Simplifier le déploiement d'équipements industriels avec des connecteurs modulaires configurables

Par Bill Schweber

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Lorsque l'on envisage de réaliser des connexions de signaux et d'alimentation pour des applications industrielles, il faut généralement anticiper de nombreuses connexions d'alimentation, de terre et de signaux dans des environnements étroits. Les concepteurs doivent spécifier de nombreux types de câblage, tandis que le temps de préparation des interconnexions, la commodité et l'espace sont également des facteurs critiques. Dans ces situations, de nombreuses conceptions d'équipements industriels ont recours à un câblage point-à-point de base où le technicien connecte manuellement les fils un par un.

La réalité, cependant, est que ce câblage manuel sur le terrain prend beaucoup de temps, est sujet à des erreurs et est donc coûteux. Il est particulièrement coûteux en termes de temps perdu, d'efforts de restauration et d'erreurs si une déconnexion/reconnexion est nécessaire pour une raison quelconque, y compris une réparation, une extension ou une reconfiguration.

La solution à ce problème d'efficacité, de coût, d'espace et de fiabilité consiste à utiliser des connecteurs modulaires car ils sont flexibles, polyvalents et faciles à gérer. Ils peuvent également être fournis avec une grande variété de boîtiers de connecteurs et de châssis de montage qui sont associés à des choix d'inserts sélectionnables par le concepteur pour traiter une gamme variée de signaux électriques spécifiques — y compris alimentation, signaux et données — en utilisant des fils nus, des connecteurs D-Sub, des câbles coaxiaux et même des connexions de types fibre optique et air comprimé pneumatique.

Cet article utilise un exemple pratique pour mettre en évidence certains des problèmes avec une approche manuelle. Il présente ensuite une approche plus flexible et plus efficace basée sur les connecteurs de la série Han-Modular de HARTING, en montrant également comment ces connecteurs permettent de résoudre de nombreux problèmes de câblage. Enfin, il décrit un outil de configuration associé, destiné à aider les concepteurs à construire rapidement le connecteur optimal basé sur le système Han-Modular.

Câblage point-à-point : simple, rapide, souvent brouillon

Il semble plus facile de mettre en œuvre des interconnexions de base avec un câblage point-à-point, mais dans de nombreux cas, les concepteurs regrettent cette décision. Prenons l'exemple d'une mise à niveau du câblage d'un simple thermostat basique à une zone, qui nécessitait un relais intermédiaire entre l'unité intelligente et le contrôleur du système de chauffage, vers un thermostat intelligent. Le câblage de cette première zone semblait aléatoire et confus, mais il était rapide à installer et fonctionnait. De plus, comme il s'agissait d'un système 24 volts (V) CA, il n'y avait aucun problème de fils exposés et de sécurité.

Cependant, l'année suivante, le propriétaire a décidé d'équiper les deux autres zones de chauffage avec des thermostats intelligents. Le câblage point-à-point ajouté a également été fait à la va-vite et il en a résulté un fouillis qui a fonctionné de manière étonnante (Figure 1). Bien que fonctionnelle, cette approche n'est pas viable à long terme, car ce système sera très difficile à dépanner en cas de problème, et toute mise à niveau supplémentaire sera un cauchemar.

Image d'un câblage point-à-point confusFigure 1 : Un câblage point-à-point brouillon peut résulter de la complexité du projet ou de l'ajout incrémentiel de fonctionnalités à un système de base, comme le montre ce câblage de relais pour une mise à niveau de thermostat intelligent à trois zones. (Source de l'image : Bill Schweber)

Cette situation étant inacceptable pour des raisons pratiques, esthétiques et documentaires, il a été décidé de nettoyer et de recâbler l'ensemble de l'installation à l'aide de cosses à fourche et de barrettes de connexion à vis (Figure 2). Cela a pris moins de temps et de planification que l'utilisation de trois connecteurs dédiés (un par zone) et a été considéré comme un compromis acceptable dans ce cas, malgré plus de 50 connexions discrètes. Cette installation a démontré les avantages apparents des connexions câblées point-à-point : elles nécessitent relativement peu de planification (un schéma de principe ou d'interconnexion suffit souvent) et un engagement minimal, et elles peuvent être mises en service immédiatement.

