Zastosowanie szybkich, wytrzymałych złączy Ethernet w przemysłowych sieciach komunikacyjnych

Przemysłowy Internet rzeczy (IIoT) lub Przemysł 4.0, stymuluje zapotrzebowanie na sieci komunikacyjne, które są w stanie pracować w trudnych warunkach. Często słabym punktem tych sieci są złącza, ponieważ środowiska przemysłowe są gorące, brudne i zazwyczaj zawierają wibrujące urządzenia, a wszystko to powoduje ciągłe obciążenie połączeń mechanicznych i osłabia niezawodność. Sytuację pogarszają jeszcze skutki awarii połączenia w nowoczesnej fabryce. Oprócz katastrofalnych skutków finansowych w postaci utraty produkcji i szybko kumulujących się strat pieniężnych, awaria połączeń związanych z bezpieczeństwem może prowadzić do poważnych obrażeń ciała. W związku z tym wymagana jest alternatywa dla standardowego złącza RJ45.

Projektanci wymagają, aby złącza Ethernet były wystarczająco wytrzymałe, spełniały aktualne normy przemysłowe i przepisy dotyczące ochrony przed wnikaniem (IP), niezależnie od tego, gdzie mają być początkowo umieszczone. Muszą one niezawodnie działać z szybkością sieci Ethernet Cat 6A do 10Gbps, obsługiwać zasilanie przez sieć Ethernet (PoE) i być możliwie najbardziej odporne na przyszłe zmiany, a jednocześnie mieścić się w często napiętym budżecie projektowym.

W niniejszym artykule przeanalizowano wymagania stawiane systemom komunikacji przemysłowej oraz odpowiednie poziomy ochrony IP. Następnie opisano, w jaki sposób cechy przemysłowych złączy Ethernet spełniają te wymagania, po czym przedstawiono przykładowe praktyczne rozwiązania firmy Amphenol, wskazujące inżynierom sposoby wykorzystania złączy w nowych projektach.

Wymagania dotyczące sieci przemysłowych

Nowoczesny przemysł powszechnie zaakceptował sieci przewodowe, dzięki którym działa „Przemysł 4.0” (nazywany „cyfryzacją produkcji”), aby jeszcze bardziej wykorzystać komputeryzację branży, która miała miejsce pod koniec lat 70. i w latach 80. Menedżerom Przemysł 4.0 jawi się jako obietnica zwiększonej produktywności, wyższej jakości produktów, niższych cen i zwiększonego bezpieczeństwa. Projektanci stoją wobec zadania budowania solidnych sieci, które wspierają nowoczesną produkcję.

Infrastruktura domowych i komercyjnych sieci Ethernet jest zazwyczaj oparta na niedrogich kablach i standardowych złączach RJ45, ale te komponenty nie są zaprojektowane do zastosowań przemysłowych. Środowisko fabryczne jest bardziej wymagające, a dobór kabli i złączy musi uwzględniać następujące czynniki obciążające:

• Mechaniczne: wstrząsy, drgania, zgniatanie, zginanie, skręcanie
• Chemiczne: woda, oleje, rozpuszczalniki, żrące gazy
• Środowiskowe: skrajne temperatury, wilgoć, promieniowanie słoneczne
• Elektryczne: wyładowania elektrostatyczne (ESD), zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), stany nieustalone wysokiego napięcia

Okablowanie przemysłowe i złącza muszą być tak dobrane, aby sprostać najtrudniejszym warunkom przewidywanym w całym okresie eksploatacji sieci. Na przykład: nie ma sensu stosowanie kabla przeznaczonego do normalnej temperatury otoczenia, jeśli później zakład zostanie zmieniony tak, że kabel będzie biegł w pobliżu pieców technologicznych, gdzie temperatura jest znacznie wyższa.

Kable przemysłowe są dostępne z wysokiej jakości izolacją poliuretanową, która jest odporna na ścieranie, chemikalia (w tym olej) i ogień. Izolatory takie jak polichlorek winylu (PVC) są tańsze, jednak tworzywo to może być podatne na działanie olejów i chemikaliów, a także staje się kruche i pęka w niskich temperaturach.

