如何设计节省空间、高效率和高安全性的工业控制面板

作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美编辑

工业控制面板设计人员面临着诸多挑战。这些挑战包括有限的空间和预算、环境危害（如电能损耗和接触化学品）和人为因素（如误用和篡改）。尽管面临这些困难，但设计人员必须设计出在安全性、可靠性和符合标准方面完全达到要求的面板。

为了实现这些目标，设计人员需要创新型解决方案，以简化控制面板的开发、安装和使用。具体来说，他们需要针对具体用例量身定制的元器件，以及确保正常工作的安装和维护工具。

本文将以成本和空间优化为重点，提供有关选择这些元器件的指导。内容涵盖布线系统、标识系统、安全系统、访问控制和不间断电源 (UPS)。本文以 [Panduit]的产品为例，探讨了每种元器件的作用和选择标准。文中还说明了如何部署这些元器件，以确保可靠性、安全性和符合行业标准。

通过选择线槽来设计节省空间的控制面板

要设计高效的控制面板，自动化和控制工程师必须综合考量各种因素，如电缆隔离、热管理、进线、电磁干扰 (EMI)、电缆弯曲半径和未来扩展空间。线槽在这个过程中扮演着至关重要的角色，因为它们构成了整个面板设计的“骨架”。在为工业控制面板选择线槽时，设计人员应考虑以下因素：

• 面板设计 ：面板的尺寸、类型和规格（如母线尺寸和冷却能力）都会影响到所需线槽的类型和特性。
• 尺寸 ：线槽应留出一定空间，以备日后增加或调整线缆。但是，线槽也不宜太大，以免浪费控制面板的空间。
• 布线类型 ：不同尺寸和功能的线缆（如电源线、控制线或数据线）可能需要不同类型的线槽或通道才能正确安装。
• 环境和材料 ：常见的材料包括聚氯乙烯 (PVC) 和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 ( ABS ) 塑料，但在高温、潮湿或腐蚀性物质等条件下，需要使用由特定材料制成或具有特定保护功能的线槽。
• 安装和维护 ：线槽应能够轻松地增减线缆，并应易于在控制面板中安装。
• 合规性 ：线槽应符合适用的安全标准、电气规范和行业特定法规。

标准和法规尤为重要，因为使用不符合标准的线槽，可能会导致安全隐患或控制面板故障。作为符合标准零件的实例，Panduit 的 [F1X3LG6] 线槽采用无铅 PVC 制成，可在高达 +122°F (+50°C) 的额定温度下连续使用。其阻燃等级达到 UL 94 V-0，并满足 NFPA 79-2007 标准第 13.3.1 节对阻燃材料的要求。

F1X3LG6 还非常适合节省空间的设计。窄槽设计与高密度元器件的间距一致，其刻痕线便于开出较大的孔，用于分支或其他线路管理（图 1）。它还配有卡入式盖板，以便快速安全地检修线路。

图 1：Panduit F1X3LG6 具有间距很小的窄槽，采用双重限制槽设计，用于固定电线。（图片来源：Panduit）

控制面板的替代布线解决方案

当然，线槽并非适用于所有情况。例如，线缆可能需要通过无法在机柜上钻孔的区域。在这种情况下，可以考虑 [ABM100-A-C] 背胶电缆扎带固定座等解决方案。这种四向固定座旨在实现快速安装并提供长期可靠性。

与所有粘合剂系统一样，我们应注意确保针对应用环境，选择正确的粘合剂（图 2）。

| | 表面 | 橡胶泡棉胶带固定座 | 丙烯酸泡棉胶带固定座 | 环氧树脂粘合剂固定座 |
| -------------------- | -------------------- | ---------------------- | ---------------------- |
| 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 |
| 粉末涂层 | 良好 | 一般 | 良好 |
| 金属 | 良好^1^ | 良好^1^ | 良好 |
| 纸张 | 良好 | 良好 | 一般 |
| 混凝土、石材、砖石 | 不推荐 | 不推荐 | 良好 |