Image du câblage de mise à niveau du thermostatFigure 2 : Le câblage de la mise à niveau du thermostat a été amélioré grâce à un recâblage faisant largement appel à des cosses à fourche et à des barrettes de connexion à vis, mais il a tout de même fallu faire preuve d'une attention extrême lors du recâblage de plus de 50 connexions pour éviter les erreurs, et cette solution prend un espace considérable par rapport à l'utilisation de connecteurs multicontacts. (Source de l'image : Bill Schweber)

Le monde industriel est plus complexe

Dans un cadre industriel, même cette amélioration du câblage aurait des conséquences néfastes à long terme. L'installation de tous ces fils individuels nécessite de multiples vérifications du placement de chaque fil par rapport au schéma, ainsi que la vérification de l'intégrité physique. L'étiquetage de chaque fil est également essentiel, et il existe généralement des normes d'étiquetage ANSI et ISO à suivre. Si l'équipement doit être déconnecté pour être réparé ou déplacé, le processus de connexion compliqué doit être annulé, et la reconnexion nécessite de répéter le processus.

De toute évidence, les câbles pré-câblés discrets et les connecteurs homologues offrent une alternative initialement intéressante. Ils peuvent être construits et testés à l'avance dans un environnement contrôlé tout en éliminant le besoin de câblage, mais ils introduisent également de nouvelles préoccupations. De nombreuses installations utilisent un mélange de types de signaux tels que des tensions basses et hautes sur une plage de courants nominaux, des signaux de capteurs, de nombreux types de liaisons de données, ainsi qu'Ethernet, la fibre optique et même l'air à basse pression (pneumatique). Il en résulte un ensemble hétéroclite de câbles et de connecteurs qui occupent un espace considérable sur le panneau, qui peuvent nécessiter un détrompage s'il y a plusieurs câbles avec le même type de connecteur, et qui prennent du temps à connecter/déconnecter.

Il existe une solution qui semble résoudre le dilemme multicâble/connecteur, du moins dans un premier temps. Des connecteurs standard sont disponibles avec plusieurs contacts d'alimentation et de signaux dans un boîtier commun. Il ne s'agit en réalité que d'une solution partielle pour deux raisons. Premièrement, ils ne sont disponibles que sous forme d'ensembles prédéterminés et fixes de nombres et de types de contacts, par exemple deux positions pour l'alimentation et six pour les signaux. Deuxièmement, ils ne sont disponibles que pour les niveaux d'alimentation et de signaux bas/hauts de base et pour certains signaux de données, mais pas pour Gigabit Ethernet (GbE), la fibre optique en verre ou en plastique ou les connexions pneumatiques (air) à basse pression.

Modularité complète : une meilleure solution

Pour contourner ces contraintes de contact, les concepteurs peuvent utiliser la série de connecteurs Han-Modular de HARTING. Ils offrent une flexibilité de pointe en raison du nombre et des types de contacts. Le concepteur peut sélectionner presque toutes les combinaisons de connecteurs et de contacts, puis choisir un châssis de connecteur pour les maintenir avec un boîtier approprié (Figure 3 et Figure 4).

Image de la modularité définie par l'utilisateur entraînant la création d'un connecteur personnalisé avec des composants standardFigure 3 : La modularité définie par l'utilisateur conduit à la création d'un connecteur personnalisé avec des composants standard. (Source de l'image : HARTING)

Image d'un assemblage de connecteurs compact, entièrement personnalisé et ferméFigure 4 : Le résultat du processus illustré à la Figure 3 est un assemblage de connecteurs compact, entièrement personnalisé et fermé, avec des côtés de raccordement homologue. (Source de l'image : HARTING)

Les modules Han prennent en charge des connecteurs et des contacts (mâles et femelles) pour des courants s'étendant de quelques milliampères à 200 ampères (A), des tensions jusqu'à 5000 V, des tuyaux pneumatiques, des lignes de données, des signaux de bus blindés, et même des câbles à fibre optique en plastique ou en verre. Il s'agit d'une gamme de sélection électrique et mécanique que l'on ne trouve pas dans d'autres assemblages de connecteurs/contacts multifonctions.