Tworzenie przemysłowej sieci Ethernet

W środowiskach o niskim poziomie zakłóceń elektrycznych dopuszczalne może być stosowanie nieekranowanych kabli ze skrętkami dwużyłowymi. Jednak urządzenia przemysłowe, takie jak spawarki łukowe lub urządzenia elektryczne w zakładzie, takie jak przekaźniki przełączające, napędy prądu zmiennego lub elektromagnesy, mogą powodować w kablach nieekranowanych zakłócenia i przerwy w transmisji danych. W razie wątpliwości inżynier powinien zachować ostrożność i użyć kabla ekranowanego, aby zapobiec późniejszym kosztownym błędom w systemie. Wraz z rozwojem zakładów przemysłowych, kable sterujące i zasilające często wykorzystują kanały, które wcześniej były przeznaczone do komunikacji Ethernet. Może to powodować uszkodzenia danych, jeśli pierwotnie specyfikacje zalecały nieekranowane kable Ethernet.

Podwójne ekranowanie, z użyciem folii i plecionki miedzianej, jest najskuteczniejszym rozwiązaniem zapobiegającym uszkodzeniom danych. Aby zapewnić prawidłowe działanie ekranowania, projektant musi również stosować ekranowane złącza i łączyć zakończenia ekranowania z masą. Jeżeli ekranowanie pozostanie niezakończone, może ono nawet pogłębiać problemy z zakłóceniami, działając jak antena.

Nawet w przypadku kabli ekranowanych sygnały ulegają degradacji podczas przesyłania na duże odległości. Kable z litymi żyłami mają lepsze parametry i mogą zapewnić maksymalny zasięg do 100m, ale są bardziej podatne na uszkodzenia spowodowane zginaniem lub skręcaniem. Kable ze splotu lepiej znoszą skręcanie i zginanie, ale nie powinny być stosowane na odcinkach dłuższych niż 85m (ilustracja 1).

Ilustracja 1: długość kabli Ethernet z żyłą litą powinna być ograniczona do 100m, natomiast długość kabli w wersji ze splotem - do 85m. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Przy tworzeniu sieci minimalny statyczny promień zgięcia wynosi czterokrotność średnicy zewnętrznej kabla (OD). Dotyczy to zarówno kabli z żyłą ze splotu, jak i litą, ekranowanych i nieekranowanych. Tam, gdzie wymagane jest zginanie, nie należy stosować przewodów z żyłami litymi. Karty katalogowe kabli z żyłą ze splotu zazwyczaj określają maksymalną liczbę cykli gięcia, która wynosi od miliona do 10 milionów, w zależności od promienia gięcia.

Kable należy zabezpieczać opaskami kablowymi, które powinny być na tyle luźne, aby kable mogły swobodnie poruszać się pod opaską. Nadmierne zaciśnięcie wytworzy punkty naprężeń, które mogą spowodować uszkodzenie żył. W przypadku wiązania kilku kabli w opaskach kablowych kable również powinny pozostawać luźne.

Ponieważ zdecydowana większość błędów przy przekazywaniu do użytkowania wynika z oprzewodowania w miejscu instalacji (ponieważ utrzymanie skrętek dwużyłowych i prawidłowe zakończenie ekranu jest trudnym i czasochłonnym zadaniem), zaleca się stosowanie fabrycznie montowanych złącz formowanych.

Projektowanie z myślą o przyszłości

Sieci przewodowe mają istotne zalety (takie jak szybkość, integralność sygnału i bezpieczeństwo), jednak są drogie w montażu i utrzymaniu. Projektant, któremu powierzono zadanie opracowania specyfikacji sieci, powinien zatem mieć na uwadze przyszłość, aby zapewnić jak najdłuższą żywotność infrastruktury i ograniczyć konieczność napraw do minimum.

W historii Ethernetu prędkość sieci rosła nieubłaganie. W przyszłości sieci przemysłowe będą prawdopodobnie zdominowane przez infrastrukturę optyczną oferującą przepustowość rzędu 400Gbps lub nawet terabitów na sekundę (Tbps). W przypadku dzisiejszych instalacji wykorzystujących przewody miedziane, staranny dobór wysokiej jakości kabli ze skrętkami dwużyłowymi i złączy powinien sprawić, że sieć poradzi sobie nie tylko z obecną przepustowością 1Gbps, lecz także z przyszłościowymi złączami 10Gbps (tabela 1).

Tabela 1: szybkość kabla Ethernet i związana z nią częstotliwość robocza Ethernet, która jest zasadniczo proporcjonalna do przepustowości. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Sieci przemysłowe zaczynają również korzystać z technologii PoE, która wykorzystuje okablowanie Ethernet do dostarczania zasilania do podłączonych urządzeń. PoE wykorzystuje jedną standardową infrastrukturę Ethernet, jednocześnie obsługując moc rzędu dziesiątek watów. Scentralizowana i elastyczna natura tej technologii eliminuje potrzebę lokalnego zasilacza dla każdego zasilanego urządzenia w sieci, pozwalając na umieszczenie zasilanych urządzeń w dowolnym miejscu i łatwe ich przenoszenie w razie potrzeby.

