流。接受 PoE 供电的设备必须配置为接受其原有的模式 A 或模式 B。也就是说，这类电缆可能采用固定或交替的跨线对电阻来表明兼容性，并要求特定的电源配置。当然，真正决定系统 PoE 模式的是 PoE 电源（源设备或 PSE）。

图 4：连接器的设计在很大程度上是由其端接的电缆决定的。M12 以太网电缆连接器，如本文显示的连接器，通常比 RJ 连接器更坚固；一些制造商对其进行颜色编码，以表明与 PoE 模式和导体排列的兼容性。（图片源：Lumberg Automation）

同时端接数据和电力电缆（以及如工业以太网、PROFINET 和现场总线等网络布线）的连接器就是 M 系列连接器——这是一种圆形配接连接器，带有螺纹式母套管（用于安装在公头插座上）且内含一组导电插针。M8 (8 mm) 和 M12 (12 mm) 螺纹最常见，但 M5、M16 和 M23 也是比较熟悉的标准。M 系列连接器的刚性（旋入式）外壳确保连接高度可靠，即使在抵御腐蚀和冲刷环境中如此常见的环境碎屑时，也能提供很好的保护，最大限度地减少不连续信号。所以，M 系列连接器会成为工业自动化的执行器、PLC、传感器、开关和控制器电缆方面的最高标准也就不足为奇了。

M8 和 M12 连接器提供 2 个、3 个、4 个、5 个、8 个或 12 个针脚（针位）选择。传感器和电源一般需要 3 个或 4 个针脚。对于以太网和 PROFINET 电缆端的 M 系列连接器，需要四个或八个针脚。相比之下，那些用于传输现场总线、CAN 总线和 DeviceNet 数据的电缆末端的针脚通常为 4 个或 5 个。当然，携带多个数据和电源流的电缆可能需要用具有全部 12 个引脚的 M 系列连接器进行端接。

图 5：Brad Ultra-Lock 120108 直角连接器为提高可靠性对 M12 连接器设计进行了专有改造。（图片来源： Molex）

事实上，一种相关的连接器插座设计在行业中相当普遍，那就是引脚阵列和插座对——最初由 Molex 推出，所以这种连接器有时俗称为 Molex 互连器件。Molex Brad 系列专有连接器以 M12 连接器为基础，但更方便、更可靠的按压锁定式系统取代了螺纹套管。由于锁定效果不依赖操作者的拧紧螺纹动作，因此确保了可靠性并将信号断续的风险降至最低。Brad 连接器变型包括:

· Brad Micro-Push M12 连接器——一种提供 IP65 保护的推拉式连接器
· 提供 IP65 保护的 Brad MX-PTL M12 按压锁定式连接器
· Brad Micro-Change M12 螺纹连接器提供 IP67 级保护
· Brad Ultra-Lock 和 Ultra-Lock EX M12 连接器配有按压锁定式接头和 O 形圈，具有全 IP69K 级入侵保护性能。

高频信号同轴连接器

同轴电缆（配有同轴连接器）也用于工业自动化领域，用于传输高频信号——特别是支持振动监测和模拟信号传输的同轴电缆。标准比比皆是。

BNC 连接器具有卡口紧固结构，需要旋转四分之一圈来实现连接或断开。这种连接器可用于 12GHz 以上的频率，在某些情况下可达 18GHz。DIN 0.4 - DIN 2.5 连接器是体积非常小的压入式连接器，适用于 3GHz 以下的频率。相比之下，DIN 1.0/2.3 连接器是广泛用于数字电信的小型压入式射频连接器。

用于自动化机械的模块化和定制电缆的数量激增

在传统的系统集成方法中，电缆是在自动化设备的安装过程中在现场“制备”的——测量、切割和端接。这通常意味着现场电工将所需的电缆切割成特定长度，剥去所有导体护套，并将电缆与连接手头组件所需的连接器结合在一起。这种现场电缆准备工作很耗时，还会导致连接质量不稳定。这就是为什么采购由标准电缆和工厂安装的连接器组成的模块化电缆和连接器系统成为当今的趋势。所需的电缆长度已在设计过程中确定，到货后可直接安装。

有人估计，模块化电缆可将现场安装时间减少 60% 至 70%，同时提高电气连接的可靠性。

电缆密封套的特殊情况

被称为密封套的电缆连接器用于电缆需要穿过外壳情况。密封套的作用三个：固定电缆、防止电缆磨损、在电缆周围形成密封，以保护外壳内的组件不受环境碎屑的影响。电缆密封套的电缆固定方式从根本上防止了因拉扯或其他干扰而损坏电气触头。电缆密封套还能防止电缆与外壳预留孔的尖锐金属板边缘发生刮擦或摩擦。这点很重要，因为金属板很容易划伤电缆护套，最终导致电缆芯线短路。

要求不高的应用通常使用具有多个触指的片状密封套来固定电缆。这种类型的密封套成本较低，但需要定期重新拧紧以保持入侵保护等级。较高质量的密封套使用连续密封件来固定电缆。这种类型的密封套经过长期运行后也几乎不可能出现松动。

今天的工业电源连接器的结构

用于工业自动化的设备除了数据连接外，往往还需要通过电线连接电源。上文所述的相对较新的 PoE 技术是可能是更好的选择，因为这种技术使布线非常简单。然而，绝大多数的自动化组件和系统都需要传统的电源线。

由国际电工委员会 (IEC) 规定的标准化连接器在消费、办公以及工业应用领域的电力电缆上很常见。IEC 在 IEC60320 标准中定义了一系列非锁定式连接器，电压为 250V，电流不超过 16A。此处，C13/C14 连接器通常用于电子设备——包括计算机电源。较大的 C19/C20 耦合器用于承载较大电流的电缆端——例如包括服务器外壳。

图 6：通用电源线包括各种 IEC 和其他标准连接器。（图片来源：Getty Images）

对于更关键或要求更高的应用，通常首选 IEC 60309 连接器。这些插头、插座和耦合器明确用于工业用途，可以承载 1000V 电压、800A 电流和 500Hz 频率。所有这些连接器都具有一定的防水能力。IP44 连接器防溅，IP67 连接器防水，而 IP66/67 连接器甚至在受到加压水流冲击时也能可靠地防止进水。插口也可以采用联锁结构，这样插座就不能通电，除非它与插头相配接——而且在切断电源之前，插头无法拔出。

图 7：注意这种大功率电缆连接器的颜色编码（符合 IEC 60309 标准）。（图片来源：Railway Tech）

不同尺寸的 IEC 60309 连接器适合不同的额定电流。连接器也通过键控和颜色编码来表示其电压和频率范围：

· 黄色表示频率为 50 - 60 Hz 时100 - 130 V
· 蓝色表示频率为 50 - 60 Hz 时 200 - 250 V
· 红色表示频率为 50 - 60 Hz 时 380 - 480 V——通常为三相配置

结语

在为工业自动化选择连接器和密封头时，有许多几何形状和集成方式可供选择。在为给定的自动化机械指定电缆规格中，设计工程师首先考虑的必须是电缆芯数和线芯规格。其次，还必须考虑的是入侵保护性能和锁定机构的可靠性，以防止信号断续。