L'utilisation de ces connecteurs fait du câblage une tâche pré-développée qui peut être conçue, assemblée et testée comme un faisceau complet hors site plutôt que sur le site d'installation, puis simplement et rapidement connectée et déconnectée (Figure 5).

Image de câbles terminés par des connecteurs, assemblés et testés hors siteFigure 5 : Les câbles terminés par des connecteurs sont assemblés et testés hors site, puis rapidement installés sur site et déconnectés si nécessaire ; notez les différents types de câbles fusionnés dans chacun des deux connecteurs rectangulaires, particulièrement visibles dans le connecteur de gauche. (Source de l'image : HARTING)

Le haut degré de modularité et de flexibilité de cette série présente un autre avantage. Dans le monde réel de la conception de produits, les exigences changent et évoluent au fur et à mesure que le projet avance. Avec la série Han-Modular, il n'est pas nécessaire de recommencer à zéro pour rechercher un ou plusieurs connecteurs pouvant répondre à ces exigences supplémentaires ; il suffit au concepteur d'ajouter un autre module interne au connecteur de base.

Exemples illustrant l'étendue et la polyvalence

Plutôt que d'énumérer les nombreux connecteurs et contacts disponibles dans la série Han-Modular, un bref aperçu de certains d'entre eux donne un bon aperçu des options.

Tout d'abord, il y a le châssis qui maintient les modules de connexion. Un exemple est le châssis articulé à usage intensif 09140240313 pour six modules (Figure 6). Les différents modules de connexion sont insérés, sécurisés et verrouillés dans ce châssis.

Image du châssis articulé à usage intensif 09140240313 de HARTINGFigure 6 : L'un des nombreux châssis disponibles pour le maintien des inserts de connecteurs, le châssis articulé à usage intensif 09140240313, offre de la place pour six modules de ce type. (Source de l'image : HARTING)

Un système industriel de pointe peut avoir besoin de prendre en charge les liaisons GbE, et le module gigabit 09140083012 avec contacts mâles peut être ajouté (Figure 7). Le connecteur blindé est répertorié pour un fonctionnement de 10 gigabits par seconde (Gb/s) et il prend également en charge l'alimentation IEEE 802.3bt (également appelée PoE++).

Image du connecteur GbE 09140083012 blindé de HARTINGFigure 7 : Ce connecteur GbE 09140083012 blindé de la série est répertorié pour un fonctionnement à 10 Gb/s et il prend également en charge l'alimentation IEEE 802.3bt (PoE++). (Source de l'image : HARTING)

Dans le même temps, le connecteur peut avoir besoin de prendre en charge une alimentation CA ou CC importante. Le boîtier femelle à six contacts 09332062648 pour les inserts à pousser peut donc constituer un bon choix (Figure 8). Il peut accepter des inserts à pousser répertoriés jusqu'à 500 V à 16 A avec des fils pleins ou divisés en calibres de 0,14 millimètres carrés (mm²) à 2,5 mm² (AWG 26 à AWG 14).

Image du boîtier femelle à six contacts 09332062648 de HARTING pour les inserts à pousserFigure 8 : Les installations industrielles exigent généralement des quantités importantes d'alimentation CA et CC, qui peuvent être connectées via ce boîtier femelle à six contacts 09332062648 pour les inserts à pousser ; il accepte une large plage de calibres de fils pleins et divisés. (Source de l'image : HARTING)

Pour les installations nécessitant une fiche modulaire RJ45 Cat 6A à 8 positions standard, le connecteur 09454001520 est disponible (Figure 9).

