Jak používat průmyslové kabely USB-C k zajištění interoperability, nižších nákladů a zlepšení spolehlivosti

Průmyslové závody jsou stále složitější sítí kabeláže, včetně sítí pro uzly internetu věcí (IoT) spolu s propojením digitální elektroniky. Zatímco digitální sítě jsou standardizovány pomocí kabelových protokolů, jako je Ethernet a BACnet, a bezdrátových síťových protokolů, jako je Wi-Fi a Bluetooth, digitální propojení mezi řídicími počítači, jako jsou jednodeskové počítače (SBC) nebo programovatelné logické automaty (PLC), a periferními zařízeními, jako jsou např. senzory nebo aktuátory, se mohou značně lišit.

Aby toho nebylo málo, propojení mohou používat různé kabely, konektory a zapojení, které vypadají velmi podobně, ale jsou naprosto nekompatibilní.

Je na systémových konstruktérech, aby tyto nekompatibility omezili, zajistili interoperabilitu a zároveň snížili náklady, urychlili montáž systému a zlepšili spolehlivost, a to navzdory náročným podmínkám průmyslového prostředí. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je standardizovat na sestavu kabelu USB-C s krytím IP67 nebo IP68. To může technikům výrazně usnadnit život zlepšením kompatibility sestav kabelů napříč řadou vybavení.

V tomto článku jsou popsány problémy digitálního propojení v průmyslových aplikacích a to, jak standardizace na kabely a konektory USB-C pro jednoduché digitální propojení může mnohé z těchto problémů vyřešit. Poté jsou zde představeny některé konektory USB-C a sestavy kabelů s jedinečnými vlastnostmi, včetně krytí IP67, od společností PEI-Genesis, Amphenol LTW a Bulgin a následně zde probereme, jak mohou poskytnout všudypřítomnou, spolehlivou a robustní konektivitu pro aplikace mezi počítači a senzory/aktuátory.

Digitální propojení v průmyslové automatizaci

Průmyslové vybavení je řízeno řídicími počítači, kterými mohou být jednodeskové počítače, programovatelné logické automaty nebo notebook nablízku. Řídicí počítač se často připojuje k blízkým zařízením potřebným pro vybavení, která lze obecně definovat jako senzory. Patří mezi ně spínače, optické a environmentální senzory a aktuátory, jako jsou motory, solenoidy nebo světla. U většiny těžkého průmyslového vybavení vyberou konstruktéři u výrobce vybavení typ konektoru použitého pro konce kabelů a zvolí použitý elektrický protokol. Pro své vlastní průmyslové řízení vyberou inženýři a technici počítač, aktuátory, senzory, konektory a kabely a nainstalují je. Jakmile je vybrán typ konektoru a elektrický protokol, nelze jej později změnit, aniž by to vyžadovalo dlouhý a nákladný proces přestavby. Proto je při plánování průmyslového provozu důležité velmi brzy v procesu návrhu rozhodnout, jaký typ digitálního propojení použít pro senzory a aktuátory. Stejně jako u každého systému, který široce využívá propojené digitální systémy, platí, že čím větší provoz, tím více času a peněz lze ušetřit standardizací vybavení, včetně kabelů.

Při nastavování nebo rekonfiguraci vybavení musí mít technici k dispozici vhodnou kabeláž s kompatibilními zakončeními konektoru. Na první pohled mohou dvě elektricky nekompatibilní sestavy kabelů vypadat stejně a mohou mít dokonce i podobné konektory, které vypadají, že by téměř mohly pasovat, ale nepasují. Tato na první pohled nezřejmá kompatibilita může technikům způsobovat potíže a zdržovat nasazení systému. I při použití správných kabelů může stát několik pokusů, než se správně orientuje nereverzibilní klíčovaný konektor na kabelu k vybavení, aby bylo zajištěno pevné spojení. V prostředí se slabým osvětlením nebo tam, kde je rychlost nasazení zásadní, snižuje normalizace na jednu sestavu kabelu množství starostí a zároveň zajišťuje interoperabilitu mezi stroji. To nejen šetří čas, ale také náklady, protože sestavu kabelu lze zakoupit ve velkém.

