Garantir la fiabilité des systèmes industriels et la sécurité des opérateurs en utilisant les connexions et les capteurs appropriés

Alors que les installations industrielles continuent d'exploiter l'Internet industriel des objets (IIoT) pour atteindre des niveaux croissants d'automatisation, d'analyse prédictive et de sécurité, il devient de plus en plus essentiel d'établir des connexions fiables entre les dispositifs et les systèmes. Toutefois, certaines applications peuvent être extrêmement défavorables. Les câbles et les opérateurs humains à proximité peuvent être exposés à des températures extrêmes, hautes ou basses, ainsi qu'à des gaz et des produits chimiques corrosifs.

En outre, la présence de gaz corrosifs, tels que le sulfure d'hydrogène libéré par certains équipements, est non seulement nocive pour les opérateurs humains, mais au contact de l'humidité d'un câble, ces gaz créent des sous-produits de réaction dangereux tels que l'acide sulfurique. Cela peut rapidement ronger la gaine des câbles, laissant le blindage et les conducteurs exposés, ce qui conduit souvent à des courts-circuits et à une défaillance du système.

Cet article traite des défis du câblage dans les environnements difficiles. Il montre ensuite comment les concepteurs de systèmes industriels peuvent garantir la fiabilité des connexions et la sécurité des opérateurs en sélectionnant des câbles de capteurs de grade industriel, avec des exemples concrets de Molex. L'article présente également un exemple pratique de détection du sulfure d'hydrogène dangereux avant qu'il ne cause de graves dommages aux équipements ou au personnel.

Câblage dans les environnements industriels très difficiles

Les systèmes d'automatisation industrielle s'appuient sur des capteurs pour détecter l'état des processus et des systèmes dans une usine. Les types de capteurs utilisés varient et incluent des thermistances, des transducteurs de pression, des capteurs de niveau, des détecteurs de lumière et des détecteurs de proximité. Les données des capteurs doivent être précises pour que l'ordinateur principal puisse décider comment et quand commander les actionneurs pour les moteurs, les bandes transporteuses, les lumières, les compteurs de liquide et d'autres dispositifs similaires. Des données de capteur incorrectes peuvent entraîner la commande d'actionneurs au mauvais moment ou avec des paramètres incorrects. Les résultats peuvent aller d'un fonctionnement inefficace avec une augmentation correspondante des coûts de fonctionnement, à une défaillance du système entraînant des temps d'arrêt coûteux. Une sélection et une utilisation correctes des câbles exposés à des environnements difficiles peuvent améliorer la fiabilité des données des capteurs et des signaux de commande des actionneurs. Un mauvais choix de câblage peut entraîner des défaillances de connexion intermittentes, qui sont notoirement difficiles à résoudre, entraînant des temps d'arrêt coûteux. Un câblage inadéquat peut tôt ou tard entraîner une dégradation ou une perte totale du signal.

Un câblage provenant d'un fabricant qui a certifié le câble avec le grade industriel et un indice IP67 ou IP68 peut permettre de surmonter bon nombre de ces problèmes. Notez que le fait qu'un câble soit identifié IP67 ou IP68 ne signifie pas qu'il est de grade industriel. Le code IP certifie seulement que le câble est résistant aux matières particulaires courantes et à l'eau. Ainsi, les câbles courants de grade grand public peuvent être certifiés IP68 et sembler robustes, mais ne pas offrir la protection contre les températures extrêmes, la résistance aux solvants courants et aux liquides corrosifs, ou l'immunité à la torsion et à l'abrasion, qui sont fournies dans les câbles robustes de grade industriel.

Connexion à des actionneurs et des capteurs USB en milieu industriel

Alors que de nombreux types de capteurs et d'actionneurs utilisent différentes options d'interface, une méthode sûre et répandue consiste à utiliser USB comme interface. Les installations modernes tirent parti des capacités de l'USB 3.0 en raison de sa vitesse élevée, de sa puissance et de sa fiabilité accrue. Molex fournit le câble industriel USB 3.0 0847330005 (Figure 1). Ce câble mesure 1,31 mètre (m) de long et est équipé d'une embase circulaire USB 3.0 Type A étanche à une extrémité et d'une fiche USB 3.0 Type A à l'autre. L'assemblage de câble complet est répertorié IP67. Il prend en charge un débit de données de 5 gigabits par seconde (Gb/s) et il est rétrocompatible avec les fiches et prises USB 2.0. Le câble est répertorié de -40°C à +85°C et convient à la plupart des environnements industriels difficiles.

