Zwiększenie gęstości portów przemysłowych sieci Ethernet i niezawodności dzięki złączom ix Industrial

W fabrykach obserwujemy gwałtowny wzrost liczby zastosowań wymagających dużej ilości danych, takich jak robotyka, widzenie maszynowe i techniki przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT). Rezultatem jest rosnące zapotrzebowanie na szybką komunikację. Przemysłowe sieci Ethernet są pomocne, jednak projektanci muszą zapewnić wysoką gęstość portów, zminimalizować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i zapewnić wytrzymałe połączenia fizyczne.

Złącza ix Industrial mają wymiary zaledwie jednej czwartej złącza RJ45, ulepszone ekranowanie chroniące przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI), charakteryzują się solidnym połączeniem i zostały stworzone z myślą o wymaganiach automatyki przemysłowej. Złącza te są zgodne z normą IEC 61076-3-124, umożliwiają stosowanie różnych rozwiązań od wielu dostawców oraz oferują szereg zaawansowanych funkcji zwiększających możliwości fabryk inteligentnych.

W niniejszym artykule omówiono pokrótce wymagania dotyczące łączności w automatyce przemysłowej. Następnie przedstawiono złącza ix Industrial firmy Hirose i pokazano sposób ich stosowania umożliwiający spełnienie tych wymagań.

Przemysłowa sieć Ethernet i wyzwania związane ze złączami RJ45

Przemysłowa sieć Ethernet ma dwie kluczowe cechy charakterystyczne odpowiadające fabrykom inteligentnym: posiada szybkość transmisji danych 10Gbps oraz bazuje technologicznie na sieci Ethernet. Wykorzystuje ten sam protokół TCP/IP, kable CAT5e i CAT6 oraz złącza RJ45. Ta interoperacyjność ułatwia integrację urządzeń fabryk inteligentnych ze sobą i z systemami przedsiębiorstwa.

Jednak środowisko przemysłowe kładzie większy nacisk na złącza, a wraz ze wzrostem gęstości portów, projektanci potrzebują mniejszych złączy, które są również w stanie dodatkowo minimalizować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Jak pokazano na ilustracji 1, złącze ix Industrial wymaga o 75% mniejszej przestrzeni instalacyjnej w porównaniu ze złączami RJ45. Jednocześnie zapewnia ono znacznie lepszą trwałość i odporność na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) (ilustracja 2).

Ilustracja 1: złącze ix Industrial (po lewej) jest o 75% mniejsze od tradycyjnego RJ45 (po prawej). (Źródło ilustracji: Automation World)

Ilustracja 2: złącza ix Industrial oferują wiele ulepszeń pod względem parametrów działania, spełniając wymagania automatyki przemysłowej. (Źródło ilustracji: Hirose)

Wprawdzie firma ix Industrial wykorzystuje unikalne złącze, jednak jest ono kompatybilne z resztą ekosystemu przemysłowych sieci Ethernet. Obsługuje na przykład kable CAT6A do 10Gbps oraz zasilanie przez Ethernet (PoE i PoE+) do 3A.

Bazując na tej kompatybilności, omawiane miniaturowe złącze zostało ustandaryzowane w normie IEC 61076-3-124, zapewniając interoperacyjność rozwiązań różnych dostawców, co upraszcza proces projektowania i daje inżynierom większą swobodę w wyborze produktów. Na przykład seria złączy ix Industrial firmy Hirose jest w pełni kompatybilna z rozwiązaniami innych producentów.

Złącze ix Industrial zostało również wybrane dla wielu protokołów Ethernet, w tym PROFINET, CC-Link IE TSN oraz GigE Vision:

• PROFINET jest szeroko stosowanym przemysłowym protokołem Ethernet nadzorowanym przez Profibus i Profinet International (PI). Stosuje się go w programowalnych sterownikach logicznych (PLC), robotach, napędach oraz wejściach i wyjściach czujników i aktuatorów.
• CC-Link IE TSN jest standardem opracowanym przez CC-Link Partner Association, który łączy sieć Gigabit Ethernet z siecią wrażliwą na czas (TSN). Występuje w zaawansowanych branżach, takich jak produkcja półprzewodników i produkcja samochodów.
• GigE Vision to standard interfejsu dla wysokoparametrowych kamer przemysłowych zarządzanych przez stowarzyszenie Automated Image Association (AIA). Wykorzystuje sieci Ethernet, aby osiągnąć takie korzyści, jak szybki przesył danych, dłuższe kable, niski koszt i skalowalność.