Schéma du connecteur 09454001520 de HARTINGFigure 9 : Le système Han-Modular est également prévu pour le connecteur RJ45 largement utilisé, avec le connecteur 09454001520. (Source de l'image : HARTING)

L'une des caractéristiques distinctives du système Han-Modular est sa capacité à fournir facilement des connexions pneumatiques (air à basse pression) en plus de son large éventail d'options de connexion électrique. Par exemple, le 09140033501 est un module pneumatique compatible avec les nombreux châssis, et il peut être configuré pour des lignes à basse pression de différents diamètres en sélectionnant les inserts appropriés (Figure 10). Parmi ceux-ci figurent l'insert métallique mâle 09140006304 (Figure 11) et l'insert métallique femelle 09140006404 complémentaire (Figure 12), tous les deux pour un tube de 4 mm de diamètre intérieur.

Image du module de contrôle 09140033501 de HARTINGFigure 10 : Les modules Han vont au-delà de la connexion de données, d'alimentation et de signaux purement électriques en permettant le contrôle pneumatique grâce à des modules tels que le 09140033501 pour les connexions pneumatiques à basse pression et les inserts appropriés. (Source de l'image : HARTING)

Image de l'insert métallique mâle 09140006304 de HARTINGFigure 11 : L'insert métallique mâle 09140006304 est conçu pour les tubes pneumatiques d'un diamètre intérieur de 4 mm. (Source de l'image : HARTING)

Image de l'insert métallique 09140006404 de HARTING en tant que connecteur femelle pour l'air à basse pressionFigure 12 : L'insert métallique 09140006404 est le connecteur femelle pour l'air à basse pression, ainsi que pour les tubes de 4 mm de diamètre intérieur. (Source de l'image : HARTING)

Une fois encore, il ne s'agit que d'un tout petit échantillon des nombreux inserts et connecteurs disponibles dans la série Han-Modular.

L'outil de configuration est la clé de la facilité d'utilisation

Bien que la série Han-Modular soit utile pour connecter une grande variété de types de fils, de fonctions et de calibres, les choix peuvent être difficiles et sembler impossibles à configurer de manière optimale. HARTING répond à ce problème en fournissant l'outil de configuration gratuit Han Configurator.

Cet outil en ligne simplifie considérablement le processus de construction d'un connecteur Han-Modular personnalisé pour des applications spécifiques. Le concepteur entre simplement les détails des exigences de connexion et l'outil indique les inserts modulaires les mieux adaptés à l'application, tout en fournissant des détails techniques, des schémas 3D et des fichiers de données pour de nombreuses options de connecteurs. L'outil reconnaît également qu'il y a des concepteurs qui sont déjà familiarisés avec le système Han, et leur permet de configurer directement une interface complète sans passer par l'assistant pas-à-pas.

L'utilisation de l'outil de configuration commence par l'identification du premier type de signal à terminer (Figure 13).

Image de l'outil de configuration de HARTINGFigure 13 : L'outil de configuration présente une liste des nombreux types de connexion de base pris en charge par le système Han-Modular ; les concepteurs commencent par choisir l'un des nombreux types qu'ils souhaitent intégrer dans l'assemblage de connecteurs. (Source de l'image : HARTING)

L'outil répond avec des cases déroulantes pour les données spécifiques pertinentes, illustrées ici pour les signaux électriques : nombre de contacts, courant nominal, tension nominale, calibre de fil et technique de terminaison. Différents ensembles de données sont illustrés selon le type de signal (Figure 14).

Image de l'outil de configuration invitant le concepteur à spécifier les paramètres de haut niveau (cliquez pour agrandir)Figure 14 : Ensuite, l'outil de configuration invite le concepteur à spécifier les paramètres de haut niveau pour ce type de signal ; le choix « Electric » est illustré ici. (Source de l'image : HARTING)

Ensuite, des menus déroulants permettent au concepteur de spécifier des exigences supplémentaires telles que le matériau du boîtier (Figure 15), la situation d'assemblage (Figure 16) et le type de verrouillage (Figure 17), là encore en fonction des connecteurs disponibles (illustrés ici pour « Electric »).

