Cum să utilizați cablurile industriale USB-C pentru a asigura interoperabilitatea, a reduce costurile și a îmbunătăți fiabilitatea

Instalațiile industriale sunt o rețea tot mai complexă de cabluri, inclusiv de rețele pentru nodurile de Internet al lucrurilor (IoT), pe lângă interconectarea electronică digitală. În timp ce rețelele digitale sunt standardizate folosind protocoale cu fir, cum ar fi Ethernet și BACnet, și protocoale de rețea fără fir, cum ar fi Wi-Fi și Bluetooth, interconectarea digitală între computerele de control, cum ar fi computerele mono-placă (SBC) sau controlerele logice programabile (PLC), și perifericele, cum ar fi senzorii sau mecanismele de acționare, poate varia foarte mult.

Încurcând și mai mult lucrurile, interconectările pot folosi o varietate de cabluri, conectori și scheme de conectare care arată foarte asemănător, dar sunt complet incompatibile.

Sarcina proiectanților de sisteme este de a reduce aceste incompatibilități și de a asigura interoperabilitatea, reducând în același timp costurile, accelerând asamblarea sistemului și îmbunătățind fiabilitatea, în ciuda condițiilor dificile din mediul industrial. O modalitate de a realiza acest lucru este standardizarea unui ansamblu de cabluri USB-C cu evaluare IP67 sau IP68. Acest lucru poate simplifica munca tehnicienilor, îmbunătățind compatibilitatea ansamblului de cabluri într-o gamă largă de echipamente.

Acest articol descrie problemele legate de interconectarea digitală în aplicațiile industriale și modul în care standardizarea cablurilor și conectorilor USB-C pentru interconectarea digitală simplă poate rezolva multe dintre aceste probleme. Apoi, prezintă o varietate de conectori USB-C și ansambluri de cabluri cu caracteristici unice, inclusiv conformitatea IP67, de la PEI-Genesis, Amphenol LTW și Bulgin, înainte de a discuta despre modul în care acestea pot oferi o conectivitate omniprezentă, fiabilă și robustă pentru aplicațiile computer-senzor/mecanism de acționare.

Interconectarea digitală în automatizarea industrială

Echipamentele industriale sunt gestionate de computere de control, care pot fi un SBC, un PLC sau un laptop aflat în apropiere. Computerul de control se conectează adesea la dispozitivele din apropiere necesare pentru echipament, care pot fi definite în linii mari ca fiind senzori.  Printre acestea se numără întrerupătoarele, senzorii optici și de mediu, precum și mecanismele de acționare, cum ar fi motoarele, solenoizii sau luminile. Pentru majoritatea echipamentelor industriale de mare capacitate, proiectanții de la producătorul echipamentului selectează tipul de conector utilizat pentru capetele de cablu și selectează protocolul electric utilizat. Pentru un control industrial personalizat, inginerii și tehnicienii selectează și instalează computerul, mecanismele de acționare, senzorii, conectorii și cablurile. După selectarea tipului de conector și a protocolului electric, acestea nu pot fi schimbate ulterior fără un proces lung și costisitor de reamenajare. Drept urmare, atunci când se planifică operațiunea industrială, este important să se decidă ce tip de interconectare digitală se va utiliza pentru senzori și mecanismele de acționare încă din primele etape ale procesului de proiectare. Ca în cazul oricărui sistem care utilizează sisteme digitale interconectate pe scară largă, cu cât este mai mare operațiunea, cu atât mai mult timp și mai mulți bani pot fi economisiți prin standardizarea echipamentelor, inclusiv a cablurilor.

Atunci când instalează sau reconfigurează echipamente, tehnicienii trebuie să aibă la îndemână cablajul adecvat, cu terminații de conectare compatibile. La prima vedere, două ansambluri de cabluri incompatibile din punct de vedere electric pot arăta la fel și pot avea chiar și conectori similari care par să se potrivească, dar care, de fapt, nu se potrivesc. Această compatibilitate neevidentă îi poate frustra pe tehnicieni și poate întârzia implementarea sistemului. Chiar și atunci când se utilizează cablurile adecvate, poate fi nevoie de mai multe încercări pentru a orienta corect un conector nereversibil pe cablul către echipament, pentru a asigura o conexiune solidă. Într-un mediu cu iluminare slabă sau atunci când viteza de implementare este esențială, standardizarea unui singur ansamblu de cabluri reduce frustrările, asigurând în același timp interoperabilitatea între dispozitive. Astfel, nu se economisește numai timp, ci și costuri, deoarece ansamblul de cabluri poate fi achiziționat în vrac.

