Sposób użycia przemysłowych kabli USB-C w celu zapewnienia kompatybilności, obniżenia kosztów i zwiększenia niezawodności

Obiekty przemysłowe stanowią coraz bardziej złożoną sieć okablowania, obejmującą węzły Internetu rzeczy (IoT) oraz połączenia elektroniki cyfrowej. Podczas gdy sieci cyfrowe są standaryzowane przy użyciu protokołów przewodowych, takich jak Ethernet i BACnet oraz protokołów sieci bezprzewodowych, takich jak Wi-Fi i Bluetooth, cyfrowe połączenia między komputerami sterującymi, takimi jak komputery jednopłytkowe (SBC) lub programowane sterowniki logiczne (PLC), a urządzeniami peryferyjnymi, takimi jak czujniki lub aktuatory, mogą się znacznie różnić.

Sprawę komplikuje jeszcze bardziej to, że połączenia mogą być wykonywane za pomocą różnych kabli, złączy i układów wtyków o podobnym wyglądzie, ale niekompatybilnych ze sobą.

Na projektantach systemów spoczywa obowiązek ograniczenia tych niekompatybilności i zapewnienia współdziałania, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów, przyspieszeniu montażu systemu i zwiększeniu jego niezawodności, pomimo trudnych warunków środowiska przemysłowego. Jednym ze sposobów, aby to osiągnąć, jest standaryzacja z wykorzystaniem zespołu kablowego USB-C o stopniu ochrony IP67 lub IP68. Może to znacznie ułatwić życie technikom poprzez poprawę kompatybilności kabli pomiędzy różnymi urządzeniami.

W niniejszym artykule opisano problemy związane z cyfrowymi połączeniami w zastosowaniach przemysłowych oraz sposób, w jaki standaryzacja kabli i złączy USB-C dla prostych połączeń cyfrowych może rozwiązać wiele z tych problemów. Dodatkowo przedstawiono różne złącza USB-C i zespoły kablowe o unikalnych cechach, jak np. zgodność z IP67, firm PEI-Genesis, Amphenol LTW i Bulgin, po czym omówiono, w jaki sposób mogą one zapewnić wszechobecną, niezawodną i solidną łączność w zastosowaniach komputerów z czujnikami lub aktuatorami.

Cyfrowe połączenia w automatyce przemysłowej

Urządzenia przemysłowe są zarządzane przez komputery sterujące, którymi mogą być komputery jednopłytkowe, sterowniki PLC lub laptopy. Komputer sterujący często łączy się z pobliskimi urządzeniami wymaganymi przez sprzęt, które można szeroko zdefiniować jako czujniki. Należą do nich przełączniki, czujniki optyczne i środowiskowe oraz aktuatory, takie jak silniki, elektromagnesy lub lampy. W przypadku większości ciężkiego sprzętu przemysłowego, to projektanci producentów sprzętu wybierają typ złącza stosowanego na końcach kabli i wybierają stosowany protokół elektryczny. W przypadku niestandardowego sterowania przemysłowego to inżynierowie i technicy wybierają i instalują komputery, aktuatory, czujniki, złącza i kable. Po wybraniu typu złącza i protokołu elektrycznego nie można ich później zmienić bez długiego i kosztownego procesu ponownego montażu. W związku z tym podczas planowania operacji przemysłowych ważne jest, aby już na wczesnym etapie procesu projektowania zdecydować, jaki rodzaj połączenia cyfrowego zostanie zastosowany dla czujników i aktuatorów. W każdym systemie, w którym szeroko wykorzystuje się połączone systemy cyfrowe, im większa operacja, tym więcej czasu i pieniędzy można zaoszczędzić dzięki standaryzacji sprzętu, w tym kabli.

Podczas pierwszej lub kolejnej konfiguracji sprzętu technicy muszą mieć łatwo dostępne odpowiednie okablowanie z kompatybilnymi złączami. Na pierwszy rzut oka dwa elektrycznie niekompatybilne zespoły kablowe mogą wyglądać tak samo, a nawet mogą posiadać podobne złącza, które wyglądają tak, jakby prawie pasowały, ale tak nie jest. Ta pozorna kompatybilność może frustrować techników i opóźniać wdrażanie systemu. Nawet w przypadku stosowania odpowiednich kabli prawidłowe ustawienie nieodwracanego złącza kluczowanego na kablu względem sprzętu w celu zapewnienia solidnego połączenia może wymagać kilku prób. Standaryzacja zespołu kablowego zapewnia współpracę między urządzeniami a jednocześnie zmniejsza frustracje w warunkach słabego oświetlenia oraz tam, gdzie szybkość wdrożenia ma kluczowe znaczenie. Pozwala nie tylko na zaoszczędzenie czasu, ale również kosztów, ponieważ kable mogą być zakupione w ilościach hurtowych.