Image de la préférence du concepteur pour le matériau du boîtier (cliquez pour agrandir)Figure 15 : Dans la partie inférieure de l'écran de démarrage, le concepteur est invité à indiquer sa préférence pour le matériau du boîtier. (Source de l'image : HARTING)

Image de la sélection pour « Assembly Situation » pour le connecteur sélectionné (cliquez pour agrandir)Figure 16 : La partie inférieure de l'écran de démarrage propose également une sélection pour la situation d'assemblage (« Assembly Situation ») pour le connecteur sélectionné. (Source de l'image : HARTING)

Image du mécanisme de verrouillage du connecteur requis (cliquez pour agrandir)Figure 17 : Un autre choix à faire est le mécanisme de verrouillage du connecteur requis. (Source de l'image : HARTING)

L'outil génère ensuite une première solution possible réalisable ainsi que d'autres suggestions de solutions, la configuration étant affichée sous forme de modèle 3D avec la liste des produits (Figure 18).

Image de l'outil construisant l'assemblage de connecteurs complet et fournissant une image 3D détaillée (cliquez pour agrandir)Figure 18 : Une fois que tous les types de connexion, paramètres et préférences nécessaires sont saisis, l'outil construit l'assemblage de connecteurs complet et fournit une image 3D détaillée, une liste de pièces et toutes les autres informations requises. (Source de l'image : HARTING)

Le concepteur peut sélectionner la configuration de son choix ou modifier les solutions proposées et remplacer des composants individuels.

Le configurateur Han améliore et accélère tous les aspects du processus de conception en permettant à l'ingénieur chargé de la spécification des connecteurs d'atteindre de multiples objectifs :

  • Explorer la conception des connecteurs grâce à une visualisation 3D interactive
  • Veiller à ce que la solution soit viable
  • Collaborer facilement avec les autres membres de l'équipe
  • Enregistrer et partager le fichier de connecteur personnalisé
  • Télécharger des fichiers CAO STP standard et des fiches techniques
  • Créer automatiquement des nomenclatures détaillées (BOM)

Conclusion

Le choix du bon jeu de connecteurs pour terminer un câble dans un environnement industriel peut être frustrant. Le système Han-Modular de HARTING simplifie l'obtention d'une solution optimale grâce à son haut degré de flexibilité, de modularité et de configurabilité, et grâce à un outil de configuration puissant et intuitif. Cela permet de remplacer l'approche câblée point-à-point par une solution personnalisée optimisée qui offre commodité et facilité de connexion dans un espace minimum.

Avertissement : les opinions, convictions et points de vue exprimés par les divers auteurs et/ou participants au forum sur ce site Web ne reflètent pas nécessairement ceux de Digi-Key Electronics ni les politiques officielles de la société.

À propos de l'auteur

Bill Schweber

Bill Schweber est ingénieur en électronique. Il a écrit trois manuels sur les systèmes de communications électroniques, ainsi que des centaines d'articles techniques, de chroniques et de présentations de produits. Il a auparavant travaillé en tant que responsable technique de site Web pour plusieurs sites spécifiques pour EE Times et en tant que directeur de publication et rédacteur en chef des solutions analogiques chez EDN.

Chez Analog Devices, Inc. (l'un des principaux fournisseurs de circuits intégrés analogiques et à signaux mixtes), Bill a œuvré dans le domaine des communications marketing (relations publiques). Par conséquent, il a occupé les deux côtés de la fonction RP technique : présentations des produits, des récits et des messages de la société aux médias, et destinataire de ces mêmes informations.

Avant d'occuper ce poste dans les communications marketing chez Analog, Bill a été rédacteur en chef adjoint de leur revue technique respectée et a également travaillé dans leurs groupes de marketing produit et d'ingénierie des applications. Avant d'occuper ces fonctions, Bill a travaillé chez Instron Corp., où il était chargé de la conception de circuits analogiques et de puissance, et de l'intégration de systèmes pour les commandes de machines de test de matériaux.

Il est titulaire d'un master en génie électrique (Université du Massachusetts) et d'un baccalauréat en génie électrique (Université Columbia). Il est ingénieur professionnel agréé, titulaire d'une licence de radioamateur de classe avancée. Bill a également organisé, rédigé et présenté des cours en ligne sur divers sujets d'ingénierie, notamment des notions de base sur les MOSFET, la sélection d'un CAN et la commande de LED.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key