图 2：应选择符合应用环境要求的粘合剂系统。（图片来源：Panduit）

保护控制面板电线和电缆免受磨损

在线槽之外布线时，应注意确保线缆不会因磨损或其他危险而损坏。例如，控制面板通常需要从机柜内部走线，到达前面板。应将这些线缆包裹起来以免损坏。控制工程师可选择的选项包括：

• 螺线包材 ：用于线束和电缆束的通用磨损保护材料。易于分线，提供不同的颜色、材质和尺寸。
• Pan-wrap 分离式线束包材 ：为线束和电缆束提供柔性、耐磨的保护。它具有独特的槽型和较大的重叠度，可缩短安装时间，并适应各种线束直径。
• 编织套管 ：为电线、电缆、软管和管道提供持续耐磨保护。采用柔性镂空织法，不会积聚热量或湿气。
• 波纹管 ：经济实惠的解决方案，采用实壁设计，可为电缆束提供全面保护。采用不同的材料，有些还采用了便于安装和拆卸的缝壁设计。
• 热缩管 ：非常适合电线和电缆的绝缘、保护和颜色编码。还可与接线端子和接线片一起使用，以实现整洁、安全和可靠的安装。其具有不同的材料、尺寸和壁厚，有的还带有用于防水密封的粘合衬布。

要选择合适的包材，必须考量诸多因素（图 3）。例如，如果应用需要一种重量轻、柔性好、能够适应不规则形状的解决方案，[T25F-C]螺线包材就是很好的选择。这种线缆包材不仅便于安装，而且经久耐用，可在高达 +122°F(+50°C) 的额定温度下使用。

| | 特性 | 螺线
包材 | PAN-WRAP 分离式

图 3：各种类型的线缆包材可满足不同需求。（图片来源：Panduit）

通过电缆端接、管理和标签提高控制面板的可维护性和安全性

为确保控制面板的有效安装、使用和维护，设计人员必须选择合适的电线端接方法和材料（图 4）。

图 4：端接类型及其特性的示例。（图片来源：Panduit）

最佳选择取决于多个因素，包括所需的端子数。例如，[DNF14-250FIB-C] 尼龙绝缘母端子无需使用工具，即可从公接线片上插入和拔出，从而降低了安装成本，而且更加易于维护。相比之下，[FSD80-8-KD6] 单线 DIN 端部套管绝缘套圈可与自动压接机配合使用，更适合高数量端子。

电缆扎带在安全和维护方面也发挥着重要作用，能使布线保持有序和牢固。如图 5 所示，电缆扎带种类繁多，可满足不同需求。除了扎带的基本设计，材料选择也是一个重要的考量因素。例如，[PLT1.5M-M]锁式电缆扎带由尼龙 6.6 制成，因而最适合室内使用。对于存在盐和酸雨等危险的室外应用，最好使用丙烯等材料。

图 5：电缆扎带的材料选择需要仔细考虑各种环境因素；PLT1.5M-M 锁式电缆扎带使用尼龙 6.6，最适合室内使用。（图片来源：Panduit）

使用合适的电缆扎带工具可以提高生产率、降低成本并加强工人的安全防护。例如，[GTH-E]电缆扎带枪的设计便于使用（图 6）。与同类工具相比，它所需的操纵力减少了 15%，其电缆扎带切断机制可让用户手部遭受的冲击减少 40% 以上。

图 6：GTH-E 电缆扎带枪的主要特性，其采用便于使用的设计。（图片来源：Panduit）

最后，清晰的标签对于正确使用和维护控制面板至关重要。标签的选择不仅取决于目标用途，还取决于环境危害（图 7）。例如，如果电缆只接触温和的水基液体，那么像 [S100X150VATY]热转印乙烯基自层压标签之类的解决方案就非常适用。这些标签的尺寸专门针对电线和电缆应用设计，可在高达 +150°F (+65°C) 的额定温度下使用。

图 7：标签解决方案样本及其对各种环境危害的适用性。（图片来源：Panduit）

[TDP43ME]热转印打印机等解决方案有助于确保正确贴标（图 8）。使用这种热转印打印机，操作人员可将标签放置在距离连接器和端子末端 12.7 mm (1/2") 的电线和电缆上。这种打印机的周期时间比传统手动安装快三倍，速度是竞争解决方案的两倍。其采用符合人体工程学的设计，可减少操作人员的疲劳，并将重复性运动损伤的风险降至最低。