Avantajele sistemului USB-C pentru interconectarea digitală

Pentru a rezolva problema interconectării digitale omniprezente, ansamblurile de cabluri USB-C sunt potrivite pentru majoritatea aplicațiilor între echipamentele industriale. Mufele și soclurile USB-C sunt conectori lamelari fără cheie, cu două fețe, simetrici în sens rotațional. Acest lucru asigură o conexiune solidă la prima inserție, economisind timp și reducând din frustrare, astfel că tehnicienii nu mai trebuie să se chinuiască să orienteze corect un conector cu cheie. De asemenea, cablurile USB-C pot să asigure alimentarea cu energie a senzorului sau a mecanismului de acționare, ceea ce reprezintă un avantaj suplimentar.

O instalație industrială poate standardiza cablajul și conectorii USB-C pentru majoritatea interconectărilor digitale între computerele de control și senzori și mecanisme de acționare, simplificând inventarul de ansambluri de cabluri și interoperabilitatea conectorilor. Cablurile și conectorii USB-C industriali IP67 sunt de mare capacitate și pot rezista la căldură, solvenți și lichide, acestea fiind elemente comune în instalațiile industriale dure. În plus, cablurile industriale USB-C sunt construite pentru a minimiza pierderile de energie și de semnal și rezistă mai mult la abuzurile forțelor de îndoire și răsucire.

Conectorii USB-C pot accepta USB 2.0 și USB 3.1. Standardul USB-C impune ca porturile și ansamblurile de cabluri USB 3.1 să fie compatibile retroactiv cu vitezele USB 2.0 de 480 de megabiți pe secundă (Mbit/s). Acest lucru previne problemele de compatibilitate, permițând porturilor USB 2.0 să utilizeze aceleași ansambluri de cabluri ca și USB 3.1. Cu toate acestea, USB 3.1 permite viteze mult mai mari. Cablurile USB 3.1 Gen 1 acceptă până la 5 gigabiți pe secundă (Gbit/s), în timp ce cablurile USB Gen 2 acceptă până la 10 Gbit/s. Pentru a identifica viteza de transmisie, specificația USB prevede că ansamblurile de cabluri cu conectori USB-C la fiecare capăt trebuie să aibă un cip e-marker încorporat în carcasa conectorului, care identifică viteza maximă a ansamblului de cabluri de transmisie a energiei și a datelor. Datele din cipul e-marker sunt citite de către gazda USB la prima introducere și informează gazda USB cu privire la viteza maximă de transmisie a cablului, asigurându-se că gazda USB trimite datele în mod corespunzător. Ansamblurile de cabluri USB-C care acceptă doar viteze USB 2.0 nu trebuie să aibă un cip e-marker, astfel că, dacă nu sunt trimise date de la cip, gazda USB va trimite date la 480 Mbit/s.

Standardul USB-C permite o putere maximă de livrare a energiei de 3 amperi (A) la 5 volți c.c., pentru o putere totală de 15 wați. Acesta este standardul pentru ansamblurile comune de cabluri USB. Cu toate acestea, specificațiile pentru USB 3.1 Gen 1 și versiunile ulterioare permit o putere de 5 A la 20 de volți pentru 100 de wați. Cablurile USB-C concepute pentru furnizarea de energie prin USB 3.1 trebuie să conțină un cip e-marker care să identifice capacitatea de furnizare a energiei, în caz contrar gazda USB va fi setată implicit la 15 wați. Acest lucru îmbunătățește siguranța prin prevenirea condițiilor de suprasarcină care ar putea distruge cablul.

În timp ce aici accentul se pune pe standardizarea ansamblurilor de cabluri USB-C pentru interconectarea digitală, este important să știți că există trei capacități ale ansamblurilor de cabluri:

1. Modul USB 2.0: fără e-marker, poate furniza 15 wați de putere și 480 Mbit/s de date
2. USB 3.1 Gen 1: e-marker, oferă o putere de 100 de wați și 5 Gbit/s de date
3. USB 3.1 Gen 2: e-marker, oferă o putere de 100 de wați și 10 Gbit/s de date

Dacă un cablu USB-C de capacitate mai mică este utilizat cu gazde și dispozitive USB-C de capacitate mai mare configurate corespunzător, gazda USB va limita energia și datele la capacitatea mai mică. Acest lucru sporește siguranța prin prevenirea supraîncărcării cu energie a cablului, îmbunătățind în același timp fiabilitatea prin asigurarea unor viteze de date compatibile. O instalație poate simplifica și mai mult acest lucru prin utilizarea exclusivă a standardului care asigură livrarea maximă necesară de energie și date. Cu excepția cazului în care o instalație de automatizare industrială efectuează operațiuni cu un volum mare de date, cum ar fi transmisia video în direct, standardizarea pe ansambluri de cabluri USB 3.1 Gen 1 poate fi o alegere sigură. În mod obișnuit, cablurile USB 3.1 Gen 1 de 5 Gbit/s sunt specificate pentru o lungime maximă de 2 metri (m), ceea ce este suficient pentru conectarea computerelor de control la senzorii și mecanismele de acționare din apropiere. Dacă este necesară transmiterea fiabilă a datelor cu 10 Gbit/s, cablurile USB 3.1 Gen 2 sunt specificate pentru o lungime maximă de 1 m, deoarece trimiterea de 10 Gbit/s prin cabluri mai lungi poate cauza pierderi de date de-a lungul cablului, din cauza reflexiei sau atenuării semnalului.

Ansambluri de cabluri USB-C

Proiectanții care se așteaptă să trimită date de mare viteză într-un mediu dificil au la dispoziție o serie de soluții robuste și fiabile. De exemplu, PEI-Genesis furnizează ansamblul de cabluri IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 Gen 2 (Figura 1). Cablul are o lungime de 1 m și este clasificat pentru funcționare la temperaturi cuprinse între -20 °C și +85 °C, fiind adecvat pentru majoritatea mediilor industriale dificile. Învelișul cablului este fabricat din rășină de policlorură de vinil (PVC), care are o rezistență excelentă la apă și toleranță la razele ultraviolete (UV). Mantalele comerciale se pot crăpa sau decolora în cazul unei expuneri prelungite la lumina soarelui.

Figura 1: Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M este un ansamblu de cabluri USB-C de 1 m destinat aplicațiilor industriale. Conectorul cu garnitura cu piuliță de blocare asigură o conexiune sigură și rezistentă la apă, conform IP67, la un senzor sau un mecanism de acționare. Dimensiunile indicate sunt în milimetri. (Sursa imaginii: PEI-Genesis)

IPUSB-31WPCPC-1M are un conector cu fișă USB-C standard la un capăt, fabricat din rășină PVC turnată, cu o fișă USB-C din oțel inoxidabil. Acest capăt se conectează la un conector gazdă USB de pe SBC sau PLC. Celălalt capăt are o mufă turnată etanșată cu o piuliță de blocare din nailon și o garnitură de cauciuc. Aceasta asigură o etanșare IP67 solidă și sigură a senzorului sau a mecanismului de acționare.

Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M conține un cip e-marker încorporat care identifică capacitatea sa față de echipamentul conectat. Cipul e-marker funcționează pe întreaga gamă de temperaturi de la -20 °C la +85 °C a ansamblului de cabluri. Acest lucru garantează că cablul poate fi identificat în mod corespunzător chiar și atunci când echipamentul este pornit în oricare dintre cele două extreme de temperatură.

Conectivitate USB-C în medii extreme

Pentru mediile extrem de dure, Amphenol LTW oferă ansamblul de cabluri USB-C de un metru UC30FL-NCML-SC01 (Figura 2). Întreaga lungime a cablului este înconjurată de o conductă de plastic din polipropilenă (PP) care oferă protecție suplimentară împotriva șocurilor, a forțelor de tăiere și a solicitării cauzate de îndoirea în colțuri. De asemenea, conducta asigură protecție pentru cablul din interior atunci când este supusă unor vibrații extreme. Conducta este lipită la fiecare capăt al cablului și nu poate fi îndepărtată.

Figura 2: ansamblul de cabluri USB-C UC30FL-NCML-SC01 este inclus într-o conductă din PP care protejează cablul din interior împotriva șocurilor și vibrațiilor puternice. Dimensiunile sunt exprimate în milimetri. (Sursa imaginii: Amphenol LTW)

Ansamblul de cabluri are la un capăt un conector gazdă USB-C comun care se conectează la gazda USB. Celălalt capăt este prevăzut cu un conector circular de mare capacitate, cu un element consolidat de reducere a solicitării. Acesta are o mufă turnată etanșată cu o garnitură de silicon fixată cu o piuliță de blocare din nailon. Aceasta asigură o etanșare impermeabilă, ermetică, rezistentă la majoritatea substanțelor chimice. Cablul și conectorul circular au un grad de protecție IP67, atât la conectare, cât și la deconectare, protejând mufa USB-C circulară de mediul înconjurător chiar și atunci când nu este conectată.

