Cum să îndepliniți cerințele de conectivitate robustă și de înaltă densitate ale Industriei 4.0

Nevoia de conectivitate Ethernet de înaltă densitate, rapidă și fiabilă este tot mai mare în aplicațiile din Industria 4.0, cum ar fi robotica, vederea automatizată, controlerele, servoamplificatoarele și serverele. Conexiunile Ethernet din dispozitivele pentru Industria 4.0 trebuie să accepte viteze de comunicare de până la 10 gigabiți pe secundă (Gbit/s), să fie protejate împotriva interferențelor electromagnetice (EMI), să ofere mecanisme sigure de cuplare și de blocare pentru a preveni scoaterea neintenționată a cablului, să poată rezista la condiții de vibrații ridicate și să aibă o durată de viață lungă pentru cuplare/decuplare. Acești conectori trebuie să fie suficient de compacți pentru a accepta interconectarea și densitatea tot mai mare a sistemelor din aplicațiile Industriei 4.0.

Deși conectorii Ethernet RJ45 tradiționali pot satisface unele dintre aceste cerințe, aceștia sunt relativ voluminoși și nu oferă flexibilitatea de instalare necesară pentru proiectele actuale.

Pentru a face față acestor provocări, proiectanții pot utiliza conectorii industriali ix pentru cabluri Ethernet de mare viteză, inclusiv Cat5e (1 Gbit/s) și Cat6a (10 Gbit/s). Acești conectori sunt cu 75% mai mici decât conectorii RJ45, oferă un nivel ridicat de protecție EMI și compatibilitate electromagnetică (CEM) pentru transmisii de date sigure și sunt conformi cu cerințele IEC 61076-3-124.

Acest articol începe cu o comparație a opțiunilor de conectori industriali RJ45 și ix. În continuare, analizează conectorii ix de tip A și de tip B pentru conectivitate Ethernet și non-Ethernet și trece în revistă varietatea de opțiuni de configurare disponibile pentru conectorii ix, împreună cu unii conectori reprezentativi de la Hirose. Se încheie prin prezentarea unor unelte pentru asamblarea și testarea cablurilor ix pentru asigurarea unei implementări corecte.

Conectorii RJ45 versus conectorii ix

Multe aplicații din Industria 4.0 au nevoie de conectivitate modulară pentru o implementare și reconfigurare rapidă. Aceste sisteme combină deseori echipamente vechi cu modele noi. Acestea utilizează Ethernet industrial de mare viteză și alte protocoale care necesită interoperabilitate și disponibilitate ridicată. Așa numiții conectori jack înregistrați (RJ) sunt obișnuiți în echipamentele vechi, cu conectori RJ45 cu opt pini și opt contacte (8P8C) pentru conectivitate Ethernet de bază.

Sistemele emergente din Industria 4.0 necesită creșteri ale densității și flexibilității interconectării. Pe lângă faptul că sunt cu 75% mai mici decât soluțiile RJ45, conectorii ix permit montarea paralelă în pas de 10 milimetri (mm), iar șase conectori ix ocupă același spațiu pe placa de circuite imprimate (PCB) ca și trei conectori RJ45 (Figura 1).

Figura 1: pasul de montare de 10 mm al acestora permite includerea a șase conectori ix în același spațiu pe placa de circuite imprimate care ar fi ocupat de trei conectori RJ45. (Sursa imaginii: Hirose)

Solid și robust

IEC 61076-3-124 furnizează specificațiile privind dimensiunile, caracteristicile mecanice, electrice, de transmisie și de mediu pentru conectorii ix. Conectorii ix de la Hirose depășesc standardul IEC 61076-3-124 și îndeplinesc cerințele JIS E4031, standardul industrial japonez pentru testarea șocurilor și vibrațiilor echipamentelor pentru material rulant feroviar. De asemenea, acestea respectă standardul de interfață a camerei GigE Vision, care acceptă utilizarea Gigabit Ethernet pentru transferul rapid de imagini prin intermediul unor cabluri standard foarte lungi și cu costuri reduse. Contactele lor de curent ridicat acceptă utilizarea aplicațiilor Power over Ethernet (PoE) și PoE+, așa cum se specifică în IEEE 802.3af și IEEE 802.3at.

Sistemul de conectori ix a fost proiectat de la început pentru aplicațiile industriale, în timp ce conectorul RJ45 a fost inițial dezvoltat pentru a fi utilizat cu echipamente de telecomunicații de consum și comerciale și a fost adaptat pentru a fi utilizat în mediul industrial. De exemplu, conectorii ix au două cârlige de blocare din metal care oferă un feedback tactil și sonor pentru a confirma o conexiune sigură între fișă și soclu. Conectorii industriali RJ45 au un singur cârlig de blocare.