Zalety standardu USB-C dla połączeń cyfrowych

Aby rozwiązać problem wszechobecnych połączeń cyfrowych, można zastosować zespoły kablowe USB-C, które są odpowiednie do większości zastosowań między urządzeniami przemysłowymi. Wtyczki i gniazda USB-C są niekluczowanymi, symetrycznymi złączami nożowymi. Zapewniają solidne połączenie przy pierwszym włożeniu, oszczędzając czas i eliminując frustrację, dzięki czemu technicy nie muszą się już trudzić, aby prawidłowo ustawić złącze z kluczem. Kable USB-C mogą również dostarczać zasilanie do czujnika lub aktuatora, co jest ich dodatkową zaletą.

Zakład przemysłowy może ustandaryzować okablowanie i złącza USB-C dla większości cyfrowych połączeń między komputerami sterującymi a czujnikami i aktuatorami, redukując zróżnicowanie asortymentu stosowanych zespołów kablowych i zapewniając kompatybilność. Przemysłowe kable i złącza IP67 USB-C są wytrzymałe i odporne na ciepło, rozpuszczalniki i płyny powszechnie występujące w trudnych warunkach przemysłowych. Kable przemysłowe USB-C są również zbudowane tak, aby zminimalizować straty mocy i sygnału oraz mają większą tolerancję na niekorzystne działanie sił zginających i skręcających.

Złącza USB-C obsługują protokół USB 2.0 i USB 3.1. Standard USB-C wymaga, aby porty USB 3.1 i zespoły kablowe były wstecznie kompatybilne ze standardem USB 2.0 o prędkości 480Mbit/s. Zapobiega to problemom z kompatybilnością, umożliwiając portom USB 2.0 korzystanie z tych samych zespołów kablowych co USB 3.1. Niemniej standard USB 3.1 pozwala uzyskać znacznie wyższe prędkości. Złącza kablowe USB 3.1 Gen 1 obsługują prędkości do 5Gbit/s, natomiast złącza kablowe USB Gen 2 - do 10Gbit/s. Specyfikacja USB wymaga, aby na potrzeby identyfikowalności prędkości transmisji, zespoły kablowe ze złączami USB-C na każdym końcu posiadały znacznikowy mikroukład elektroniczny osadzony w obudowie złącza, który określa maksymalną moc i prędkość transmisji danych zespołu kablowego. Dane w znacznikowym mikroukładzie elektronicznym są odczytywane przez hosta USB przy pierwszym włożeniu i informują go o maksymalnej prędkości transmisji kabla, zapewniając odpowiedni przesył danych przez hosta USB. Zespoły kablowe USB-C które obsługują tylko prędkości USB 2.0 nie muszą posiadać takiego układu mikroelektronicznego, więc jeśli host USB nie otrzyma z niego informacji, będzie wysyłał dane z prędkością 480Mbit/s.

Standard USB-C pozwala na przesyłanie prądu o maksymalnym natężeniu 3A przy napięciu 5V=, co daje 15W mocy. Jest to standard dla popularnych zespołów kablowych USB. Jednak specyfikacja dla USB 3.1 Gen 1 i nowszych pozwala na przesył prądu o natężeniu 5A przy napięciu 20V, co daje 100W mocy. Zespoły kablowe USB-C zaprojektowane do dostarczania zasilania USB 3.1 muszą zawierać znacznikowy mikroukład elektroniczny, który określa parametry zasilania. Jeśli tak nie jest, host USB będzie domyślnie ustawiony na moc 15W. Poprawia to bezpieczeństwo poprzez zapobieganie przeciążeniom, które mogłyby uszkodzić kabel.

Chociaż skupiamy się tutaj na standaryzacji zespołów kablowych USB-C dla połączeń cyfrowych, ważne jest, aby mieć świadomość, że istnieją trzy parametry zespołów kablowych:

1. Tryb USB 2.0: brak znacznika elektronicznego, może dostarczać moc 15W, prędkość transmisji danych 480Mbit/s
2. Tryb USB 3.1 Gen 1: znacznik elektroniczny, może dostarczać moc 100W, prędkość transmisji danych 5Gbit/s
3. Tryb USB 3.1 Gen 2: znacznik elektroniczny, może dostarczać moc 100W, prędkość transmisji danych 10Gbit/s