Výhody USB-C pro digitální propojení

K vyřešení problému všudypřítomného digitálního propojení jsou sestavy kabelu USB-C vhodné pro většinu aplikací mezi průmyslovým vybavením. Zástrčky a zásuvky USB-C jsou bezklíčové, oboustranné nožové konektory, které jsou rotačně symetrické. Tím je zajištěno pevné spojení při prvním zasunutí, což šetří čas a starosti, takže technici již nemusejí tápat ohledně správné orientace klíčovaného konektoru. Kabely USB-C mohou také napájet senzor nebo aktuátor, což je další výhoda.

Průmyslový závod může standardizovat na kabely a konektory USB-C pro většinu digitálních propojení mezi řídicími počítači a senzory a aktuátory, což zjednodušuje zásoby sestav kabelů a interoperabilitu konektorů. Průmyslové kabely a konektory USB-C s krytím IP67 jsou určené pro intenzivní používání a odolají teplu, rozpouštědlům a kapalinám, které se běžně vyskytují v náročných průmyslových závodech. Průmyslové kabely USB-C jsou také vyrobeny tak, aby minimalizovaly ztráty napájení a signálu a jsou tolerantnější vůči ohybu a kroucení.

Konektory USB-C mohou podporovat standardy USB 2.0 a USB 3.1. Standard USB-C vyžaduje, aby porty USB 3.1 a sestavy kabelů byly zpětně kompatibilní se standardem USB 2.0 s rychlostí 480 Mbit/s. To zabraňuje problémům s kompatibilitou tím, že porty USB 2.0 mohou používat stejné sestavy kabelů jako porty USB 3.1. USB 3.1 však umožňuje mnohem vyšší rychlosti. Sestavy kabelů USB 3.1 Gen 1 podporují až 5 Gbit/s, zatímco sestavy kabelů USB Gen 2 podporují až 10 Gbit/s. Pro identifikaci přenosové rychlosti vyžaduje specifikace USB sestavy kabelu s konektory USB-C na obou koncích, aby měly čip e-marker zabudovaný v krytu konektoru, který identifikuje maximální výkon a rychlost přenosu dat sestavy kabelu. Data v čipu e-marker jsou čtena hostitelem USB při prvním vložení a hostitele USB informují o maximální přenosové rychlosti kabelu, čímž se zajistí, že hostitel USB odesílá data správně. Sestavy kabelů USB-C, které podporují pouze rychlosti USB 2.0, nemusí mít čip e-marker, takže pokud nejsou odesílána žádná data čipu, hostitel USB odešle data rychlostí 480 Mbit/s.

Standard USB-C umožňuje maximální dodávku napájení 3 ampéry při 5 voltech stejnosměrného proudu pro celkový výkon 15 wattů. Jedná se o standard pro běžné sestavy kabelu USB. Specifikace pro USB 3.1 Gen 1 a novější však umožňuje 5 ampérů při 20 voltech pro 100 wattů výkonu. Sestavy kabelů USB-C určené pro dodávání napájení USB 3.1 musí obsahovat čip e-marker, který identifikuje kapacitu poskytování napájení, jinak bude hostitel USB standardně nastaven na 15 wattů. To zvyšuje bezpečnost tím, že se zabraňuje přetížení, které by mohlo zničit kabel.

Zatímco se zde zaměřujeme na standardizaci sestav kabelů USB-C pro digitální propojení, je důležité si uvědomit, že existují tři kapacity sestav kabelů:

1. Režim USB 2.0: Žádný e-marker, může dodávat 15 wattů výkonu a 480 Mbit/s dat.
2. USB 3.1 Gen 1: Žádný e-marker, poskytuje 100 wattů výkonu a 5 Gbit/s dat.
3. USB 3.1 Gen 2: Žádný e-marker, poskytuje 100 wattů výkonu a 10 Gbit/s dat.

Pokud se použije kabel USB-C s nižší kapacitou se správně nakonfigurovanými hostiteli a zařízeními USB-C s vyšší kapacitou, hostitel USB omezí výkon a data na nižší kapacitu. To zvyšuje bezpečnost tím, že to zabraňuje přetížení kabelu a zároveň zlepšuje spolehlivost zajištěním kompatibilních přenosových rychlostí. Závod to může dále zjednodušit pouze použitím standardu, který poskytuje maximální požadovaný výkon a dodávání dat. Pokud závod průmyslové automatizace neprovádí operace s velkým objemem dat, jako je streamování živého videa, může být standardizace na sestavy kabelů USB 3.1 Gen 1 bezpečnou volbou. