Промышленный контроллер – разработка конструкции в соответствии классом защиты IP54

В статье рассматриваются конструктивные решения промышленных контроллеров автоматизации 2TEST позволяющих изделиям пройти испытания на пылевлагозащиту.

Конструкция ПЛК

Конструкция промышленного контроллера серии РТ330 обеспечивает универсальность использования — она выполнена в двух комплектациях: IP40 и IP54. Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (Код IP), определяется ГОСТ 14254-2015 (IEC 60529:2013). Первое число кода определяет защиту от попадания внутрь корпуса твердых частиц, а второе — защиту от воды. В нашем случае для IP40: при приложении испытательной проволоки диаметром 1,0 мм и длиной 100 мм с усилием 1 Н ±10% в любое из отверстий в оболочке контроллера, испытательная проволока не должна проникать внутрь и не должна прикасаться к опасным частям изделия, влиять на их работу и исправность.

Вторая комплектация (IP54) отличается от первой (IP40) наличием защитных оболочек (гермопроходников). Это дополнительные защитные корпусные детали, которые закрывают разъемы интерфейсов и клеммники. Следует отметить, что мы используем разъемные клеммники. Ниже представлены изображение модели и фото, показывающие контроллер в комплектации IP54 и IP40.

С нижней стороны, под антенными разъемами, находятся разъемы SFP, Ethernet, USB Type C, которые закрываются заглушкой, либо если они используются, то для комплектации IP54 ставится гермопроходник и через него выводятся кабели. Все гермопроходники закручиваются невыпадающими винтами.

Также по ТЗ предусматривалось увеличение функций контроллера, за счет подключения дополнительных блоков, с помощью разъема или специального межблочного кабеля. Это могут быть блоки питания постоянного и переменного напряжения, блоки дискретных входов-выходов и другие в зависимости от заказываемой комплектации.

Такое решение позволяет эффективно скомпоновать и смонтировать контроллер и нужные заказчику соединения не только в шкафу с рейкой, но и на стене внутри помещения, на любой металлической и неметаллической поверхности снаружи на улице, на столбе или на транспортном средстве. Блоки можно разнести в разные места, если этого требует монтаж системы (т. е. когда нельзя все установить в одну коробку). Контроллер и все блоки имеют одинаковый профиль корпуса, позволяющий смонтировать их под панель в шкафу, если это необходимо. Зачастую решения отдельных производителей не позволяют монтировать изделия под панель. Это касается и блоков питания. Контроллер в комплектации IP54 может быть установлен на столбах как внутри, в теле столба, так и снаружи без дополнительного кожуха.

Одно из применений контроллера в комплектации IP54 — установка на подвижном составе в незащищенных от осадков местах, например, контроллер можно разместить в непосредственной близости от антенн для уменьшения длины коаксиальных кабелей. Достаточно подвести питание к месту установки, а все остальные коммутации можно выполнить снаружи. При необходимости обеспечения проводного канала связи можно проложить оптоволоконный кабель и подключиться к SFP-разъему.

Обзор конструктивных решений

Большинство промышленных ПЛК, предлагаемых сейчас на рынке, это чаще всего no name изделия сомнительного качества в пластиковом и редко в металлическом корпусе, выполненные с защитой IP20 или максимум IP40. Такие контроллеры не рассчитаны на промышленное использование в режиме 24/7 в условиях ВВФ.

Типичные решения для корпуса ПЛК

Если требуется улучшенная защита, то ПЛК помещается в распределительный шкаф или бокс со степенью защиты до IP68, а кабели заводятся через гермовводы. Использование отдельного шкафа или коробки значительно увеличивает габариты и накладывает ряд ограничений на применение таких изделий. Ограничения эти связаны не только с размещением внутри коробки изделий и размещению самой коробки, но и с защитой от перегрева или охлаждения, с защитой от воздействия электромагнитных полей и прочих ВВФ, которые изначально не были предусмотрены в изделии. Когда требуется непрерывный мониторинг процессов на промышленном предприятии или транспорте, отказ такого изделия, разумеется, недопустим. Ровно, как и использование таких изделий в ответственных процессах без проведения должных испытаний на ВВФ.

Ниже представлено изображение 3D-модели компоновки прототипа в готовом пластиковом корпусе, от которой в последствии отказались.

Защиту IP40 и выше можно обеспечить с помощью алюминиевых корпусов, серийно изготовляемых по технологии экструзионного литья. Но тут могут возникнуть проблемы с компоновкой печатных плат и модулей внутри такого корпуса. Это решение всегда требует дополнительных операций по фрезерованию отверстий на гранях корпуса, которые необходимы для размещения разъемов и индикации. И эти дополнительные операции машинной обработки будут дорого стоить в серийном производстве. Разъемы окажутся утоплены из-за толщины стенки, что для USB Type C, к примеру, неприемлемо, так как кабельная часть разъема может не до конца заходить в разъем. Также возникают вопросы к прочности и надежности в местах крепления боковых крышек и плотности прилегания этой крышки: чаще всего их можно закрепить только в четырех точках, а винты вкручиваются прямо в алюминий без дополнительных стальных резьбовых вставок. Конечно, имеются решения на рынке, позволяющие формировать резьбу при закручивании, то есть специальные резьбоформирующие винты для металла. Но в данном случае это может привести к появлению мелких алюминиевых частиц внутри корпуса.