图 8：TDP43ME 热转印打印机配有软件和配件，可实现高效贴标。（图片来源：Panduit）

控制面板应用中的接地和安全

考虑到工业控制面板的高功率，正确接地对安全至关重要。选择接地棒是一项关键的设计选择——不仅会影响安全性，还会影响控制面板的成本效益和可维护性。

[UGB2/0-414-6]通用接地棒就说明了这一点。它属于 Panduit 获得专利的 StructuredGround™ 通用接地棒系统 (UGB)，该系统兼容所有类型的电线端接方法和 140 多种连接器。这种灵活性显著简化了设计和维护工作。此外，它还提供两种支座安装方式，为狭小区域提供额外布线空间。

安全和生产率有时会发生冲突。例如，法规强制要求在维修电气设备之前必须进行测试，确认没有电压。如果使用手持式仪器，这可能是一个耗时的过程。[VS-AVT-C02-L03]VeriSafe 无电压测试仪通过自动化程序简化了操作。一旦将该装置安装到前面板中，工人只需按一下按钮，即可确认无电压（图 9）。

图 9：使用 VS-AVT-C02-L03 VeriSafe 无电压测试仪等仪器进行自动测试，不仅更快捷，而且更安全。（图片来源：Panduit）

利用工业以太网解决方案和 UPS 保持可靠的网络连接并避免篡改

数据网络现在已成为大多数控制面板设计的组成部分。为了避免因篡改或滥用而造成安全漏洞和停机，必须确保网络电缆保持在适当位置，这一点非常重要。[PSL-DCJB]RJ45 插孔模块屏蔽装置就是为此而开发的。这些装置插入到未使用的以太网端口，只有经过授权的工作人员才能使用专用工具拔出插头。相反，锁定装置可防止从活动以太网端口拔出网线。

在某些情况下，必须从控制面板的外部接入以太网端口。在这一方面，[IAEBHC6]IndustrialNet Cat 6 UTP 穿板 RJ45 耦合器模块（带保护帽）等解决方案发挥了重要作用。这种穿板提供 IP67 级密封防护，可防止灰尘入侵，并具有一定的防水功能，因此非常适合需要冲洗的工作单元。

对于网络供电设备，以太网插头需要特殊的特性。例如，[FPS6X88MTG]IndustrialNet 6A 类现场可端接屏蔽 RJ45 插头专为以太网供电 (PoE) 和类似应用而设计，符合 IEEE 802.3af/802.3at (PoE/PoE+) 标准。这款插头还具备其他一些特性，超过 ANSI/TIA 568-C.2 6A 类和 ISO 11801 EA 类通道性能要求，并且符合 ANSI/TIA-1096-A（原 FCC 第 68 部分）、IEC 60603-7 和 IEC 60529 (IP20) 标准。

无论使用哪种电源，许多控制面板都需要不间断电源 (UPS)，以便在断电时保持运行。在为控制面板选择 UPS 时，控制工程师应考虑以下因素：

• 功率容量： UPS 的输出功率应超过控制面板的耗电量。
• 维护： 远程管理可实现对关键参数的监视和控制，从而节省成本和时间。
• 安装： DIN 导轨安装等选项让 UPS 易于集成到控制面板中。
• 安全性和合规性： UPS 至少应符合 UL508 等相关标准。

[UPS00100DC]工业网络 UPS 在很多方面都超越了这些基本要求。它使用超级电容器代替电池，降低了停机风险，并避免了潜在的氢气积聚。无电池设计无需维护，与基于电池的 UPS 相比，投资回报率提高 2 倍，拥有成本降低 50% 至 70%。

总结

设计工业控制面板是一个要求严格而复杂的过程，需要在空间、安全性和可靠性之间达到平衡。为了达到最佳效果，设计人员需要使用各种控制面板解决方案，帮助进行面板规划、布线和贴标，并使其免受外部和内部危险的影响。这些解决方案应该针对工业控制面板应用的具体要求量身定制，并且配备安装和维护工具，以确保正常工作。通过使用符合这些标准的控制面板解决方案，设计人员可以设计出高效、安全、合规的控制面板。