Figure 1 : Le câble USB 3.0 0847330005 de Molex est équipé d'une prise USB 3.0 Type A circulaire à une extrémité et d'une fiche USB 3.0 Type A standard à l'autre. Il s'agit d'un câble de grade industriel adapté aux environnements difficiles. (Source de l'image : Molex)

Le câble USB 3.0 0847330005 de Molex est répertorié pour supporter en toute sécurité 1 ampère (A) maximum pour chaque contact. Il est entièrement blindé contre les interférences électromagnétiques (EMI), condition requise pour qu'un transfert de données USB 3.0 à 5 Gb/s n'interfère pas avec d'autres équipements électroniques.

La fiche USB 3.0 Type A peut être connectée à un ordinateur industriel ou à un système embarqué fournissant une prise USB 3.0 standard, fréquente sur la plupart des ordinateurs personnels (PC). L'autre extrémité du câble avec la prise circulaire USB 3.0 Type A se connecte à l'équipement de capteur qui a une interface USB. Le contre-écrou sur le connecteur circulaire est doté d'un mécanisme de verrouillage rotatif facile à utiliser qui peut résister à un couple de 2,26 Nm. Cela garantit une connexion solide à l'équipement de capteur sans risque de déconnexion accidentelle. Chaque connecteur est répertorié pour 500 cycles de connexion et déconnexion, ce qui est approprié pour les équipements industriels devant être reconfigurés périodiquement.

Le joint d'étanchéité du connecteur circulaire est en nitrile noir et offre une excellente résistance à l'eau et aux huiles industrielles. Les joints en nitrile sont également résistants à l'essence, aux fluides hydrauliques et aux solvants courants. Ce câble est donc idéal pour la connexion aux capteurs utilisés dans les machines à essence. Les déversements ou les accidents avec des solvants ou d'autres fluides susceptibles d'atteindre le connecteur ne pénètrent pas le joint et n'interfèrent pas avec le transfert de données.

La lumière du soleil et les rayons ultraviolets (UV) peuvent provoquer une décoloration de la gaine du câble, ce qui peut être gênant lorsque les câbles sont codés par couleur pour faciliter la maintenance. La lumière du soleil peut également entraîner le craquellement des gaines des câbles commerciaux, exposant ainsi le blindage EMI aux éléments. La gaine du câble USB 3.0 de Molex est en résine PVC durable qui offre une excellente résistance à la lumière du soleil et aux rayons UV. La résine PVC est également résistante à l'eau, qui, avec le temps, peut réduire la longueur des câbles commerciaux fabriqués avec des matériaux de grade grand public.

Connexion aux solénoïdes et aux actionneurs mécaniques

Les connecteurs de vannes DIN sont utilisés pour activer les solénoïdes servant à commander des actionneurs tels que des vannes, des pressostats, des interrupteurs de fin de course et des moteurs basse consommation. Pour des connexions solides aux actionneurs de vannes DIN dans les environnements industriels, Molex propose le connecteur de vanne DIN 2210503466 et un câble de 5 m (Figure 2). Il présente une terminaison à trois fils pour la connexion à une tension d'actionneur jusqu'à 24 volts (V). L'assemblage de câble est répertorié de -40°C à +90°C, ce qui le rend adapté non seulement aux environnements froids, mais également à certains moteurs et équipements qui peuvent devenir très chauds.

Le connecteur de vanne DIN de Molex fournit un joint IP67 sûr et étanche sur une vanne DIN et, lorsqu'il est activé, il active ou désactive la vanne selon le type de vanne DIN à contrôler. Le connecteur est fixé par une vis afin de garantir une protection maximale contre le retrait accidentel. Une diode électroluminescente (LED) jaune sur le connecteur DIN indique visuellement que la vanne DIN est activée.

Figure 2 : Le 2210503466 de Molex est équipé d'un connecteur de vanne DIN à une extrémité et d'une terminaison à trois fils à l'autre. Une LED jaune indique aux opérateurs que la vanne est activée. (Source de l'image : Molex)

Le câble et le connecteur de vanne DIN 2210503466 de Molex ont une gaine en polyuréthane qui est résistante à la plupart des produits chimiques agressifs et qui est extrêmement résistante aux abus de torsion et de flexion. Les gaines de câble en polyuréthane sont également très résistantes aux forces de cisaillement et d'écrasement. Un câble de vanne DIN endommagé peut entraîner un fonctionnement intermittent de l'équipement de vanne DIN ou une défaillance totale de l'équipement. Ce câble convient donc aux actionneurs de machines mobiles lourdes, où le câble peut s'étirer et se contracter rapidement, ou lorsqu'un dysfonctionnement ou une mauvaise configuration de la machine peut provoquer un écrasement du câble.

Pour des raisons de sécurité, il n'est pas recommandé d'utiliser un câble court au point que son extension en fonctionnement normal exerce une contrainte sur les deux extrémités de la connexion. Il faut donc que le câble soit suffisamment détendu pour éviter une traction à chaque extrémité de la terminaison du câble ; cependant, plus le câble a du jeu, plus il risque d'être pincé ou écrasé accidentellement. Dans ces applications, une gaine en polyuréthane constitue une solution appropriée et rentable.