Jeśli kabel USB-C o niższej przepustowości będzie używany z prawidłowo skonfigurowanymi hostami i urządzeniami USB-C o wyższej przepustowości, host USB będzie ograniczał moc i szybkość transmisji. Zwiększa to bezpieczeństwo, zapobiegając przeciążeniu kabla, a jednocześnie poprawia niezawodność poprzez zapewnienie kompatybilnych prędkości przesyłu danych. Można to jeszcze bardziej uprościć, stosując tylko ten standard, który zapewnia maksymalne wymagane zasilanie i prędkość przesyłu danych. Jeśli w zakładzie automatyki przemysłowej nie są wykonywane operacje związane z dużą ilością danych, takie jak strumieniowe przesyłanie wideo na żywo, standardowy zestaw kablowy USB 3.1 Gen 1 powinien być bezpiecznym wyborem. Zazwyczaj kable USB 3.1 Gen 1 o przepustowości 5Gbit/s mają długość maksymalnie 2 metrów, co wystarcza do połączenia komputerów sterujących z pobliskimi czujnikami i aktuatorami. Do niezawodnego przesyłania danych z prędkością 10Gbit/s stosuje się kable USB 3.1 Gen 2 o długości maksymalnie 1m, ponieważ przesyłanie 10Gbit/s dłuższymi kablami może spowodować utratę danych na kablu z powodu odbicia lub tłumienia sygnału.

Zespoły kablowe USB-C

Dla projektantów, którzy oczekują szybkiego przesyłania danych w trudnych warunkach środowiskowych, istnieje szereg wytrzymałych i niezawodnych rozwiązań. Na przykład firma PEI-Genesis oferuje kabel Sure Seal IP67 USB 3.1 Gen 2 IPUSB-31WPCPC-1M (ilustracja 1). Kabel ma długość 1m i jest przystosowany do pracy w temperaturach od -20°C do +85°C, odpowiadających większości trudnych środowisk przemysłowych. Płaszcz kabla wykonany jest z żywicy z polichlorku winylu (PVC), która charakteryzuje się doskonałą odpornością na wodę i promieniowanie ultrafioletowe (UV). Płaszcze komercyjne mogą pękać lub odbarwiać się pod wpływem długotrwałej ekspozycji na światło słoneczne.

Ilustracja 1: zespół kablowy USB-C Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M ma długość 1m i został zaprojektowany z myślą o zastosowaniach przemysłowych. Złącze z uszczelką nakrętki zabezpieczającej zapewnia bezpieczne, wodoodporne połączenie z czujnikiem lub aktuatorem klasy IP67. Wymiary podano w milimetrach. (Źródło ilustracji: PEI-Genesis)

Zespół kablowy IPUSB-31WPCPC-1M ma na jednym końcu standardowe złącze USB-C wykonane z formowanej żywicy PVC z wtyczką USB-C ze stali nierdzewnej. Ten koniec podłącza się do złącza hosta USB w komputerze jednopłytkowym lub sterowniku PLC. Na drugim końcu znajduje się uszczelniona wtyczka formowana z nylonową nakrętką zabezpieczającą i gumową uszczelką. Zapewnia to solidne i bezpieczne uszczelnienie klasy IP67 czujnika lub aktuatora.

Zespół kablowy Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M zawiera wbudowany znacznikowy mikroukład elektroniczny informujący podłączony sprzęt o jego parametrach. Znacznikowy mikroukład elektroniczny działa w pełnym zakresie temperatur zespołu kablowego od -20°C do +85°C. Dzięki temu kabel może być prawidłowo zidentyfikowany nawet wtedy, gdy urządzenie zostanie włączone w obu skrajnych temperaturach.

Łączność USB-C w ekstremalnych warunkach

Do zastosowań w ekstremalnie trudnych warunkach firma Amphenol LTW oferuje metrowy zespół kablowy USB-C UC30FL-NCML-SC01 (ilustracja 2). Kabel na całej długości otoczony jest rurką kablową z tworzywa polipropylenowego (PP), który zapewnia dodatkową ochronę przed wstrząsami, siłami tnącymi i naprężeniami wynikającymi ze zgięć w narożnikach. Rurka kablowa zapewnia również ochronę zamkniętego wewnątrz kabla przy ekstremalnych wibracjach. Rurka kablowa jest przyklejona na obydwu końcach kabla i nie można jej usunąć.

Ilustracja 2: zespół kablowy USB-C UC30FL-NCML-SC01 jest zamknięty w rurce kablowej wykonanej z polipropylenu, która chroni kabel przed wstrząsami i silnymi wibracjami. Wymiary podano w milimetrach. (Źródło ilustracji: Amphenol LTW)

Zespół kablowy posiada na jednym końcu typowe złącze hosta USB-C, które podłącza się do hosta USB. Drugi koniec posiada wysokowytrzymałe złącze okrągłe ze wzmocnionym elementem odciążającym. Posiada szczelną, formowaną wtyczkę z silikonową uszczelką, zabezpieczoną nylonową nakrętką. Zapewnia ona wodoszczelność i hermetyczność, gwarantując ochronę przed większością chemikaliów. Kabel i okrągłe złącze USB-C mają stopień ochrony IP67 zapewniający ochronę przed wpływem środowiska zarówno po podłączeniu, jak i przed nim.