Designul carcasei soclurilor ix oferă robustețe mecanică și îmbunătățește performanța CEM. Aceste socluri au cinci lamele de fixare, două pe fiecare parte și una în spate, între cele două seturi de contacte de semnal, în timp ce conectorii RJ45 au doar trei lamele. De asemenea, lamelele de pe soclurile de conectare ix sunt mai robuste în comparație cu lamelele de pe soclurile RJ45. Atunci când sunt lipite pe placa de circuite imprimate, lamelele soclului ix protejează contactele de semnal împotriva solicitărilor atunci când o fișă este conectată sau deconectată. De asemenea, acestea sporesc capacitatea soclului de a rezista la șocuri și vibrații. Lamelele lipite se conectează direct la masa de pe placa de circuite imprimate, îmbunătățind protecția EMI (Figura 2).

Figura 2: cinci lamele cu găuri de trecere pe soclu protejează contactele de semnal, sporesc performanța la șocuri și vibrații și îmbunătățesc performanța CEM a conectorilor ix. (Sursa imaginii: Hirose)

Utilizarea sistemelor modulare și reconfigurabile schimbă așteptările privind performanța conectorilor. Conectorii nu mai sunt lăsați la locul lor pe toată durata de viață a unei instalații. Stațiile de producție, uneltele și alte componente ale sistemului trebuie să poată fi rearanjate în mod frecvent pentru a susține personalizarea în masă, care este o caracteristică definitorie a Industriei 4.0. Prin urmare, un conector poate fi cuplat și decuplat de sute sau mii de ori de-a lungul vieții sale. Conectorii ix de la Hirose sunt proiectați și testați pentru până la 5.000 de cicluri de cuplare și îndeplinesc toate cerințele de performanță ale IEC 61076-3-124.

Conexiuni non-Ethernet

IEC 61076-3-124 acceptă conectivitatea Ethernet și non-Ethernet. Pentru a preveni conexiunile greșite, se folosesc scheme de codificare mecanică separate, etichetate „A” și „B”, pentru conectorii Ethernet și, respectiv, pentru conectorii non-Ethernet ix (Figura 3):

• Conectorii ix de tip „A” ix pot să ofere viteze de transmisie de până la 10 Gbit/s. Aceștia pot accepta PoE și PoE+ și sunt identificabili printr-o șanfrenare de polarizare de 45° în colțul din stânga jos al soclului.
• Conectorii ix de tip „B” sunt concepuți pentru a fi utilizați în toate aplicațiile care nu sunt de tip Ethernet, cum ar fi semnalizarea și diverse protocoale de comunicații seriale și alte protocoale de comunicații industriale. Aceștia pot fi identificați prin intermediul unei șanfrenări de 45° din colțul din stânga sus al soclului.

Figura 3: conectorii ix sunt disponibili cu două modele de codificare mecanică pentru a preveni introducerea unei fișe Ethernet într-un soclu non-Ethernet și invers. (Sursa imaginii: Hirose)

Flexibilitatea integrării

Acești conectori sporesc și flexibilitatea integrării sistemului. Cablurile pot fi conectate la soclurile de conectare ix prin lipire sau folosind conexiuni cu deplasare a izolației (IDC). Conexiunile prin lipire pot accelera producția ansamblurilor de cabluri într-un mediu de fabrică. Conexiunile IDC sunt adesea utilizate pentru a realiza ansambluri de cabluri pe teren și pot reduce timpul de instalare cu până la 50% datorită reducerii numărului de dezizolări, răsuciri și lipiri. Există patru familii de conectori corespunzători, identificate ca fiind 30, 31, 32 și 40. Primele trei acceptă diferite dimensiuni de cabluri IDC, iar cea de-a patra este utilizată pentru conexiuni prin lipire:

• 30: IDC care utilizează cabluri cu diametrul american (AWG) între 26 și 28, cu un diametru exterior al izolatorului cuprins între 0,95 și 1,05 mm.
• 31: IDC care utilizează fire de dimensiuni 24-25 AWG, cu un diametru exterior al izolatorului cuprins între 1,1 și 1,25 mm.
• 32: IDC care utilizează un fir 22 AWG, cu un diametru exterior al izolatorului cuprins între 1,4 și 1,6 mm.
• 40: Lipit manual

De asemenea, Hirose oferă conectori ix cu trei configurații de soclu și trei configurații de fișă pentru a răspunde nevoilor specifice ale aplicațiilor (Figura 4). Configurațiile soclului includ:

• Unghi drept vertical care poate fi montat în paralel cu o distanță a pasului de 10 mm pentru a economisi spațiu pe placa de circuite imprimate în sistemele de mare densitate
• Tipul vertical permite cuplarea conectorului din partea de sus
• Soclul în unghi drept cu profil redus are o înălțime de 5,7 mm, mai puțin de jumătate din înălțimea unui conector RJ45

Configurațiile fișelor includ:

• Cablare dreaptă
• Cablare ascendentă în unghi drept
• Cablare descendentă în unghi drept

Figura 4: soclurile sunt disponibile în trei stiluri; pe fiecare dintre cele trei plăci de circuite este prezentat un stil diferit. Fiecare placă de circuite include cele trei tipuri de fișe de conectare ix. (Sursa imaginii: Hirose)

Exemple de conectori ix

Pe lângă configurațiile și opțiunile detaliate mai sus, Hirose oferă proiectanților o selecție de placare cu aur sau placare cu paladiu-nichel plus placare cu aur pe suprafețele de contact. Printre zecile de conectori ix de la Hirose se numără:

IX80G-B-10P(01), soclu vertical de tip B cu 0,75 micrometri (μm) de paladiu-nichel plus 0,05 μm de placare cu aur

IX80G-A-10P(01), soclu vertical de tip A cu 0,75 μm de paladiu-nichel plus 0,05 μm de placare cu aur

IX61G-B-10P, soclu ascendent în unghi drept de tip B cu placare cu aur de 0,2 μm

IX60G-A-10P, soclu în unghi drept de tip A cu placare cu aur de 0,2 μm

IX31G-A-10S-CV(7.0), fișă de conectare dreaptă de tip A cu placare cu aur de 0,2 μm

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), fișă de conectare ascendentă în unghi drept de tip A cu placare cu aur de 0,2 μm

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), fișă de conectare descendentă în unghi drept de tip B cu placare cu aur de 0,2 μm

Asamblare pe teren

În aplicațiile Ethernet industriale este nevoie să existe o disponibilitate ridicată, iar asamblarea pe teren a cablajului poate fi un aspect important. Poate accelera instalarea echipamentelor, în special în arhitecturi modulare, pentru a facilita înlocuirea rapidă a ansamblurilor de cabluri care s-au uzat sau deteriorat. Pentru a răspunde nevoii de asamblare pe teren, Hirose oferă unealta de asamblare a cablurilor HT803/IXG-8/10S-63-72 care poate fi utilizată cu conectorii IX30G, IX31G și IX32G IDC ix (Figura 5). Este o unealtă combinată pentru sertizarea cablului împreună cu fișa și pentru matrițarea carcasei de protecție pe ansamblu. În cazul conectorilor IX40G cu lipire, aceasta este utilizată doar pentru matrițare.

Figura 5: această unealtă manuală permite realizarea pe teren a ansamblurilor de cabluri ix. (Sursa imaginii: Hirose Electric)

Această unealtă de asamblare a cablurilor este concepută pentru a funcționa cu cabluri ecranate de la 22 la 28 AWG cu fire de cupru recopt cu șapte toroane, cu un diametru exterior al izolației de la 6,3 la 7,2 mm. Operarea este rapidă și simplă.

Sertizare: așezați fișa în unealtă, cu cheia de codificare orientată în sus și introduceți cablul în fișă. Strângeți mânerul pentru a finaliza sertizarea. Unealta include un mecanism cu clichet care garantează că nu se deschide până când nu se aplică o presiune suficientă pentru a produce o conexiune bună, sertizată. Clichetul se eliberează automat atunci când se atinge presiunea necesară.

Matrițare: așezați o carcasă de protecție și o carcasă în unealtă (este prevăzut un decupaj special pentru a asigura o plasare corectă). Ca și în cazul procesului de sertizare, așezați fișa în unealtă cu cheia de codificare orientată în sus. Strângeți mânerul până când clichetul se eliberează pentru a finaliza operația de matrițare.

Testarea este importantă

Pot exista mai multe motive pentru testarea cablurilor Ethernet pe teren. În timpul implementării inițiale a echipamentelor sau al înlocuirii cablurilor existente, testarea poate certifica faptul că cablul îndeplinește toate cerințele de performanță. Testarea cablurilor este, de asemenea, utilă la depanarea instalațiilor pentru a identifica sursa unei probleme. Într-o rețea Ethernet pot exista numeroase surse de defecțiuni, inclusiv conectori defecți, deteriorări ale cablurilor sau ale ecranării și o susceptibilitate crescută la EMI.

DSX-CHA-5-IX-S de la Hirose este un set de două adaptoare optimizate pentru a accelera testarea pe teren a conectorilor ix și a ansamblurilor de cabluri (Figura 6). Este conceput pentru a fi utilizat cu testerele DSX CableAnalyzer de la Fluke Networks. Testarea amănunțită în conformitate cu specificațiile IEEE 802.3 cu ajutorul acestor adaptoare poate oferi rezultate de tip „succes/eșec”, împreună cu diagnostice extinse pentru a accelera identificarea oricăror probleme.

Figura 6: setul de adaptoare DSX-CHA-5-IX-S accelerează testarea pe teren a conectorilor ix și a ansamblurilor de cabluri. (Sursa imaginii: Fluke)

Concluzie

Proiectanții pot utiliza conectorii ix pentru a susține nevoia de conectivitate robustă și de înaltă densitate în sistemele Industriei 4.0. Acești conectori sunt disponibili în configurații Ethernet și non-Ethernet, cu diverse configurații mecanice disponibile pentru a susține o gamă largă de nevoi de proiectare a sistemelor. Conexiunile lipite pot fi utilizate în medii de producție cu volum mare, în timp ce modelele IDC sunt disponibile pentru realizarea ansamblurilor de cabluri pe teren. De asemenea, uneltele și testerele sunt disponibile cu ușurință pentru a garanta că ansamblurile de cabluri rezultate îndeplinesc toate cerințele de performanță ix.

Lectură recomandată

1. Power over Ethernet (PoE) în automatizarea industrială