Cable personalizado para la automatización industrial

La automatización ahorra mano de obra, energía y materiales a la vez que aumenta la precisión y la calidad. Sin embargo, una posible vulnerabilidad son las operaciones y la máquina industrial de la actualidad, que tienen una complejidad sin precedentes y dependen especialmente en la conectividad estable para la transmisión de potencia, control y datos operativos. Cualquier brecha en esta conectividad puede conducir a importantes interrupciones en el rendimiento y a costosos daños en las máquinas o en los productos finales.

Por ello, la fiabilidad de las soluciones de cables industriales para conectar todos los controles, sensores y actuadores de los sistemas automatizados es vital para reducir al mínimo el mantenimiento no planificado y mantener la fiabilidad de las operaciones automatizadas.

Figura 1: Los cables industriales en entornos automatizados se utilizan para la distribución de energía eléctrica, así como para la transmisión de señales de control y datos (para la adquisición de datos y la supervisión de operaciones). Los ensambles de cables que combinan estas funciones (como las soluciones de cables personalizados ÖLFLEX CONNECT de Lapp USA) están en alza. (Fuente de la imagen: Lapp USA)

Los cables confiables requieren una puesta a tierra resistentes, hilos de conducción y conectores; y hay muchas otras consideraciones. Por ejemplo, el blindaje contra la interferencia electromagnética (IEM) es fundamental para garantizar un control fiable y la transferencia de datos. En los ejes móviles, los cables también deben ser lo suficientemente flexibles para soportar miles de ciclos de flexión. El aislamiento alrededor de cada hebra conductora también debe ser sólido y resistente a la abrasión.

Así que, para aplicaciones de automatización industrial con requerimientos particularmente exigentes, el cable personalizado es cada vez más común. Las nuevas opciones de blindaje, aislamiento, resistencia de la cubierta y factor de forma están ayudando a los ingenieros a adaptar los cables a sus aplicaciones para una optimización total.

Los cables modulares en el contexto de la automatización industrial

Los cables y conectores modulares son productos ensamblados en fábrica que utilizan un conjunto estandarizado de subcomponentes que a menudo se enganchan o sujetan con abrazaderas para un funcionamiento rápido y extremadamente fiable. No es de extrañar que los ensamblajes de cables personalizados basados en subcomponentes modulares sean cada vez más comunes en la automatización industrial, así como en otras industrias como la construcción.

Los cables modulares pueden reducir los esfuerzos de instalación en el lugar de trabajo en un 60% a 70% en comparación con los juegos de cables tradicionales. Esto se debe en gran parte a que los ensamblajes de cables modulares eliminan la necesidad de que el personal de la planta o los técnicos integradores conecten físicamente los conductores eléctricos y ejecuten las pruebas y la resolución de problemas in situ. De hecho, la mayoría de los procesos tradicionales de instalación de cables requieren que un electricista corte el cable a las longitudes necesarias, pele su cubierta y tuerza a mano las conexiones. Los cables modulares eliminan estas pesadas tareas, incluso al tiempo que aumentan la fiabilidad; porque, una vez más, toda la personalización, el corte, la conexión y el acabado final se ejecutan con procesos de fábrica repetibles. Además, el cable obtenido de proveedores que venden montajes personalizados suele someterse a pruebas automatizadas antes de que el cable se envíe. De esta manera, los cables específicos de la aplicación se especifican completamente en la etapa de diseño y la instalación in situ consiste simplemente en enchufar estos cables a los componentes de la máquina.

Figura 2: Los montajes de cable personalizados pueden ahorrar a los electricistas el cableado y las pruebas in situ que se muestran aquí.

Blindaje para proteger la calidad de la transmisión

Con sistemas cada vez más complejos que implican la transmisión de señales de energía, control y datos, los entornos industriales modernos son eléctricamente ruidosos. Por eso los equipos y señales sensibles deben ser protegidos de las interferencias electromagnéticas. Estas perturbaciones del circuito eléctrico son causadas por la inducción electromagnética, el acoplamiento electrostático y la conducción. De hecho, los cables en ambientes eléctricamente ruidosos pueden necesitar ser apantallados para prevenir la propagación de EMI porque:

• Los cables pueden estar sujetos a perturbaciones por EMI originadas en otros lugares
• Los propios cables industriales pueden ser la fuente de EMI
• Los cables pueden actuar de otra manera como una antena para irradiar el ruido

Motores, generadores, transformadores, calentamiento por inducción y cables de energía pueden ser fuentes de altos niveles de EMI. Los cables de control y de datos que estén cerca de estas fuentes requerirán un blindaje. Las señales muy sensibles pueden requerir un blindaje incluso si están a cierta distancia de la fuente de EMI.

