Spełnianie wymogów Przemysłu 4.0 w dziedzinie wysokiej wytrzymałości i gęstości połączeń

Zapotrzebowanie na szybką i niezawodną łączność Ethernet o wysokiej gęstości jest coraz większe w zastosowaniach Przemysłu 4.0, takich jak robotyka, widzenie maszynowe, kontrolery, serwowzmacniacze i serwery. Połączenia Ethernet w urządzeniach Przemysłu 4.0 muszą obsługiwać prędkości dochodzące do 10Gbit/s, posiadać ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI), zapewniać mechanizmy bezpiecznego łączenia i blokowania uniemożliwiające niezamierzone odłączenie kabla, wytrzymywać warunki silnych drgań oraz posiadać wysoką trwałość podłączania/odłączania. Złącza te muszą być wystarczająco kompaktowe, aby sprostać coraz wyższym wymaganiom w dziedzinie gęstości systemów i połączeń w zastosowaniach Przemysłu 4.0.

Tradycyjne złącza RJ45 Ethernet mogą spełniać niektóre ze wspomnianych wymagań, jednak są stosunkowo duże i nie zapewniają elastyczności instalacyjnej potrzebnej we współczesnych projektach.

Aby sprostać tym wyzwaniom, projektanci mogą użyć złączy przemysłowych ix do kabli Ethernet wysokich prędkości, w tym również Cat5e (1Gbit/s) oraz Cat6a (10Gbit/s). Złącza te są o 75% mniejsze w porównaniu do złączy RJ45, zapewniają wyższe poziomy kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) i ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) umożliwiające bezpieczne przesyłanie danych, a także spełniają wymogi normy IEC 61076-3-124.

Artykuł rozpoczyna porównanie opcji złączy przemysłowych ix oraz RJ45. Następnie omawiane są złącza ix typu A i B do łączności Ethernet i innej, a także przedstawiono różnorodne dostępne opcje konfiguracyjne złączy ix wraz z przykładowymi złączami firmy Hirose. Na zakończenie prezentowane są narzędzia do montażu i testowania kabli ix w celu zapewnienia prawidłowego wdrożenia.

Porównanie złączy ix oraz RJ45

Szybkie wdrożenie i rekonfiguracja wielu zastosowań Przemysłu 4.0 wymaga łączności modułowej. Systemy te często łączą w sobie urządzenia starszego typu z nowymi rozwiązaniami. Wykorzystują one szybkie przemysłowe sieci Ethernet i inne protokoły, które wymagają interoperacyjności i dostępności. Złącza RJ (Registered Jack) powszechnie występują w sprzęcie starszego typu i mają postać ośmiowtykowych, ośmiostykowych (8P8C) złączy RJ45 zapewniających podstawową łączność Ethernet.

Powstające systemy Przemysłu 4.0 wymagają coraz większej elastyczności i gęstości połączeń. Złącza ix nie tylko są o 75% mniejsze od rozwiązań RJ45, ale umożliwiają również równoległy montaż z rastrem 10mm, dzięki czemu na tej samej przestrzeni płytki drukowanej, zamiast trzech złączy RJ45 można zmieścić sześć złączy ix (ilustracja 1).

Ilustracja 1: raster montażowy 10mm pozwala zmieścić sześć złączy ix na tej samej przestrzeni płytki drukowanej, jak trzy złącza RJ45. (Źródło ilustracji: Hirose)

Wytrzymałość i solidność

Norma IEC 61076-3-124 zawiera specyfikacje dotyczące wymiarów, cech mechanicznych i elektrycznych, charakterystyki transmisji oraz wymogów środowiskowych dotyczących złączy ix. Złącza ix firmy Hirose przewyższają wymogi normy IEC 61076-3-124 i spełniają wymagania japońskiej normy przemysłowej JIS E4031 w dziedzinie prób wstrząsowych i drganiowych taboru kolejowego. Są one zgodne również ze standardem interfejsu kamer GigE Vision, który obsługuje użycie sieci Gigabit Ethernet do przesyłania obrazów z użyciem bardzo długich i tanich kabli standardowych. Zastosowane w nich styki wysokoprądowe umożliwiają użycie zasilania przez Ethernet (PoE) oraz zastosowań PoE+ zgodnie z normami IEEE 802.3af i IEEE 802.3at.

System złączy ix został od samego początku zaprojektowany z myślą o zastosowaniach przemysłowych, podczas gdy złącze RJ45 zostało pierwotnie zaprojektowane do użytku w konsumenckich i komercyjnych urządzeniach telekomunikacyjnych i zostało przystosowane do użytku w środowisku przemysłowym. Złącza ix posiadają na przykład dwa blokujące zaczepy zatrzaskowe wykonane z metalu, które zapewniają haptyczne i akustyczne potwierdzenie prawidłowego połączenia wtyczki z gniazdem. Przemysłowe złącza RJ45 posiadają pojedynczy zaczep blokujący.

Konstrukcja osłony gniazda złącza ix zapewnia wytrzymałość mechaniczną i poprawia parametry kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Gniazda te posiadają pięć przewlekanych wypustek mocujących - po dwie po bokach i jedną z tyłu pomiędzy dwoma zestawami styków sygnałowych, natomiast złącza RJ45 posiadają tylko trzy wypustki. Wypustki gniazda złącza ix są również wytrzymalsze w porównaniu z wypustkami gniazd RJ45. Po przylutowaniu do płytki drukowanej, sześć wypustek gniazda ix chronią styki sygnałowe przed naprężeniami podczas podłączania i odłączania wtyczki. Zwiększają one również odporność gniazda na wstrząsy i drgania. Lutowane wypustki łączą się bezpośrednio z masą płytki drukowanej, zwiększając ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) (ilustracja 2).

Ilustracja 2: pięć wypustek przewlekanych gniazda chroni styki sygnałowe, zwiększa wytrzymałość na wstrząsy i drgania oraz poprawia parametry kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) złączy ix. (Źródło ilustracji: Hirose)

Użycie systemów modułowych i umożliwiających ponowną konfigurację zmienia oczekiwania w stosunku do parametrów złączy. Obecnie po instalacji złącza nie pozostają na miejscu przez cały czas użytkowania systemu. Stanowiska produkcyjne, narzędzia i inne komponenty systemów wymagają możliwości częstej zmiany konfiguracji w celu zapewnienia funkcji dostosowawczych, które stanowią cechę charakterystyczną Przemysłu 4.0. Z tego względu złącza mogą być łączone i rozłączane setki lub tysiące razy w całym okresie użytkowania. Złącza ix firmy Hirose zostały zaprojektowane i przetestowane w sposób aby nadal spełniać wszystkie wymagania eksploatacyjne normy IEC 61076-3-124 po 5000 cyklach łączenia.

Połączenia inne niż Ethernet

Norma IEC 61076-3-124 dotyczy połączeń Ethernet i innych niż Ethernet. Aby zapobiec nieprawidłowym połączeniom, złącza ix Ethernet i inne niż Ethernet posiadają różne style kodowania mechanicznego oznaczone jako A i B odpowiednio (ilustracja 3):

• Złącza ix typu A radzą sobie z szybkościami transmisji danych do 10Gbit/s. Obsługują zasilanie przez Ethernet PoE oraz PoE+ i można je rozpoznać po sfazowaniu polaryzacyjnym 45° na lewym dolnym narożniku gniazda.
• Złącza ix typu B są zaprojektowane do użycia we wszelkich zastosowaniach innych niż Ethernet, takich jak sygnalizacja i różnorodne przemysłowe protokoły komunikacji szeregowej i innej. Można je rozpoznać po sfazowaniu 45° na lewym górnym narożniku gniazda.

Ilustracja 3: dostępne są dwie konstrukcje kodowania mechanicznego złączy ix, uniemożliwiające wprowadzenie wtyczki Ethernet do gniazda innego niż Ethernet i na odwrót. (Źródło ilustracji: Hirose)

Elastyczność integracji

Omawiane złącza zwiększają elastyczność integracji systemów. Kable mogą być łączone z gniazdami złączy ix metodą lutowania lub przez przerwanie izolacji (IDC). Połączenia lutowane mogą przyspieszyć produkcję zespołów kablowych w środowisku fabrycznym. Połączenia wykonywane przez przerwanie izolacji (IDC) są często stosowane w celu wykonania zespołów kablowych w terenie i mogą skrócić czas instalacji nawet o 50% ze względu na brak konieczności zdejmowania izolacji z przewodów, ich skręcania i lutowania. Istnieją cztery odpowiednie grupy złączy oznaczone jako 30, 31, 32 oraz 40. Pierwsze trzy obsługują różne rozmiary kabli IDC, a czwarta przeznaczona jest do połączeń lutowanych:

• 30: połączenie wykonywane przez przerwanie izolacji (IDC) przewodów o rozmiarach od 26 do 28AWG (American Wire Gauge) i średnicy zewnętrznej izolacji od 0,95 do 1,05mm
• 31: połączenie wykonywane przez przerwanie izolacji (IDC) przewodów o rozmiarach od 24 do 25AWG) i średnicy zewnętrznej izolacji od 1,1 do 1,25mm
• 32: połączenie wykonywane przez przerwanie izolacji (IDC) przewodów o rozmiarze 22AWG i średnicy zewnętrznej izolacji od 1,4 do 1,6mm
• 40: lutowanie ręczne

Firma Hirose oferuje również złącza ix w trzech konfiguracjach gniazd i trzech konfiguracjach wtyczek, odpowiednie do potrzeb konkretnych zastosowań (ilustracja 4). Konfiguracje gniazd:

• Pod kątem prostym w górę z możliwością montażu równoległego z rastrem 10mm dla oszczędności miejsca na płytce drukowanej w systemach o wysokiej gęstości
• Typ pionowy umożliwia łączenie złączy od góry
• Niskoprofilowe gniazdo pod kątem prostym ma wysokość 5,7mm, czyli mniej niż połowa wysokości złącza RJ45

Konfiguracje wtyczek:

• Kabel na wprost
• Kabel pod kątem prostym w górę
• Kabel pod kątem prostym w dół

Ilustracja 4: dostępne są trzy różne style gniazd, ukazane na trzech płytkach drukowanych. Każda płytka zawiera trzy style wtyczek złącza ix. (Źródło ilustracji: Hirose)

Przykładowe złącza ix

Oprócz omówionych wyżej opcji i konfiguracji, firma Hirose daje projektantom możliwość wyboru powłoki złotej lub powłoki palladowo-niklowej z pozłacaniem na powierzchniach styków. Przykładowe złącza ix z asortymentu firmy Hirose:

IX80G-B-10P(01) - gniazdo pionowe typu B z powłoką palladowo-niklową 0,75μm i złotą 0,05μm

IX80G-A-10P(01) - gniazdo pionowe typu A z powłoką palladowo-niklową 0,75μm i złotą 0,05μm

IX61G-B-10P - gniazdo skierowane pod kątem prostym w górę typu B z powłoką złotą 0,2μm

IX60G-A-10P - gniazdo pod kątem prostym typu A z powłoką złotą 0,2μm

IX31G-A-10S-CV(7,0) - wtyczka prosta typu A z powłoką złotą 0,2μm

IX30G-A-10S-CVL2(7.0) - wtyczka skierowana pod kątem prostym w górę typu A z powłoką złotą 0,2μm

IX30G-B-10S-CVL1(7.0) - wtyczka skierowana pod kątem prostym w dół typu B z powłoką złotą 0,2μm

Montaż w terenie

Przemysłowe zastosowania Ethernet wymagają wysokiej dostępności, a montaż w terenie okablowania może stanowić istotną kwestię. Pozwala to przyspieszyć instalację sprzętu, zwłaszcza w architekturach modułowych, umożliwiając szybką wymianę zespołów kablowych, które uległy zużyciu lub uszkodzeniu. Wychodząc naprzeciw zapotrzebowaniu na montaż w terenie, firma Hirose oferuje narzędzie do zespołów kablowych HT803/IXG-8/10S-63-72, które może być używane łącznie ze złączami ix do połączeń wykonywanych przez przerwanie izolacji (IDC) IX30G, IX31G oraz IX32G (ilustracja 5). Jest to narzędzie kombinowane do zagniatania wtyczki na kablu i nakładania obudowy ochronnej na zespół. W przypadku złączy lutowanych IX40G służy ono tylko do nakładania obudów.