Rozszerzona forma PoE, nazywana PoE+, może dostarczać nawet 25,5W prądu stałego do podłączonego urządzenia i umożliwia podłączenie urządzeń o dużym poborze mocy, takich jak kamery monitoringu. (Zob. artykuł techniczny firmy DigiKey „Dostosowanie technologii Power-over-Ethernet do wyższego zapotrzebowania”.)

Kable i złącza powinny być dopasowane pod kątem jednakowej odporności na obciążenia mechaniczne, chemiczne, środowiskowe i elektryczne, tak samo powinny one być dopasowane pod kątem parametrów funkcjonalnych. Maksymalna charakterystyka operacyjna będzie podyktowana przez najmniej wydajny komponent sieci. Na przykład, jeśli kable Cat 6a zostaną połączone ze złączami Cat 6, system będzie miał maksymalną przepustowość 1Gbps, a nie nominalną maksymalną przepustowość kabli wynoszącą 10Gbps.

Złącza do sieci przemysłowych

Podczas tworzenia sieci przemysłowych ważne jest, aby projektant starannie rozważył wybór kabla, trasy i częstotliwości Ethernet, jednak to złącza są największym wyzwaniem projektowym w takiej sieci. Dzieje się tak dlatego, że są one najsłabszym ogniwem. Złącza stanowią nie tylko potencjalny punkt wnikania dla wody i kurzu, ale także obejmują krótkie odcinki, gdzie pary Ethernet są nieskręcone i dlatego są bardziej podatne na szumy elektryczne.

Projektant musi wziąć pod uwagę miejsce, w którym złącza będą używane, ponieważ poszczególne środowiska fabryczne znacznie się różnią. Na przykład, kod IP - określony przez normę IEC 60529 - określa stopień ochrony zapewnianej przez mechaniczne i elektryczne obudowy tworzące złącze. Pierwsza cyfra kodu oznacza stopień ochrony przed cząstkami stałymi (od 0 (brak ochrony) do 6 (pyłoszczelne)), natomiast druga oznacza stopień ochrony przed wnikaniem cieczy (od 0 (brak ochrony) do 9K (ochrona przed silnymi strumieniami wody o wysokiej temperaturze)).

Stopień ochrony IP20 (ochrona przed palcami i podobnymi przedmiotami, brak ochrony przed wilgocią) dla złączy stosowanych w czystych, suchych środowiskach fabrycznych jest powszechny dla wielu złączy przemysłowych. Na przykład, złącza ix Industrial IP20 firmy Amphenol są szybkimi, wzmocnionymi, 10-pozycyjnymi komponentami, które mieszczą się w obudowie o 70% mniejszej niż typowe złącze RJ45.

Producenci złączy zazwyczaj zapewniają opcje podwyższonej ochrony do stosowania w coraz brudniejszych i bardziej wilgotnych środowiskach, a firma Amphenol nie jest tu wyjątkiem. Seria produktów ix Industrial IP20 obejmuje zakres stopnia ochrony od IP20 dla produktów standardowych do IP67 (pyłoszczelność, zanurzenie na głębokość do 1m) dla produktów niestandardowych.

Projektant sieci powinien dążyć do zminimalizowania liczby połączeń, a w szczególności zestawów sznurów ze złączami męskimi na obu końcach. Są one zbyt łatwe do przedłużania przez osoby bez kwalifikacji technicznych, ze szkodliwymi skutkami dla wydajności reszty sieci. Ponadto, standardową praktyką jest, aby wszystkie złącza stałe były typu żeńskiego.

Podobnie jak w przypadku innych producentów, złącza Amphenol dostępne są w wersji męskiej do kabli oraz w trzech typach złączy żeńskich do instalacji stałych: gniazda pionowe do przegród, gniazda pionowe pod kątem prostym (ND9AS1200) i gniazda poziome (ND9BS3200) do montażu na płytkach drukowanych (ilustracja 2). Wersje do montażu na płytkach są dostępne w technologii montażu powierzchniowego (SMT) lub w wersji przewlekanej, co ułatwia lutowanie do podłoża.

