作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

工業控制面板設計人員面臨著諸多挑戰。這些挑戰包括有限的空間和預算、環境危害（如電能損耗和接觸化學品）和人為因素（如誤用和篡改）。盡管面臨這些困難，但設計人員必須設計出在安全性、可靠性和符合標準方面完全達到要求的面板。

為了實現這些目標，設計人員需要創新型解決方案，以簡化控制面板的開發、安裝和使用。具體來說，他們需要針對具體用例量身定制的元器件，以及確保正常工作的安裝和維護工具。

本文將以成本和空間優化為重點，提供有關選擇這些元器件的指導。內容涵蓋布線系統、標識系統、安全系統、訪問控制和不間斷電源 (UPS)。本文以 [Panduit]的產品為例，探討了每種元器件的作用和選擇標準。文中還說明了如何部署這些元器件，以確保可靠性、安全性和符合行業標準。

通過選擇線槽來設計節省空間的控制面板

要設計高效的控制面板，自動化和控制工程師必須綜合考量各種因素，如電纜隔離、熱管理、進線、電磁干擾 (EMI)、電纜彎曲半徑和未來擴展空間。線槽在這個過程中扮演著至關重要的角色，因為它們構成了整個面板設計的“骨架”。在為工業控制面板選擇線槽時，設計人員應考慮以下因素：

• 面板設計 ：面板的尺寸、類型和規格（如母線尺寸和冷卻能力）都會影響到所需線槽的類型和特性。
• 尺寸 ：線槽應留出一定空間，以備日后增加或調整線纜。但是，線槽也不宜太大，以免浪費控制面板的空間。
• 布線類型 ：不同尺寸和功能的線纜（如電源線、控制線或數據線）可能需要不同類型的線槽或通道才能正確安裝。
• 環境和材料 ：常見的材料包括聚氯乙烯 (PVC) 和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 ( ABS ) 塑料，但在高溫、潮濕或腐蝕性物質等條件下，需要使用由特定材料制成或具有特定保護功能的線槽。
• 安裝和維護 ：線槽應能夠輕松地增減線纜，并應易于在控制面板中安裝。
• 合規性 ：線槽應符合適用的安全標準、電氣規范和行業特定法規。

標準和法規尤為重要，因為使用不符合標準的線槽，可能會導致安全隱患或控制面板故障。作為符合標準零件的實例，Panduit 的 [F1X3LG6] 線槽采用無鉛 PVC 制成，可在高達 +122°F (+50°C) 的額定溫度下連續使用。其阻燃等級達到 UL 94 V-0，并滿足 NFPA 79-2007 標準第 13.3.1 節對阻燃材料的要求。

F1X3LG6 還非常適合節省空間的設計。窄槽設計與高密度元器件的間距一致，其刻痕線便于開出較大的孔，用于分支或其他線路管理（圖 1）。它還配有卡入式蓋板，以便快速安全地檢修線路。

圖 1：Panduit F1X3LG6 具有間距很小的窄槽，采用雙重限制槽設計，用于固定電線。（圖片來源：Panduit）

控制面板的替代布線解決方案

當然，線槽并非適用于所有情況。例如，線纜可能需要通過無法在機柜上鉆孔的區域。在這種情況下，可以考慮 [ABM100-A-C] 背膠電纜扎帶固定座等解決方案。這種四向固定座旨在實現快速安裝并提供長期可靠性。

與所有粘合劑系統一樣，我們應注意確保針對應用環境，選擇正確的粘合劑（圖 2）。

| | 表面 | 橡膠泡棉膠帶固定座 | 丙烯酸泡棉膠帶固定座 | 環氧樹脂粘合劑固定座 |
| -------------------- | -------------------- | ---------------------- | ---------------------- |
| 塑料 | 良好 | 良好 | 良好 |
| 木材 | 良好 | 良好 | 良好 |
| 玻璃 | 良好 | 良好 | 良好 |
| 漆面 | 良好 | 良好 | 一般 |
| 粉末涂層 | 良好 | 一般 | 良好 |
| 金屬 | 良好^1^ | 良好^1^ | 良好 |
| 紙張 | 良好 | 良好 | 一般 |
| 混凝土、石材、磚石 | 不推薦 | 不推薦 | 良好 |