Решение с таким корпусом имеет ограничения и множество нюансов, совокупность которых не позволяет его применять. Радиоэлектронная начинка, размещенная на единой печатной плате, обычно задвигается внутрь корпуса сбоку по направляющим, как на салазках. Поскольку печатную плату с разными модулями требуется закрепить и подключить к ней радиочастотные и питающие кабели. Как можно закрепить плату внутри? Прорабатывался способ фрезерования криволинейных вырезов в печатной плате для обеспечения плотного прилегания платы в направляющих внутри корпуса (для примера представлено на фото ниже).

Но остальные вопросы компоновки и сборки остаются. Например, как обеспечить надежное прижатие термопрокладки к основанию в таком корпусе при сборке? Решить это все, конечно, возможно, но есть другой путь.

Проанализировав решения с готовыми корпусами или установкой незащищенного изделия в защищенный шкаф, было принято решение разработать собственный универсальный корпус, изготавливаемый путем лазерной резки из алюминиевого листа с последующей гибкой по определенному профилю. Дополнительным весомым плюсом будет свобода компоновки и уменьшение зависимости от иностранных производителей корпусов.

В контроллере используется достаточно мощный и выделяющий много тепла процессорный модуль на базе Rockchip RK3568J индустриального исполнения. Отвод тепла осуществляется на корпус без вентилятора. Напрашивается использование корпуса с вентиляционными отверстиями для улучшения естественной конвекции. Но делать этого нельзя: отверстия меньше 1 мм будут мало эффективны для теплообмена, а большие уже не пройдут по IP40. Установка вентилятора внутри корпуса значительно увеличит габариты и потребует организации и распределения воздушных потоков. Поэтому от всех греющихся элементов организован пассивный отвод тепла на корпус.

По параметрам защиты от ВВФ и теплоотдачи альтернативы металлическому корпусу нет. Для обеспечения прочности боковые стенки сделаны из нержавеющей стали, крышка алюминиевая. Делать все детали, включая крышку, из нержавейки заманчиво с точки зрения прочности и цены, но опрометчиво, так как теплоотдача нержавеющей стали гораздо меньше, чем у алюминия.

Чтобы обеспечить плотность прилегания корпуса в местах вырезов для разъемов и соединений необходимо выдерживать высокую точность в процессе гибки листа. Точность вырезов под разъемы для съемных клеммников и для вырезов под разъемы Ethernet и USB не должна превышать ±0,2 мм. Гибка из 1-миллиметрового листа для получения нужного профиля без трещин и при этом без ухудшения прочности потребовала подбора материала и его свойств, а также подбора угла сгиба в нескольких местах на корпусе.

Боковые панели установлены на корпус через прокладки из полиуретана. Дополнительная ступенька по контуру прилегания на прокладках обеспечивает позиционирование и закрытие щелей между корпусными элементами. Но у этого материала есть нюансы по устойчивости к ультрафиолету: на солнце со временем детали могут выгорать. Эта проблема решается введением в материал на производстве специальных добавок, обеспечивающих защиту от УФ. Винты с потайной головкой и с плоской шляпкой, соединяющие корпусные элементы, выполнены из нержавеющей стали. Их количество выбрано достаточным для обеспечения равномерного прижатия корпусных элементов друг к другу без зазоров.

Для отверстий под SD-карту и слот SIM-карт предусмотрены несъемные полиуретановые заглушки. Также для всех разъемов Ethernet, USB, SFP предусмотрены свои заглушки. В случае если разъемы не используются, заглушки всё равно должны быть установлены, для соответствия не только классу защиты IP54, но также и IP40, так как в такие разъемы свободно проникает тестовый щуп, и проверка по стандарту не может быть пройдена.

Для подключения антенн предусмотрены специальные разъемы SMA, имеющие в своей конструкции фланец с резиновым кольцом. Кольцо обеспечивает герметичность между корпусом и разъемом, но сами разъемы SMA при неподключенном кабеле не являются герметичными. Поэтому в комплекте идут заглушки SMA на случай, если какой-то из коаксиальных кабелей не будет подключен.

Соединение внешних блоков контроллера для случая IP54 обеспечивается с помощью экранированного кабеля, который подключается к контроллеру справа. Кабель имеет экранировку внутри.

В случае размещения в шкафу в комплектации IP40 может быть использован как межблочный кабель, так и межблочный соединитель (см. ниже фотографии). В первом случае блоки соединяются с разнесением до 1 м, а во втором — напрямую к контроллеру.

Краткие выводы

При проектировании корпусов защищенных устройств обязательно необходимо оценить целесообразность разработки собственного корпуса, исходя из всех требований технического задания, а не только требований к конструкции и воздействиям.