Protection contre les substances corrosives

Les moteurs à essence et certains procédés chimiques industriels peuvent émettre du sulfure d'hydrogène dangereux. Bien que les installations industrielles soient conçues pour contenir ces gaz en toute sécurité, toute personne conduisant un véhicule à essence sait que les collecteurs d'échappement peuvent fuir ; en outre, quelqu'un dans l'usine peut oublier de fermer une vanne. Le sulfure d'hydrogène est extrêmement toxique pour les opérateurs humains, même en petites quantités. Bien qu'il soit souvent reconnaissable à son odeur d'œuf pourri, le sulfure d'hydrogène est plus lourd que l'air et peut rapidement se répandre sans être détecté sur le sol d'un grand complexe industriel loin de son point d'origine.

Si le sulfure d'hydrogène entre en contact avec de l'eau, il forme de l'acide sulfurique corrosif qui peut très rapidement corroder les équipements en cuivre, en fer et en aluminium. Au contact d'un câble mouillé, l'acide sulfurique peut rapidement corroder la plupart des types d'isolants de câble comme le polyuréthane. Si les gaines de câbles en résine PVC sont plus résistantes aux acides que le polyuréthane à température ambiante, à des températures extrêmes chaudes ou froides, l'acide sulfurique peut rapidement ronger les gaines de câbles en PVC. Quelles que soient les spécifications des matériaux, le sulfure d'hydrogène et l'acide sulfurique doivent être considérés comme dangereux pour tout matériau autre que les collecteurs d'échappement et d'autres équipements spécifiquement conçus pour contenir ces substances dangereuses.

Pour garantir la sécurité des câbles, des équipements et des opérateurs humains, Molex Sensorcon propose l'analyseur de sulfure d'hydrogène 2023150001 (Figure 3). Il s'agit d'un dispositif portable doté d'un écran LCD qui peut détecter et afficher les concentrations de sulfure d'hydrogène avec une résolution s'étendant de 1 partie par million (ppm) à 400 ppm.

Figure 3 : Le 2023150001 de Molex Sensorcon est un détecteur portable de sulfure d'hydrogène qui peut détecter du sulfure d'hydrogène de 1 ppm à 400 ppm. (Source de l'image : Molex)

Le détecteur de sulfure d'hydrogène 2023150001 Molex Sensorcon est répertorié IP67 et peut émettre deux alarmes différentes à partir de points de consigne d'alarme haut et bas. Le point de consigne bas de l'alarme réglé en usine est de 10 ppm mais il peut être manuellement ajusté à 1 ppm. Le point de consigne haut de l'alarme réglé en usine est de 15 ppm ou plus, mais il peut être manuellement ajusté à 100 ppm ou plus. En plus de ces alarmes, le dispositif portable peut également vibrer en cas d'alerte, ce qui est utile dans les environnements industriels bruyants.

Le détecteur est approprié pour détecter de petites concentrations de sulfure d'hydrogène près du sol et en particulier dans les compartiments des machines où des gaz plus lourds que l'air peuvent s'accumuler. Cela est utile pour détecter le sulfure d'hydrogène lorsque l'odeur d'œuf pourri n'a pas atteint un niveau suffisamment élevé pour être détectée par le nez des opérateurs humains.

Les moteurs et la plupart des processus industriels qui dégagent du sulfure d'hydrogène dégagent également du monoxyde de carbone, qui est inodore et peut être toxique pour l'homme, même en petites quantités. Molex Sensorcon propose le détecteur de monoxyde de carbone 2023100001, qui a la même construction physique que le détecteur de sulfure d'hydrogène. La présence de monoxyde de carbone n'est pas seulement un danger pour les opérateurs humains, mais peut également indiquer la présence non détectée de sulfure d'hydrogène. Les deux unités sont utiles dans une installation d'automatisation industrielle pour garantir la sécurité des opérateurs humains et des équipements.

Conclusion

Les installations d'automatisation industrielle peuvent mettre les assemblages de câbles à rude épreuve, en particulier en conditions de températures chaudes ou froides extrêmes, et lorsque des gaz et des liquides dangereux et corrosifs peuvent être présents. Les assemblages de câbles de capteurs de grade industriel garantissent que les ordinateurs disposent de données de capteurs précises pour contrôler correctement et efficacement les systèmes industriels, tandis que les câbles de grade industriel pour les actionneurs garantissent que les opérations sont contrôlées correctement et de manière fiable. Cela permet de réduire les coûts opérationnels tout en augmentant la fiabilité et en réduisant la maintenance.