圖 2：應選擇符合應用環境要求的粘合劑系統。（圖片來源：Panduit）

保護控制面板電線和電纜免受磨損

在線槽之外布線時，應注意確保線纜不會因磨損或其他危險而損壞。例如，控制面板通常需要從機柜內部走線，到達前面板。應將這些線纜包裹起來以免損壞。控制工程師可選擇的選項包括：

• 螺線包材 ：用于線束和電纜束的通用磨損保護材料。易于分線，提供不同的顏色、材質和尺寸。
• Pan-wrap 分離式線束包材 ：為線束和電纜束提供柔性、耐磨的保護。它具有獨特的槽型和較大的重疊度，可縮短安裝時間，并適應各種線束直徑。
• 編織套管 ：為電線、電纜、軟管和管道提供持續耐磨保護。采用柔性鏤空織法，不會積聚熱量或濕氣。
• 波紋管 ：經濟實惠的解決方案，采用實壁設計，可為電纜束提供全面保護。采用不同的材料，有些還采用了便于安裝和拆卸的縫壁設計。
• 熱縮管 ：非常適合電線和電纜的絕緣、保護和顏色編碼。還可與接線端子和接線片一起使用，以實現整潔、安全和可靠的安裝。其具有不同的材料、尺寸和壁厚，有的還帶有用于防水密封的粘合襯布。

要選擇合適的包材，必須考量諸多因素（圖 3）。例如，如果應用需要一種重量輕、柔性好、能夠適應不規則形狀的解決方案，[T25F-C]螺線包材就是很好的選擇。這種線纜包材不僅便于安裝，而且經久耐用，可在高達 +122°F(+50°C) 的額定溫度下使用。

| | 特性 | 螺線
包材 | PAN-WRAP 分離式

圖 3：各種類型的線纜包材可滿足不同需求。（圖片來源：Panduit）

通過電纜端接、管理和標簽提高控制面板的可維護性和安全性

為確保控制面板的有效安裝、使用和維護，設計人員必須選擇合適的電線端接方法和材料（圖 4）。

圖 4：端接類型及其特性的示例。（圖片來源：Panduit）

最佳選擇取決于多個因素，包括所需的端子數。例如，[DNF14-250FIB-C] 尼龍絕緣母端子無需使用工具，即可從公接線片上插入和拔出，從而降低了安裝成本，而且更加易于維護。相比之下，[FSD80-8-KD6] 單線 DIN 端部套管絕緣套圈可與自動壓接機配合使用，更適合高數量端子。

電纜扎帶在安全和維護方面也發揮著重要作用，能使布線保持有序和牢固。如圖 5 所示，電纜扎帶種類繁多，可滿足不同需求。除了扎帶的基本設計，材料選擇也是一個重要的考量因素。例如，[PLT1.5M-M]鎖式電纜扎帶由尼龍 6.6 制成，因而最適合室內使用。對于存在鹽和酸雨等危險的室外應用，最好使用丙烯等材料。

圖 5：電纜扎帶的材料選擇需要仔細考慮各種環境因素；PLT1.5M-M 鎖式電纜扎帶使用尼龍 6.6，最適合室內使用。（圖片來源：Panduit）

使用合適的電纜扎帶工具可以提高生產率、降低成本并加強工人的安全防護。例如，[GTH-E]電纜扎帶槍的設計便于使用（圖 6）。與同類工具相比，它所需的操縱力減少了 15%，其電纜扎帶切斷機制可讓用戶手部遭受的沖擊減少 40% 以上。

圖 6：GTH-E 電纜扎帶槍的主要特性，其采用便于使用的設計。（圖片來源：Panduit）

最后，清晰的標簽對于正確使用和維護控制面板至關重要。標簽的選擇不僅取決于目標用途，還取決于環境危害（圖 7）。例如，如果電纜只接觸溫和的水基液體，那么像 [S100X150VATY]熱轉印乙烯基自層壓標簽之類的解決方案就非常適用。這些標簽的尺寸專門針對電線和電纜應用設計，可在高達 +150°F (+65°C) 的額定溫度下使用。

圖 7：標簽解決方案樣本及其對各種環境危害的適用性。（圖片來源：Panduit）

[TDP43ME]熱轉印打印機等解決方案有助于確保正確貼標（圖 8）。使用這種熱轉印打印機，操作人員可將標簽放置在距離連接器和端子末端 12.7 mm (1/2") 的電線和電纜上。這種打印機的周期時間比傳統手動安裝快三倍，速度是競爭解決方案的兩倍。其采用符合人體工程學的設計，可減少操作人員的疲勞，并將重復性運動損傷的風險降至最低。