UC30FL-NCML-SC01 este rezistent la foc conform UL94V-0, ceea ce înseamnă că cablul din PP poate rezista la flăcări pentru până la 10 secunde. De asemenea, cablul PP este rezistent la ulei, benzină și la majoritatea solvenților. Fiecare mufă poate funcționa la temperaturi cuprinse între -40 °C și +85 °C, în timp ce piulița de blocare din nailon și conducta din PP pot rezista la temperaturi mai ridicate, de la -40 °C la +115 °C. Acest lucru face ca acest ansamblu de cabluri să fie deosebit de adecvat pentru conectarea la senzori și mecanisme de acționare în motoarele și generatoarele industriale pe benzină.

Cipul e-marker încorporat identifică faptul că cablul acceptă transferuri de date de 5 Gbit/s, potrivit pentru generatoarele de benzină de mare viteză care trebuie să monitorizeze constant funcționarea motorului pentru a maximiza eficiența.

Senzori USB în aplicații marine

În unele cazuri, computerul de control al echipamentului are un conector USB-A, dar trebuie să se conecteze la un conector USB-C. Acest lucru necesită un cablu, cum ar fi ansamblul de cabluri USB-A la USB-C PXP4040/C/A/2M00 de la Bulgin (Figura 3). Acest cablu are o mufă USB-A la un capăt și o mufă USB-C circulară la celălalt capăt și funcționează la temperaturi cuprinse între -40 °C și +80 °C. Conectorul și cablul USB-C pot funcționa atunci când sunt scufundate la 10 m sub apă timp de două săptămâni. De asemenea, este rezistent la apa sărată, ceea ce îl face adecvat pentru echipamentele maritime, inclusiv pentru utilajele industriale de la bordul petrolierelor și al navelor de marfă. Ansamblul de cabluri este clasificat la IP68, cu excepția conectorului USB-A, care este clasificat la IP66.

Figura 3: PXP4040/C/A/2M00 are o mufă USB-A la un capăt și o mufă USB-C la celălalt. Este rezistent la apa sărată, iar mufa USB-C poate rezista la scufundarea în 10 m de apă timp de până la două săptămâni. (Sursa imaginii: Bulgin)

Bulgin PXP4040/C/A/2M00 are, de asemenea, un grad de inflamabilitate UL94V-0. Mantaua cablului este fabricată din rășină PVC, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații pe punțile vehiculelor maritime.

Învelișul cablului USB-C este fabricat din policarbonat-polibutilen tereftalat (PC/PBT), un material de înaltă rezistență utilizat adesea pentru barele de protecție ale mașinilor. Carcasa conectorului PC/PBT are o rezistență ridicată la substanțe chimice și este suficient de flexibilă pentru a rezista la impacturi puternice la temperaturi scăzute de până la -40 °C. Chiar și atunci când este lovit cu o forță mare, conectorul va rezista la fracturare și se va crăpa discret. Acest lucru asigură rezistență la manipulare pentru senzorii de securitate USB, inclusiv la atacurile prin înghețare, în care un conector este înghețat rapid și apoi lovit cu un ciocan.

Specificația USB-C nu permite încorporarea unui cip e-marker într-un cablu care are o mufă USB-A la un capăt. Acest ansamblu de cabluri este specificat pentru a furniza până la 5 A și a accepta o viteză de transfer de date de până la 5 Gbit/s pe o lungime de 2 m, deși unele periferice USB-C pot observa absența unui cip e-marker și pot trece la valoarea implicită de 480 Mbit/s.

Concluzie

Standardizarea ansamblurilor de cabluri USB-C pentru interconectarea digitală într-un mediu industrial simplifică inventarul de cabluri și asigură o conectivitate rapidă și simplă datorită designului simetric rotațional al mufei și soclului. Cablurile USB-C își pot identifica capacitatea de alimentare și de transfer de date la computerul gazdă de control pentru a preveni pierderea de date și condițiile periculoase de supraîncărcare cu energie. În plus, selectarea și utilizarea corectă a unui ansamblu de cabluri USB-C adecvat în sistemele industriale poate să îmbunătățească fiabilitatea, să scadă costurile cu întreținerea și să reducă din costul total.