Ilustracja 2: złącza ix Industrial firmy Amphenol dostępne są w różnych wersjach wtyczek i gniazd do zastosowań w kablach, przegrodach i płytkach drukowanych. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Wersja męska jest dostępna pojedynczo (ND9AP5200) lub w zestawie kabli (ND9ACB250A) o długości od 500 do 2000mm.

Przydatną wskazówką co do jakości złącza jest sprawdzenie, czy spełnia ono wymagania norm takich jak IEC 60512 oraz IEC 61076. Norma IEC 60512 określa szczegółowo testy mechaniczne i elektryczne, jak również wartości progowe, jakie powinny spełniać złącza stosowane w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych. Norma obejmuje czynniki mechaniczne, takie jak siła wprowadzania i wyjmowania, odporność na drgania i maksymalna liczba cykli połączeń, jak również czynniki elektryczne, takie jak rezystancja spowodowana stykiem, ekranowanie i izolacja.

Złącza ix Industrial firmy Amphenol zostały zaprojektowane w celu zapewnienia solidnego, zminiaturyzowanego interfejsu Ethernet (zgodnego z odpowiednimi normami IEC) przy oszczędności miejsca do 75% w porównaniu z standardowymi złączami RJ45. Złącza o rastrze 10 mm i solidnym, dwupunktowym zatrzasku metalowym oferują parametry Cat 6a dla komunikacji Ethernet do 10Gbps, obsługę PoE/PoE+ oraz ekranowanie 360° zapewniające odporność na zakłócenia elektromagnetyczne.

Złącza do płytek drukowanych mają wytrzymałe końcówki lutownicze do mocowania i są wystarczająco mocne, aby wytrzymać wstrząsy i drgania przy zachowaniu niezawodnego połączenia. Mogą one wytrzymać nawet 5000 cykli połączeń.

Tabele 2 i 3 wskazują, w jaki sposób złącza serii ix Industrial radzą sobie z kluczowymi aspektami normy IEC 60512.

Tabela 2: z perspektywy elektrycznej, złącza Ethernet ix Industrial mogą obsługiwać prądy o natężeniu do 1,5A i spełniają wymagania normy IEC 60512. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Tabela 3: parametry mechaniczne złączy ix Industrial pozwalają im spełniać wymagania norm IEC 60512 oraz 60068. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Norma IEC 61076 jest bardziej szczegółowa i obejmuje 10-drogowe, ekranowane, swobodne i stałe złącza prostokątne do transmisji danych z częstotliwościami do 500MHz. Dokument ten określa typowe wymiary, charakterystykę mechaniczną, elektryczną i przesyłową, a także wymagania środowiskowe dla sieci przemysłowych.

W szczególności norma IEC 61076 wskazuje kody, które określają położenie klina polaryzacyjnego i rowka w złączu. Złącza typu A są przeznaczone do komunikacji Ethernet od 100Mbps do 10Gbps. Złącza typu B są przeznaczone do wszystkich zastosowań innych niż Ethernet, takich jak systemy sygnalizacyjne, szeregowe lub inne systemy komunikacji z magistralą przemysłową (ilustracja 3(a) i (b)).

Ilustracja 3: norma IEC 61076 określa polaryzację i rowek dla złączy do transmisji danych. Złącze typu A (a) wykorzystuje narożnik 45° umieszczony w prawej dolnej części złącza (patrząc w stronę powierzchni złącza). W przypadku złączy typu B (b) narożnik ścięty pod kątem 45° znajduje w lewym górnym rogu gniazda. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Podsumowanie

Nowoczesne fabryki są budowane z uwzględnieniem sieci komunikacyjnych w celu digitalizacji produkcji z myślą o zwiększeniu wydajności i obniżeniu kosztów. Złącza i kable tworzące te sieci muszą być nie tylko wystarczająco wytrzymałe, aby sprostać trudnym warunkom przemysłowym, ale także sprostać przyszłym wymaganiom w zakresie szybkiej komunikacji i technologii PoE.

Istnieją rozwiązania dostarczane przez firmy takie jak Amphenol, które oferują kable i złącza klasy przemysłowej zaprojektowane tak, aby precyzyjnie sprostać tym wyzwaniom i budżetom zakładów przemysłowych. Są one zgodne z wymagającymi standardami złączy przemysłowych i mają cechy, które zapewniają wysoką wydajność, wydłużoną żywotność sieci i wymagają minimalnej konserwacji. Jednak projektanci muszą rozumieć obowiązujące normy oraz ograniczenia elektryczne i mechaniczne złączy, aby odpowiednio zastosować je w udanym projekcie sieci na potrzeby IIoT lub Przemysłu 4.0.