산업 자동화용 맞춤형 케이블

자동화는 노동력, 에너지 및 소재를 절약하는 동시에 정확성과 품질을 개선합니다. 하지만 한 가지 잠재적 취약성은 시스템 복잡성이 전례 없이 높은 오늘날의 산업용 기계 및 동작이 전력, 제어 및 작동 데이터의 전송을 위한 연결 안정성에 특히 의존한다는 것입니다. 이러한 연결이 잠시라도 중단되면 처리량이 크게 손실되고 값비싼 기계와 최종 제품이 손상될 수 있습니다.

이 때문에 자동화된 시스템의 모든 제어, 센서 및 액추에이터를 연결하는 산업용 케이블 솔루션의 신뢰성은 계획되지 않은 유지 관리를 최소화하고, 자동화된 작동의 안정성을 유지하는 데 매우 중요합니다.

그림 1: 자동화된 설정에서 산업용 케이블은 전력 분배뿐 아니라 제어 신호 및 데이터(데이터 취득 및 작동 모니터링용)의 전송에도 사용됩니다. 이러한 기능을 결합한 케이블 조립품(예: Lapp USA에서 제공하는 ÖLFLEX CONNECT 맞춤형 케이블)이 부상하고 있습니다. (이미지 출처: Lapp USA)

견고한 접지, 전도성 전선 및 커넥터에 안정적인 케이블이 필요하고 그 외에도 고려할 사항이 많습니다. 예를 들어 전자파 장해(EMI) 차폐는 제어와 데이터 전송을 안정적으로 수행하는 데 중요합니다. 또한 움직이는 축에서는 케이블이 수천 회에 달하는 굽힘을 견딜 수 있을 만큼 유연해야 합니다. 각 전도성 전선의 절연도 견고하고 내마모성이어야 합니다.

따라서 특히 요구 사항이 까다로운 산업 자동화 응용 분야에서 맞춤형 케이블은 점점 더 일반화되고 있습니다. 차폐, 절연, 피복 견고성 및 폼 팩터를 위한 새로운 옵션을 통해 엔지니어가 응용 분야에 완전히 최적화되도록 케이블을 조정할 수 있습니다.

산업 자동화와 관련된 모듈식 케이블

모듈식 테이블 및 커넥터는 표준화된 하위 부품 세트를 사용하여 공장에서 조립되는 제품으로, 빠르고 매우 안정적인 작동을 위해 부품을 클립이나 클램프로 고정하는 경우가 많습니다. 모듈식 하위 부품을 기반으로 한 맞춤형 케이블 조립품이 건설을 비롯한 다른 산업뿐 아니라 산업 자동화에서 점점 더 흔히 사용되고 있는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

모듈식 케이블은 기존 케이블 세트와 비교해 현장 설치 작업을 60% ~ 70% 줄일 수 있습니다. 대체로 모듈식 케이블 조립품은 공장 작업자나 적분기 기술자가 전기 컨덕터를 물리적으로 연결할 필요가 없고 현장에서 테스트를 실행하거나 문제를 해결할 필요가 없기 때문입니다. 실제로 기존 케이블 설치 공정에서는 대체로 전기 기술자가 케이블을 필요한 길이로 자르고, 피복을 벗겨내고, 손으로 꼬아서 연결해야 합니다. 모듈식 케이블은 신뢰성을 향상하는 동시에 이 부담스러운 작업을 제거하는데, 이 또한 모든 맞춤형, 절단, 연결 및 최종 마무리가 공장에서 반복 가능한 공정으로 수행되기 때문입니다. 더욱이 맞춤형 조립품을 판매하는 제조업체에서 공급받는 케이블은 납품 전에 자동화된 테스트를 거치는 게 일반적입니다. 이처럼 응용 분야별 케이블은 설계 단계에서 완벽하게 작동 가능하므로 현장 설치는 이러한 케이블을 기계 부품에 단순히 연결하는 것으로 이루어집니다.

그림 2: 여기에 보이는 대로 맞춤형 케이블 조립품은 전기 기술자의 현장 배선과 테스트 작업을 줄일 수 있습니다.

전송 품질을 보호하는 차폐

전력, 제어 및 데이터 신호의 전송이 포함되며 시스템이 날로 복잡해져서 현대의 산업 환경은 전기적 잡음이 심합니다. 이것이 민감한 장비와 신호를 EMI로부터 보호해야 하는 이유입니다. 이러한 전기 회로 교란은 전자기 유도, 정전기 커플링 및 전도 때문에 발생합니다. 실제로 전기적 잡음이 심한 환경에서 사용하는 케이블은 EMI 전파를 방지하기 위해 차폐해야 할 수 있습니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

• 케이블이 다른 곳에서 발생하는 EMI의 방해를 받을 수 있습니다.
• 산업용 케이블 자체가 EMI의 발생원이 될 수 있습니다.
• 그 외에 케이블이 잡음을 방사하는 안테나 역할을 할 수도 있습니다.