Oprócz tych oficjalnych aprobat, złącza ix Industrial mogą być używane z wieloma innymi przemysłowymi protokołami Ethernet, w tym EtherCAT, Modbus TCP i Ethernet/IP. Dzięki obsłudze wspomnianych protokołów i miniaturyzacji przy zapewnieniu wytrzymałości, złącza ix Industrial stanowią atrakcyjny wybór w wielu zastosowaniach w fabrykach inteligentnych. Są to między innymi:

• Widzenie maszynowe: kamery wysokiej rozdzielczości generują duże ilości danych obrazowych do analizy i podejmowania decyzji w czasie rzeczywistym. Wysoka szybkość transmisji danych i kompaktowe rozmiary złącza ix Industrial sprawdzają się w konfiguracjach wielokamerowych.
• Robotyka: roboty współpracujące i autonomiczne bazują na danych z czujników oraz sygnałach sterujących w czasie rzeczywistym, zapewniając bezpieczną i wydajną pracę. Wytrzymałość złączy ix Industrial oraz niska podatność na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) zapewniają niezawodną wymianę danych.
• Konserwacja predykcyjna: dodanie czujników do sprzętu o znaczeniu krytycznym pozwala na wczesne wykrywanie potencjalnych awarii i zapobiega kosztownym przestojom. Niski profil i wytrzymała konstrukcja złączy ix Industrial sprawiają, że stanowią one doskonałe rozwiązanie dla małych czujników w trudnych warunkach pracy.

Opcje konstrukcji zapewniające oszczędność miejsca we wtyczkach i gniazdach

Zarówno gniazda, jak i wtyczki firmy ix Industrial posiadają godne uwagi cechy, które zwiększają oszczędność miejsca. Jak pokazano na ilustracji 3, gniazda są dostępne w różnych konfiguracjach:

• Gniazda pionowe, na przykład IX61G-A-10P, mogą być montowane równolegle z rastrem wynoszącym zaledwie 10mm, co pozwala uzyskać wysokie gęstości portów. W tej konfiguracji sześć złączy ix Industrial może zmieścić się w tej samej przestrzeni, co trzy złącza RJ45. Pozwala to znacznie zmniejszyć rozmiary przełączników, routerów i podobnego sprzętu.
• Niskoprofilowe gniazda poziome, takie jak IX60G-A-10P, mają profil 5,7mm, czyli mniej niż połowę wysokości złącza RJ45, dzięki czemu nadają się do takich zastosowań, jak czujniki.
• Do gniazd montowanych prostopadle do płytki, takich jak IX80G-A-10P, wtyczki można podłączać od góry, co daje projektantom więcej elastyczności.

Ilustracja 3: gniazda ix Industrial są dostępne w wariantach pionowych, montowanych prostopadle do płytki i poziomych (odpowiednio góra, lewa strona i dół). Złącza wtykowe są dostępne w konfiguracjach prostych i pod kątem prostym. (Źródło ilustracji: Hirose)

Wtyczki są dostępne w orientacji prostej, np. IX40G-B-10S-CV(7.0), lub pod kątem prostym, np. IX30G-A-10S-CVL2(7.0). Na szczególną uwagę zasługują opcje pod kątem prostym, które zmniejszają wysokość połączenia i ułatwiają prowadzenie kabli w ciasnych przestrzeniach. Wtyczki te mogą na przykład zminimalizować problemy związane z promieniem gięcia kabla i ułatwić wykonywanie połączeń łańcuchowych o wysokiej gęstości.

Odporność mechaniczna i elektryczna

Zaprojektowane do pracy w warunkach przemysłowych złącza ix Industrial posiadają wytrzymałą konstrukcję odporną na drgania, uderzenia i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Osłonę gniazda montuje się na płytce drukowanej za pomocą pięciu przewlekanych nóżek lutowniczych. Tworzy to solidne połączenie fizyczne, które jest odporne na wykręcanie i szarpanie, chroniąc styki sygnałowe. Zapewnia również solidne połączenie między osłoną gniazda i płaszczyzną uziemienia płytki.

Osłona wtyczki zawiera zintegrowany zespół zakończeniowy przewodów i zacisk kablowy (ilustracja 4). Zapobiega to przenoszeniu obciążeń kabla na część łączącą zespołu kablowego. Obudowa jest zagniatana i wchodzi w bezpośredni kontakt ze sprężyną uziemiającą gniazda, tworząc ciągły ekran 360˚, chroniący przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI).

Ilustracja 4: wtyczka ix Industrial posiada osłonę zespołu zakończeniowego przewodów, która chroni przed uszkodzeniami fizycznymi i zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). (Źródło ilustracji: Hirose)

Złącza są również wyposażone w solidny zatrzaskowy mechanizm blokujący, który zapewnia słyszalne i wyczuwalne kliknięcie. Ten mechanizm blokady zabezpieczającej zapewnia bezpieczne połączenie nawet w środowiskach, gdzie występują silne drgania i pozwala złączu wytrzymać 5000 cykli łączenia.

Firma Hirose oferuje również warianty swoich złączy ix Industrial ze stykami palladowo-niklowymi. Na przykład wtyczka IX30G-A-10S-CV(7.0)(01) wykorzystuje styki z powłoką palladowo-niklową 0,75μm i złotą 0,05μm. Styki te są trwalsze niż standardowe złote i są nieocenione w zastosowaniach, w których występują częste cykle łączenia.

Uproszczenie montażu i testowania

Firma Hirose zaleca stosowanie kabli o przekrojach od 22 do 28AWG w celu zapewnienia wysokiej jakości połączenia. Przewody mogą być zakańczane poprzez lutowanie lub połączenia wykonywane przez przerwanie izolacji (IDC), przy czym połączenie IDC jest zalecane dla wtyczek zakańczanych w terenie. W tej metodzie zakańczania wykorzystuje się narzędzie do zagniatania, takie jak HT803/IXG-8/10S-63-72 umożliwiające przecinanie izolacji przewodów i łączenie jednym ruchem.

W celu uzyskania najbardziej trwałych i wysokiej jakości zakończeń zaleca się lutowanie. Firma Hirose oferuje wiele wtyczek, takich jak: IX40G-A-10S-CV(7.0), które obsługują tę metodę zakańczania.

Do testowania kabli i zespołów firma Hirose oferuje zestaw adapterów DSX-CHA-5-IX-S do analizatora DSX CableAnalyzer firmy Amprobe (należącej do Fluke Networks). Korzystając z omawianego analizatora, technicy mogą zapewnić prawidłowe działanie i uprościć diagnostykę wszelkich problemów.

Podsumowanie

Projektanci mogą wykorzystać złącza ix Industrial, aby osiągnąć wysoką gęstość portów i niezawodność w zastosowaniach w fabrykach inteligentnych. Dzięki standaryzacji zgodnie z normą IEC 61076-3-124, projektanci mają zapewnioną interoperacyjność między rozwiązaniami różnych producentów. Różnorodność wariantów wtyczek i gniazd pozwala projektantom na wybór orientacji mocowania i prowadzenia kabli w celu zmniejszenia zajmowanej powierzchni sprzętu, uniknięcia naprężeń kabla i uzyskania dużej przepustowości przy minimalnym ryzyku zakłóceń.

Rekomendowane artykuły

1. Spełnianie wymogów Przemysłu 4.0 w dziedzinie wysokiej wytrzymałości i gęstości połączeń