Jak splnit požadavky koncepce Industry 4.0 na vysokou hustotu a robustní konektivitu

V aplikacích koncepce Industry 4.0, jako jsou robotika, strojové vidění, řídicí jednotky, servozesilovače a servery, roste potřeba rychlého a spolehlivého ethernetového připojení s vysokou hustotou. Ethernetová připojení v zařízeních koncepce Industry 4.0 musí podporovat komunikační rychlost až 10 gigabitů za sekundu (Gbit/s), musí být chráněna před elektromagnetickým rušením (EMI), poskytovat bezpečné párovací a uzamykací mechanismy, aby se zabránilo nechtěnému vytažení kabelu, být schopna odolat vysokým vibracím podmínky a mít vysokou životnost spojování/rozpojování. Tyto konektory musí být dostatečně kompaktní, aby podporovaly rostoucí hustotu propojení a hustotu systému aplikací koncepce Industry 4.0.

Ačkoli některé z těchto požadavků mohou uspokojit starší ethernetové konektory RJ45, jsou poměrně objemné a neposkytují flexibilitu instalace požadovanou pro současné návrhy.

Aby se konstruktéři s těmito výzvami vyrovnali, mohou namísto toho pro vysokorychlostní ethernetové kabely, včetně Cat5e (1 Gbit/s) a Cat6a (10 Gbit/s), využívat průmyslové konektory ix. Tyto konektory jsou v porovnání s konektory RH45 o 75 % menší, poskytují vysokou úroveň ochrany proti EMI a elektromagnetické kompatibility (EMC) pro bezpečné datové přenosy a splňují požadavky normy IEC 61076-3-124.

Tento článek začíná porovnáním možností průmyslových konektorů RJ45 a ix. Poté se zabývá konektory ix typu A a typu B pro připojení k síti Ethernet a jiné, než Ethernet a dále zkoumá různé možnosti konfigurace dostupné pro konektory ix společně s některými reprezentativními konektory od společosti Hirose. Na závěr představuje nástroje pro montáž a testování ix kabelů pro zajištění správné implementace.

Konektory RJ45 versus ix

Mnoho aplikací koncepce Industry 4.0 potřebuje modulární konektivitu pro rychlé nasazení a rekonfiguraci. Tyto systémy často kombinují starší zařízení s novými konstrukcemi. Používají vysokorychlostní průmyslový Ethernet a další protokoly, které vyžadují interoperabilitu a dostupnost. Takzvané registrované konektory jack (RJ) jsou běžné u starších zařízení s osmipinovými, osmikontaktními (8P8C) konektory RJ45 pro základní ethernetové připojení.

Rozvíjející se systémy koncepce Industry 4.0 vyžadují zvýšení hustoty propojení a flexibility. Kromě toho, že jsou o 75 % menší než řešení RJ45, umožňují konektory ix paralelní montáž s roztečí 10 mm, přičemž šest konektorů ix se vejde do stejného prostoru na obvodové desce, jako tři konektory RJ45 (obrázek 1).

Obrázek 1: jejich montážní rozteč 10 mm umožňuje, aby se šest konektorů ix vešlo do stejného prostoru na obvodové desce, jako tři konektory RJ45. (Zdroj obrázku: Hirose)

Silné a robustní provedení

Norma IEC 61076-3-124 poskytuje specifikace pro rozměry, mechanické, elektrické, přenosové charakteristiky a požadavky na prostředí pro konektory ix. Konektory ix od společnosti Hirose přesahují rámec normy IEC 61076-3-124 a splňují požadavky normy JIS E4031, japonské průmyslové normy pro rázové a vibrační testování vybavení železničních kolejových vozidel. Splňují také standard kamerového rozhraní GigE Vision, který podporuje použití gigabitového Ethernetu pro rychlý přenos obrazu pomocí velmi dlouhých a levných standardních kabelů. Jejich kontakty s vysokou proudovou zatížitelností podporují použití aplikací Power over Ethernet (PoE) a PoE+, jak je specifikováno v nomách IEEE 802.3af a IEEE 802.3at.

Systém konektorů ix byl od počátku navržen s ohledem na průmyslové aplikace, zatímco konektor RJ45 byl původně vyvinut pro použití se spotřebitelskými a komerčními telekomunikačními zařízeními a upraven pro použití v průmyslovém prostředí. Například konektory ix mají dva kovové zacvakávací uzamykací háčky, které poskytují hmatovou i zvukovou zpětnou vazbu jako potvrzení bezpečného spojení mezi zástrčkou a zásuvkou. Průmyslové konektory RJ45 mají jeden uzamykací háček.

Plášťová konstrukce patic konektorů ix poskytuje mechanickou odolnost a zvyšuje EMC výkonnost. Tyto patice mají pět záchytných výstupků do průchozích otvorů, dva na každé straně a jeden vzadu mezi dvěma sadami signálových kontaktů, zatímco konektory RJ45 mají pouze tři výstupky. Výstupky na paticích ix jsou také robustnější ve srovnání s výstupky na paticích RJ45. Po připájení k obvodové desce chrání výstupky na patici ix signálové kontakty před namáháním, pokud je zástrčka zapojená nebo rozpojená. Zvyšují také schopnost patice odolávat nárazům a vibracím. Pájené výstupky se na obvodové desce připojují přímo k zemi, čímž se zvyšuje ochrana proti EMI (obrázek 2).

Obrázek 2: Pět výstupků do průchozích otvorů na patici chrání signálové kontakty, zvyšuje odolnost proti nárazům a vibracím a zlepšuje EMC výkonnost konektorů ix. (Zdroj obrázku: Hirose)

Použití modulárních a rekonfigurovatelných systémů mění očekávání ohledně výkonnosti konektorů. Konektory již nejsou ponechány na místě po celou dobu životnosti instalace. Výrobní stanice, nástroje a další systémové komponenty vyžadují možnost častého přeskupování, aby podporovaly hromadné přizpůsobování, které je klíčovou vlastností koncepce Industry 4.0. V důsledku toho může být konektor zasunut a odpojen stokrát nebo tisíckrát za dobu své životnosti. Konektory Hirose ix jsou navrženy a testovány na 5 000 spojovacích cyklů a stále splňují všechny požadavky na výkon podle normy IEC 61076-3-124.

Jiná, než ethernetová připojení

Norma IEC 61076-3-124 podporuje ethernetová i jiná připojení. Aby se předešlo chybnému připojení, používají se samostatná schémata mechanického kódování označená „A“, resp. „B“ pro konektory ix Ethernet, resp. jiné než Ethernet (obrázek 3):

• Konektory ix typu „A“ jsou schopné zpracovávat přenosové rychlosti až 10 Gbit/s. Mohou podporovat standard PoE a PoE+ a jsou identifikovatelné podle 45° polarizačního zkosení v levém dolním rohu patice.
• Konektory ix typu „B“ jsou navrženy pro použití ve všech jiných, než ethernetových aplikacích, například pro signalizaci a různé sériové a jiné průmyslové komunikační protokoly. Lze je rozpoznat podle zkosení 45° umístěného v levém horním rohu patice.

Obrázek 3: konektory ix jsou k dispozici ve dvou provedeních mechanického kódování, aby se zabránilo zasunutí zástrčky Ethernet do nekompatibilní zásuvky a naopak. (Zdroj obrázku: Hirose)

Flexibilita integrace

Tyto konektory také zvyšují flexibilitu systémové integrace. Kabely lze připojit k paticím ix konektorů pájením nebo pomocí spojů s posunutím izolace (IDC). Pájené spoje mohou urychlit výrobu kabelových sestav v továrním prostředí. IDC spoje se často používají k výrobě kabelových sestav v provozu a díky snížení potřeby odizolování vodičů, kroucení a pájení mohou zkrátit dobu instalace až o 50 %. Existují čtyři odpovídající skupiny konektorů označené jako 30, 31, 32 a 40. První tři podporují různé velikosti kabelů IDC, přičemž čtvrtý se používá pro pájené spojení:

• 30: konektory IDC používající vodiče o velikosti 26 až 28 American wire gauge (AWG) s vnějším průměrem izolátoru 0,95 až 1,05 mm.
• 31: konektory IDC používající vodiče o velikosti 24 až 25 AWG s vnějším průměrem izolátoru 1,1 až 1,25 mm.
• 32: konektory IDC používající vodiče o velikosti 22 AWG s vnějším průměrem izolátoru 1,4 až 1,6 mm.
• 40: Ručně pájené konektory

Společnost Hirose dále nabízí konektory ix se třemi konfiguracemi zásuvek a zástrček, aby vyhovovaly potřebám konkrétní aplikace (obrázek 4). Konfigurace zásuvek zahrnují:

• Svislou pravoúhlou konfiguraci, kterou lze namontovat paralelně s roztečí 10 mm pro úsporu místa na desce v systémech s vysokou hustotou.
• Vertikální provedení umožňující připojení konektoru shora.
• Nízkoprofilovou pravoúhlou zásuvku o výšce 5,7 mm, což je méně než polovina výšky konektoru RJ45.

Konfigurace zástrček zahrnují:

• Přímou kabeláž.
• Pravoúhlou kabeláž směrem nahoru.
• Pravoúhlou kabeláž směrem dolů.

Obrázek 4: Zásuvky jsou k dispozici ve třech provedeních, která jsou postupně znázorněna na každé ze tří obvodových desek. Každá obvodová deska obsahuje tři typy konektorů ix. (Zdroj obrázku: Hirose)

příklady konektorů ix

Kromě konfigurací a možností popsaných výše nabízí společnost Hirose konstruktérům výběr zlacení nebo pokovení palladium-nikl a zlacení na kontaktních plochách. Z desítek ix konektorů od společnosti Hirose lze jako příklady uvést:

IX80G-B-10P(01), vertikální zásuvka typu B s 0,75μm pokovením palladium-nikl a 0,05μm pokovením zlatem.