De hecho, el blindaje puede ser en forma de una jaula que rodea toda una operación automatizada; un gabinete metálico o un conducto que rodea los cables; o (como se discute en detalle aquí) construido directamente en los cables.

El blindaje de los cables de EMI puede ser con un Blindaje Faraday (que es una cubierta continua de material conductor alrededor de los conductores del cable) o un Jaula de Faraday (que es una malla conductora alrededor de los conductores del cable). El primero suele estar construido con papel de aluminio y el segundo con alambre trenzado.

Los blindajes con lámina de aluminio a menudo consisten en aluminio delgado para proporcionar un blindaje continuo que es de bajo costo y flexible, pero más difícil de moler.

Los cables trenzados son una malla tejida de alambre de cobre que es más fácil de conectar a tierra, pero en algunos casos no proporciona una cobertura del 100%, ya que pequeñas aberturas pueden permitir que las señales de alta frecuencia penetren. Así que, para que una jaula Faraday funcione, todos los agujeros o huecos en la malla deben ser significativamente más pequeños que la longitud de onda de la radiación que está siendo bloqueada. Algunos fabricantes estañan sus cables de blindaje trenzado para mejorar la protección contra las IEM. Otros aseguran señales limpias en entornos muy ruidosos con múltiples capas de blindaje entre pares individuales así como alrededor de todo el cable, por ejemplo. Este tipo de blindaje puede ser más caro y menos flexible que otras opciones.

Tanto las jaulas como los blindajes son conductores que reflejan la radiación electromagnética para evitar que esa radiación llegue al interior de los hilos conductores del cable. El blindaje en los cables se coloca típicamente entre las capas de aislamiento que rodean los cables conductores. Entonces este blindaje suele estar conectado a tierra para permitir la dispersión eficiente de la energía EM.

Figura 3: Los cables ÖLFLEX CONNECT SERVO de Lapp USA incluyen conectividad de energía y datos así como conectores para simplificar el uso con unidades y servomotores de Siemens, Rockwell/AB, Indramat, Lenze y SEW. El blindaje contra EMC en estos cables lo realiza el fabricante en un proceso automatizado que elimina el revestimiento del cable y extiende el blindaje para un contacto de 360° con el conector. (Fuente de la imagen: Lapp USA)

Opciones de aislamiento de los cables industriales

El aislamiento es el material no conductor que rodea un cable conductor eléctrico. Además de evitar la conducción entre cables o a tierra, a menudo también sirve para proteger contra la abrasión y la entrada de líquidos. Es importante señalar que el aislamiento por sí solo no proporciona ninguna barrera a la EMI con los campos magnéticos y la radiación que pasa directamente a través de él. Los siguientes son algunos de los materiales de aislamiento más comunes.

Cloruro de polivinilo (PVC) es un aislamiento barato y de uso común. Tiene un rango de temperatura de aproximadamente -55 a +105 °C y es resistente a los solventes y combustibles comunes. La capacidad y la atenuación conducen a una cierta pérdida de energía.

PVC semirrígido (SR-PVC) tiene una mayor resistencia a la abrasión que otras opciones; el material similar de cloruro de polivinilo plenum (PVC plenum) también tiene una mayor resistencia a las llamas.

Polietileno (PE) tiene una baja capacidad, lo que lo hace muy adecuado para la transmisión de datos a alta velocidad. Es inflexible e inflamable con un rango de temperatura de -65° a +80 °C.

Polietileno clorado (CPE) tiene una excelente resistencia al calor y al fuego y suele emplearse en cables de energía y control industriales.

Silicona es altamente resistente al calor (incluso hasta 180 °C) así como retardante de la llama y flexible.

Fibra de vidrio se utiliza comúnmente para aplicaciones que requieren una extrema resistencia al calor como las fundiciones y el procesamiento de metales. Puede utilizarse a temperaturas sostenidas de hasta 480 °C.

Tenga en cuenta que las condiciones de funcionamiento se dan solo como una guía aproximada. Los ingenieros de diseño siempre deben referirse a las especificaciones del fabricante del cable antes de usar un cable para una aplicación particular.

Cubiertas y fundas de cables industriales

En algunos cables se separan las funciones de aislamiento eléctrico y protección externa, utilizándose para cada función materiales optimizados. En este caso, la capa interior que proporciona el aislamiento eléctrico se denomina aislamiento, mientras que la capa exterior que proporciona la protección se denomina funda. Esto puede mejorar tanto la resistencia como la flexibilidad.

Se pueden utilizar diferentes materiales de funda para proporcionar una protección especializada contra amenazas como la abrasión, los fluidos, el calor, los productos químicos o los microbios. Algunos materiales de funda comunes incluyen:

Poliuretano (PUR) que tiene una gran dureza y flexibilidad así como resistencia química, al agua y a la abrasión. Sin embargo, el poliuretano es inflamable. Las pobres propiedades eléctricas hacen que no sea adecuado para su uso como aislante.

Nilón que tiene una excelente dureza, flexibilidad y resistencia a la abrasión y a los productos químicos.

Neopreno que es una goma sintética termoestable con una excelente resistencia a la abrasión, al corte, al aceite y a los disolventes. Tiene una larga vida útil y se utiliza a menudo en aplicaciones militares.

Goma de butadieno de estireno (SBR) que es un termoestable con una excelente resistencia a la abrasión, al aceite y a los disolventes. Se usa en los cables Mil-C-55668.

Disposiciones de los cables industriales

Las hebras individuales dentro de un cable pueden ser dispuestas de diferentes maneras para impartir distintas propiedades de flexión.

Los Conductores sólidos consisten en un solo alambre grueso que es de bajo costo, pero rígido y menos resistente.

El Trenzado concentrado es relativamente simple con todos los filamentos retorcidos en la misma dirección, pero es más resistente que el cable sólido.

El Trenzado concéntrico tiene un solo cable en el centro con una capa de cables retorcidos alrededor de él; las capas sucesivas son retorcidas en direcciones alternas. Esto produce cables lisos adecuados para su uso en aplicaciones de automatización.

El Trenzado de cuerda tiene conjuntos de cables trenzados de otras maneras, también un diseño destinado a producir un cable flexible.

Nota final sobre los conectores para el cable industrial

Los conectores de cable para la automatización industrial son tan personalizables como los propios cables. Este tema se tratará en otro artículo y se analizarán las diversas permutaciones de estos conectores (así como las opciones de glándulas y agarre). Sin embargo, cabe señalar que los conectores se especializan cada vez más en determinados componentes, como los cables de los servomotores mencionados anteriormente, por ejemplo.

Además, los conectores de cable ofrecen hoy en día diseños altamente especializados para mantener la resistencia a las condiciones ambientales. La resistencia de los conectores contra el ingreso se clasifica de la misma manera que la de las cajas, usando un código de protección contra el ingreso (IP). Estos códigos constan de dos dígitos: el primero indica el nivel de protección contra cuerpos extraños y polvo, y el segundo indica el nivel de protección contra fluidos. El primer dígito va de 0 para no protegerse a 6 para no producir polvo. El segundo dígito va desde 0 para ninguna protección hasta 8 para protección continua contra la inmersión continua a una profundidad de 1 metro.

En otros lugares, las geometrías estandarizadas para los conectores de cable han llegado a simplificar la especificación. Por ejemplo, los conectores modulares RJ son cada vez más comunes para el cable empleado en la transmisión de datos. Nótese que el término RJ en este contexto significa funda registrada y se origina a partir de sus aplicaciones en el sistema telefónico. Aunque técnicamente hablando, los conectores modulares modernos no son en realidad conectores RJ. Estos conectores se pueden ajustar de forma rápida y fiable para terminar los cables utilizando herramientas de engaste especiales que fijan el conector y hacen los contactos eléctricos en una sola operación. Esto permite un ensamblaje eficiente y conveniente de los cables en el lugar, aunque los cables ensamblados en fábrica son más confiables. Este tipo de conector suele tener una pestaña para sujetar el conector de forma segura en un enchufe y suele tener un cuerpo de plástico transparente que permite inspeccionar visualmente los contactos internos.

Figura 4: El segundo y el tercer conector de cable que se muestran aquí son conectores RJ. (Fuente de la imagen: Lapp USA)

Para más información sobre este tema, asegúrese de leer el artículo de DigiKey, "The Right Cable for an Industrial Application: How to Choose and Use for Design Success" (El cable correcto para una aplicación industrial: cómo elegir y usar para lograr un diseño exitoso) para obtener alguna orientación sobre la elección de un cable industrial.