모터, 발전기, 변압기, 유도 가열 및 전력 케이블이 모두 높은 수준의 EMI 발생원이 될 수 있습니다. 이러한 발생원에 가까운 제어 및 데이터 케이블은 차폐해야 합니다. 매우 민감한 신호는 EMI 발생원에서 일정 거리 떨어져 있어도 차폐가 필요할 수 있습니다.

실제로 차폐는 자동화된 작동 전체를 감싸는 케이지 형태이거나 케이블을 감싸는 금속 캐비닛 또는 도관이거나 여기서 자세히 설명하는 대로 케이블에 직접 내장할 수도 있습니다.

케이블 내장 EMI 차폐에서는 패러데이 실드(케이블 컨덕터 주위를 전도성 소재로 연속해서 덮음) 또는 패러데이 케이지(케이블 컨덕터를 감싼 전도성 메시)를 사용할 수 있습니다. 일반적으로 전자는 호일로 제작되고 후자는 편복선 전선으로 제작됩니다.

호일 차폐는 연속 차폐를 제공하기 위해 얇은 알루미늄으로 구성되어 비용이 낮고 유연하지만 접지하기는 더 어렵습니다.

편복선 전선은 구리선을 엮은 메시여서 접지에 연결하기는 더 쉽지만, 피복률이 100%가 되지 않는 경우가 있어 작은 개구부를 통해 고주파 신호가 침투할 수 있습니다. 따라서 패러데이 케이지가 효과가 있으려면 메시의 모든 구멍이나 틈이 차단되는 방사선의 파장보다 상당히 작아야 합니다. 일부 제조업체는 편복선 차폐 전선을 주석 도금하여 EMI 방지 효과를 개선합니다. 다른 제조업체는 잡음이 아주 심한 환경에서 전체 케이블 주변뿐 아니라 개별 쌍 사이 등에 여러 층의 차폐를 사용하여 깨끗한 신호 전송을 보장합니다. 이러한 차폐는 다른 옵션보다 비용은 더 들고 유연성은 떨어질 수 있습니다.

케이지와 실드는 모두 컨덕터로, 전자기 방사선을 반사하여 방사선이 케이블의 전도성 전선 내부에 도달하지 못하게 합니다. 케이블의 차폐는 일반적으로 전도성 전선을 감싸는 절연 층 사이에 배치됩니다. 그 다음 이 차폐는 EM 에너지를 효과적으로 분산하기 위해 대개 접지에 연결됩니다.

그림 3: Lapp USA에서 제공하는 ÖLFLEX CONNECT SERVO 케이블은 전력 및 데이터 연결을 포함할 뿐 아니라 Siemens, Rockwell/AB, Indramat, Lenze 및 SEW 드라이브와 서보모터에서 간편하게 사용하기 위한 커넥터도 포함합니다. 이러한 케이블의 EMC 차폐는 제조업체에서 케이블 피복을 벗기고 차폐를 분산하여 커넥터와 모든 방향에서 접촉하는 자동화된 공정을 통해 이루어집니다. (이미지 출처: Lapp USA)

산업용 케이블 절연 옵션

절연은 전기 컨덕터 전선을 감싸는 비전도성 소재입니다. 절연은 전선 사이나 전선과 접지 사이의 전도를 방지할 뿐 아니라 마모 및 유체 유입을 방지하는 기능을 하는 경우도 많습니다. 다만 절연만으로는 EMI를 차단하는 장벽이 없어 자기장 및 방사선이 바로 통과한다는 점에 유의해야 합니다. 다음은 몇 가지 일반적인 절연 소재입니다.

PVC(Polyvinyl chloride)는 널리 사용되는 저렴한 절연 소재입니다. 온도 범위가 약 -55°C ~ +105°C이며 일반적인 용제와 연료에 대한 내성/저항성이 있습니다. 정전 용량과 감쇠로 인해 약간의 전력 손실이 발생합니다.

준강체 PVC(SR-PVC)는 다른 옵션보다 내마모성이 뛰어납니다. 유사한 난연성 폴리염화비닐(plenum PVC) 소재도 뛰어난 내염성을 자랑합니다.

폴리에틸렌(PE)은 정전 용량이 낮아서 고속 데이터 전송에 적합합니다. 단, 온도 범위가 -65°C ~ +80°C로 가연성이고 유연성이 떨어집니다.

염소화 폴리에틸렌(CPE)은 내열성과 내화성이 우수하며 산업용 전력 및 제어 케이블에서 널리 사용됩니다.

실리콘은 내열성이 우수(최대 180°C)할 뿐 아니라 난연성과 유연성도 뛰어납니다.

유리 섬유는 주조 및 금속 공정과 같이 극도로 높은 내열성이 필요한 응용 분야에 보통 사용됩니다. 최대 480°C의 지속 온도에서 사용할 수 있습니다.

작동 조건은 대략적인 지침으로 제공됩니다. 설계 엔지니어는 항상 특정 응용 제품에 케이블을 사용하기 전에 케이블 제조업체 사양을 확인해야 합니다.