圖 8：TDP43ME 熱轉印打印機配有軟件和配件，可實現高效貼標。（圖片來源：Panduit）

控制面板應用中的接地和安全

考慮到工業控制面板的高功率，正確接地對安全至關重要。選擇接地棒是一項關鍵的設計選擇——不僅會影響安全性，還會影響控制面板的成本效益和可維護性。

[UGB2/0-414-6]通用接地棒就說明了這一點。它屬于 Panduit 獲得專利的 StructuredGround? 通用接地棒系統 (UGB)，該系統兼容所有類型的電線端接方法和 140 多種連接器。這種靈活性顯著簡化了設計和維護工作。此外，它還提供兩種支座安裝方式，為狹小區域提供額外布線空間。

安全和生產率有時會發生沖突。例如，法規強制要求在維修電氣設備之前必須進行測試，確認沒有電壓。如果使用手持式儀器，這可能是一個耗時的過程。[VS-AVT-C02-L03]VeriSafe 無電壓測試儀通過自動化程序簡化了操作。一旦將該裝置安裝到前面板中，工人只需按一下按鈕，即可確認無電壓（圖 9）。

圖 9：使用 VS-AVT-C02-L03 VeriSafe 無電壓測試儀等儀器進行自動測試，不僅更快捷，而且更安全。（圖片來源：Panduit）

利用工業以太網解決方案和 UPS 保持可靠的網絡連接并避免篡改

數據網絡現在已成為大多數控制面板設計的組成部分。為了避免因篡改或濫用而造成安全漏洞和停機，必須確保網絡電纜保持在適當位置，這一點非常重要。[PSL-DCJB]RJ45 插孔模塊屏蔽裝置就是為此而開發的。這些裝置插入到未使用的以太網端口，只有經過授權的工作人員才能使用專用工具拔出插頭。相反，鎖定裝置可防止從活動以太網端口拔出網線。

在某些情況下，必須從控制面板的外部接入以太網端口。在這一方面，[IAEBHC6]IndustrialNet Cat 6 UTP 穿板 RJ45 耦合器模塊（帶保護帽）等解決方案發揮了重要作用。這種穿板提供 IP67 級密封防護，可防止灰塵入侵，并具有一定的防水功能，因此非常適合需要沖洗的工作單元。

對于網絡供電設備，以太網插頭需要特殊的特性。例如，[FPS6X88MTG]IndustrialNet 6A 類現場可端接屏蔽 RJ45 插頭專為以太網供電 (PoE) 和類似應用而設計，符合 IEEE 802.3af/802.3at (PoE/PoE+) 標準。這款插頭還具備其他一些特性，超過 ANSI/TIA 568-C.2 6A 類和 ISO 11801 EA 類通道性能要求，并且符合 ANSI/TIA-1096-A（原 FCC 第 68 部分）、IEC 60603-7 和 IEC 60529 (IP20) 標準。

無論使用哪種電源，許多控制面板都需要不間斷電源 (UPS)，以便在斷電時保持運行。在為控制面板選擇 UPS 時，控制工程師應考慮以下因素：

• 功率容量： UPS 的輸出功率應超過控制面板的耗電量。
• 維護： 遠程管理可實現對關鍵參數的監視和控制，從而節省成本和時間。
• 安裝： DIN 導軌安裝等選項讓 UPS 易于集成到控制面板中。
• 安全性和合規性： UPS 至少應符合 UL508 等相關標準。

[UPS00100DC]工業網絡 UPS 在很多方面都超越了這些基本要求。它使用超級電容器代替電池，降低了停機風險，并避免了潛在的氫氣積聚。無電池設計無需維護，與基于電池的 UPS 相比，投資回報率提高 2 倍，擁有成本降低 50% 至 70%。

總結

設計工業控制面板是一個要求嚴格而復雜的過程，需要在空間、安全性和可靠性之間達到平衡。為了達到最佳效果，設計人員需要使用各種控制面板解決方案，幫助進行面板規劃、布線和貼標，并使其免受外部和內部危險的影響。這些解決方案應該針對工業控制面板應用的具體要求量身定制，并且配備安裝和維護工具，以確保正常工作。通過使用符合這些標準的控制面板解決方案，設計人員可以設計出高效、安全、合規的控制面板。