Ilustracja 5: narzędzie ręczne umożliwiające wytwarzanie zespołów kablowych ix w terenie. (Źródło ilustracji: Hirose Electric)

Omawiane narzędzie do montażu kabli przeznaczone jest do użytku z kablami ekranowanymi o przekroju od 22 do 28AWG z plecionymi przewodami z miedzi wyżarzanej oraz izolacją zewnętrzną o średnicy od 6,3 do 7,2mm. Operacja jest szybka i prosta.

Zagniatanie: należy umieścić wtyczkę w urządzeniu cechą kodującą do góry i wprowadzić kabel do wtyczki. Ścisnąć rękojeść, aby dokończyć zagniatanie. Narzędzie zawiera mechanizm zapadkowy zapewniający, że nie otworzy się ono do czasu przyłożenia prawidłowego nacisku zapewniającego uzyskanie prawidłowego połączenia zagniatanego. Mechanizm zapadkowy jest automatycznie zwalniany po uzyskaniu wymaganego nacisku.

Nakładanie osłony: umieścić osłonę ekranującą i korpus w narzędziu (prawidłowe umieszczenie zapewnia specjalne wycięcie). Tak samo jak w procesie zagniatania, umieścić wtyczkę w narzędziu cechą kodującą do góry. Ścisnąć rękojeść aż do zwolnienia zapadki, aby dokończyć nakładanie osłony.

Próby są ważne

Może istnieć kilka powodów dla testowania kabli Ethernet w terenie. Próby na początkowych etapach wdrożenia sprzętu lub wymiany istniejącego okablowania pozwalają na zaświadczenie, że kabel spełnia wszystkie wymagania eksploatacyjne. Próby kabli mogą być również użyteczne podczas rozwiązywania problemów z instalacjami w celu wykrycia źródeł problemów. Usterki w sieciach Ethernet mogą mieć liczne źródła, w tym uszkodzenia złączy, kabli oraz ekranów, a także zwiększona podatność na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).

Zestaw dwóch adapterów DSX-CHA-5-IX-S firmy Hirose jest zoptymalizowany pod kątem przyspieszenia prób zespołów kablowych i złączy ix w terenie (ilustracja 6). Został zaprojektowany do użycia z próbnikami DSX CableAnalyzer firmy Fluke Networks. Dokładne próby zgodne ze specyfikacjami IEEE 802.3 z użyciem wspomnianych adapterów pozwalają otrzymać wynik pozytywny lub negatywny, wraz z rozbudowaną diagnostyką, co przyspiesza identyfikację problemów.

Ilustracja 6: zestaw adapterów DSX-CHA-5-IX-S przyspiesza próby zespołów kablowych i złączy ix w terenie (Źródło ilustracji: Fluke)

Podsumowanie

Projektanci mogą wykorzystać złącza ix w celu spełnienia wymogów systemów Przemysłu 4.0 w dziedzinie łączności o wysokiej gęstości i wytrzymałości. Omawiane złącza są dostępne w konfiguracjach Ethernet i innych, a także posiadają różnorodne konfiguracje mechaniczne spełniające wymogi szerokiego zakresu potrzeb projektowych. Połączenia lutowane mogą być wykorzystywane w produkcji wielkoseryjnej, a modele wykorzystujące połączenia wykonywane przez przerwanie izolacji (IDC) pozwalają tworzyć zespoły kablowe w terenie. Dostępne są narzędzia i próbniki, które zapewniają, że wynikowe zespoły kablowe spełniają wszystkie wymagania eksploatacyjne technologii ix.

Rekomendowane artykuły

1. Technologia Power over Ethernet (PoE) w automatyce przemysłowej