산업용 케이블 피복 및 재키팅

일부 케이블에서는 전기 절연과 외부 보호의 기능이 분리되어 있어서 각 기능에 최적화된 소재가 사용됩니다. 이 경우 전기 전열을 제공하는 내부 층을 절연이라고 하고, 보호를 제공하는 외부 층을 재킷이라고 합니다. 이렇게 하면 견고성과 유연성을 모두 향상할 수 있습니다.

다양한 재킷 소재를 사용하여 마모, 유체, 열, 화학 물질 또는 미생물과 같은 위협에 대한 특수 보호를 제공할 수 있습니다. 일부 일반적인 재킷 소재는 다음과 같습니다.

폴리우레탄(PUR)은 매우 견고하고 유연할 뿐 아니라 내화학성, 방수 성능 및 내마모성도 뛰어납니다. 하지만 폴리우레탄은 가연성입니다. 전기 속성이 불량해 절연 소재로 사용하는 데 적합하지 않습니다.

나일론은 견고성과 유연성, 내마모성과 내화학성이 우수합니다.

네오프렌은 합성 열경화성 고무로 마모, 컷스루, 용제에 대한 내성 및 내유성이 우수합니다. 사용 수명이 길며 군사 응용 분야에 종종 사용됩니다.

스티렌 부타디엔 고무(SBR)는 마모, 용제 내성, 내유성이 우수한 열경화성 수지입니다. Mil-C-55668 케이블에 사용됩니다.

산업용 케이블의 연선 배열

케이블 내의 개별 전선을 다양한 방식으로 배열하여 특유의 휨 속성을 줄 수 있습니다.

단선 컨덕터는 하나의 두꺼운 전선으로 이루어져 비용은 낮지만 딱딱하고 덜 견고합니다.

다심 연선은 모든 전선은 한 방향으로 꼬아 비교적 단순하지만 단선 케이블보다 견고합니다.

동심 연선은 가운데에 하나의 전선이 있고 이 전선을 꼰 전선 층으로 감싼 구조로, 연속 층은 서로 엇갈리는 방향으로 꼬여 있습니다. 따라서 자동화 응용 제품에서 사용하기 적합한 부드러운 케이블이 됩니다.

로프 연선은 다양한 방식으로 꼰 케이블 묶음을 포함하며 유연한 케이블을 만들기 위한 설계이기도 합니다.

산업용 케이블의 커넥터에 관한 최종 참고 사항

산업 자동화용 케이블 커넥터도 케이블과 마찬가지로 맞춤 제작할 수 있습니다. 이 주제는 다른 기사에서 다룰 예정이며 다양한 형태의 커넥터뿐 아니라 글랜드 및 그립 옵션도 논의할 것입니다. 하지만 위에서 언급한 서보모터 케이블과 같은 특정 부품에 특수한 커넥터가 점점 더 늘고 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다.

또한 오늘날 케이블 커넥터는 환경 조건에 대한 내성을 유지하기 위해 고도의 특수 설계를 제공합니다. 커넥터의 침투에 대한 내성은 인클로저의 경우와 동일하게 침투 보호(IP) 코드를 사용하여 평가됩니다. 코드는 숫자 2자리로 구성되어 있는데, 첫 번째 숫자는 이물질 및 먼지에 대한 보호 수준을 나타내고 두 번째 숫자는 유체로부터의 보호 수준을 나타냅니다. 첫 번째 숫자는 0(보호 없음)에서 6(방진)까지입니다. 두 번째 숫자는 0(보호 없음)에서 8(1m 깊이에서 연속 침수로부터 지속적인 보호)까지입니다.

그 외에는 케이블 커넥터의 기하 구조가 표준화되어 사양이 간소화되고 있습니다. 예를 들어 모듈식 RJ 커넥터가 데이터 전송에서 채택되는 케이블에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이 맥락에서 RJ라는 용어는 registered jack을 나타내며 전화 시스템 응용 분야에서 유래되었습니다. 하지만 기술적으로 말하면 최신 모듈식 커넥터는 실제 RJ 커넥터가 전혀 아닙니다. 해당 커넥터는 커넥터를 고정하고 한 번의 작업으로 전기 접점을 만드는 특수 목적 크림핑 공구로 케이블을 종단하기 위해 신속하고 안정적으로 고정할 수 있습니다. 현장에서 케이블을 효율적이고 간편하게 조립할 수도 있지만, 공장에서 조립된 케이블이 더 안정적이긴 합니다. 이런 유형의 커넥터 플러그에는 일반적으로 커넥터를 소켓에 단단히 고정하는 탭이 있고 투명한 플라스틱 몸체가 있어 내부 접점을 맨눈으로 검사할 수 있습니다.

그림 4: 여기에 표시된 두 번째와 세 번째 케이블 커넥터는 RJ 커넥터입니다. (이미지 출처: Lapp USA)

이 주제에 관한 자세한 내용은 DigiKey 기사 “산업용 응용 제품에 적합한 케이블: 성공적인 설계를 위한 선택법과 사용법”에서 산업용 케이블 선택에 관한 지침을 참조하십시오.