Zespół kablowy UC30FL-NCML-SC01 jest ognioodporny zgodnie z normą UL94V-0, co oznacza, że kabel wykonany z polipropylenu może wytrzymać do 10 sekund działania płomienia. Kabel wykonany z polipropylenu jest również odporny na olej, benzynę i większość rozpuszczalników. Każda wtyczka może pracować w zakresie temperatur od -40°C do +85°C, natomiast nylonowa przeciwnakrętka i rurka kablowa z polipropylenu mogą wytrzymać wyższe temperatury, od -40°C do +115°C. Dzięki temu omawiany zespół kablowy nadaje się szczególnie do podłączania czujników i aktuatorów w przemysłowych silnikach benzynowych i generatorach.

Wbudowany znacznikowy mikroukład elektroniczny informuje, że kabel obsługuje szybkość transferu danych 5Gbit/s, odpowiednią dla szybkich generatorów benzynowych, które muszą stale monitorować pracę silnika, aby zmaksymalizować sprawność.

Czujniki USB w zastosowaniach morskich

W niektórych przypadkach komputer sterujący urządzeniem jest wyposażony w złącze USB-A, ale musi być podłączony do złącza USB-C. Wówczas potrzebny jest na przykład adapterowy zespół kablowy USB-A - USB-C PXP4040/C/A/2M00 firmy Bulgin (ilustracja 3). Kabel ten posiada na jednym końcu wtyczkę USB-A, a na drugim okrągłą wtyczkę USB-C i działa w zakresie temperatur od -40°C do +80°C. Złącza USB-C i kable mogą działać po zanurzeniu pod wodą na głębokość 10m przez dwa tygodnie. Są również odporne na działanie słonej wody, co czyni je odpowiednimi dla urządzeń morskich, jak na przykład maszyny przemysłowe na pokładach tankowców i statków towarowych. Stopień ochrony zespołu kablowego to IP68, z wyjątkiem złącza USB-A, które ma stopień ochrony IP66.

Ilustracja 3: zespół kablowy PXP4040/C/A/2M00 posiada wtyczkę USB-A na jednym końcu i wtyczkę USB-C na drugim. Jest odporny na działanie słonej wody, a wtyczka USB-C wytrzymuje zanurzenie w wodzie na głębokość 10m nawet przez dwa tygodnie. (Źródło ilustracji: Bulgin)

Zespół kablowy PXP4040/C/A/2M00 firmy Bulgin posiada również klasę palności UL94V-0. Płaszcz kabla wykonany jest z żywicy PVC, dzięki czemu nadaje się do stosowania na pokładach statków.

Osłona kabla USB-C jest wykonana z poliwęglanu-tereftalanu polibutylenu (PC/PBT) - materiału o wysokiej wytrzymałości, często używanego do produkcji zderzaków samochodowych. Obudowa złącza wykonana z tworzywa PC/PBT wykazuje wysoką odporność na chemikalia i jest wystarczająco elastyczna, aby wytrzymywać silne uderzenia w niskich temperaturach do -40°C. Nawet przy uderzeniu z dużą siłą, złącze będzie odporne na złamanie i będzie pękać stopniowo. Zabezpiecza to czujniki bezpieczeństwa USB przed sabotażami, w tym atakami polegającymi na ich szybkim zamrożeniu i uderzeniu młotkiem.

Specyfikacja USB-C nie pozwala na osadzenie znacznikowego mikroukładu elektronicznego w kablu, który na jednym końcu ma wtyczkę USB-A. Ten zespół kablowy zapewnia natężenie prądu do 5A i szybkość transmisji danych do 5Gbit/s na długości 2m, chociaż niektóre urządzenia peryferyjne USB-C mogą nie posiadać znacznikowego mikroukładu elektronicznego i mogą pracować z domyślną prędkością 480Mbit/s.

Podsumowanie

Standaryzacja zespołów kablowych USB-C do połączeń cyfrowych w środowisku przemysłowym redukuje zróżnicowanie asortymentu stosowanych zespołów kablowych oraz zapewnia szybką i łatwą łączność dzięki symetrycznej konstrukcji wtyczki i gniazda. Kabel USB-C może informować komputer sterujący hosta o swojej mocy i szybkości transferu danych, aby zapobiec utracie danych i niebezpiecznym warunkom nadprądowym. Właściwy dobór i zastosowanie odpowiedniego zespołu kablowego USB-C w systemach przemysłowych może również poprawić niezawodność, ograniczyć potrzeby konserwacyjne i obniżyć koszty ogólne.