IX80G-A-10P(01), vertikální zásuvka typu A s 0,75μm pokovením palladium-nikl a 0,05μm zlacením.

IX61G-B-10P, pravoúhlá zásuvka typu B nahoru s 0,2 μm zlacením.

IX60G-A-10P, pravoúhlá zásuvka typu A s 0,2 μm zlacením.

IX31G-A-10S-CV (7.0), přímá zástrčka typu A s 0,2 μm zlacením.

IX30G-A-10S-CVL2 (7.0), pravoúhlá zástrčka typu A nahoru s 0,2 μm zlacením.

IX30G-B-10S-CVL1 (7.0), pravoúhlá zásuvka typu B dolů s 0,2 μm zlacením.

Montáž v místě provozu

V aplikacích průmyslového Ethernetu je vyžadována vysoká dostupnost a montáž kabeláže v místě provozu může být důležitým faktorem. Díky rychlejší výměně opotřebovaných nebo poškozených kabelových sestav může urychlit instalaci zařízení, zejména v modulární architektuře. Pro vyhovění potřebám montáže v místě provozu nabízí společnost Hirose montážní nástroj kabelů HT803/IXG-8/10S-63-72, který lze používat s konektory IX30G, IX31G a IX32G IDC ix (obrázek 5). Jedná se o kombinovaný nástroj na spojení kabelu a zástrčky krimpováním a nalisování ochranného pouzdra na sestavu. V případě pájených konektorů IX40G se používá pouze pro nalisování.

Obrázek 5: Tento ruční nástroj umožňuje výrobu sestav kabelů ix v provozu. (Zdroj obrázku: Hirose Electric)

Tento montážní nástroj kabelů je určen pro práci se stíněnými kabely od 22 do 28 AWG se sedmipramennými žíhanými měděnými vodiči s vnějším průměrem izolace 6,3 až 7,2 mm. Obsluha je rychlá a jednoduchá.

Krimpování: Vložte zástrčku do nástroje kódovacím klíčem směrem nahoru a zasuňte kabel do zástrčky. Krimpování dokončíte stisknutím rukojeti. Nástroj obsahuje rohatkový mechanismus, který zajišťuje, že se neotevře, dokud nebude vyvinut dostatečný tlak k vytvoření kvalitního krimpovaného spoje. Po dosažení požadovaného tlaku se rohatka automaticky uvolní.

Nalisování: zasuňte plášť a pouzdro stínění do nástroje (pro zajištění správného umístění je k dispozici speciální výřez). Stejně jako u procesu krimpování vložte zástrčku do nástroje kódovacím klíčem směrem nahoru. Stiskněte rukojeť, dokud se západka neuvolní a nalisování bylo dokončeno.

Testování je důležité

Důvodů pro testování ethernetových kabelů v místě provozu může být několik. Během počáteční instalace zařízení nebo výměny stávající kabeláže lze testováním ověřit, zda kabel splňuje všechny výkonnostní požadavky. Testování kabelů je také užitečné při odstraňování problémů s instalacemi k určení zdroje problému. V ethernetové síti může být mnoho zdrojů poruch, včetně vadných konektorů, přerušení kabelu nebo stínění a zvýšené náchylnosti k elektromagnetickému rušení (EMI).

Model DSX-CHA-5-IX-S od společnosti Hirose je sada dvou adaptérů optimalizovaných pro urychlení testování ix konektorů a kabelových sestav v místě provozu (obrázek 6). Je navržena pro použití s testery DSX CableAnalyzer od společnosti Fluke Networks. Důkladné testování podle specifikací IEEE 802.3 pomocí těchto adaptérů může poskytnout výsledky typu vyhověl/nevyhověl společně s rozsáhlou diagnostikou pro urychlení identifikace jakýchkoli problémů.

Obrázek 6: Sada adaptérů DSX-CHA-5-IX-S urychluje testování ix konektorů a kabelových sestav v místě provozu. (Zdroj obrázku: Fluke)

Závěr

Jako podporu potřeby vysoké hustoty a robustní konektivity u systémů koncepce Industry 4.0 mohou konstruktéři používat konektory ix. Tyto konektory jsou k dispozici v ethernetových i jiných konfiguracích a v různých mechanických sestavách na podporu široké škály systémových konstrukčních požadavků. Pájené spoje lze použít ve velkoobjemové výrobě, zatímco modely IDC jsou k dispozici pro výrobu kabelových sestav v místě provozu. K dispozici jsou také nástroje a testery, které zajistí, že výsledné kabelové sestavy splňují všechny výkonnostní požadavky konektorů ix.

Doporučeno k přečtení

1. Power over Ethernet (PoE) v průmyslové automatizaci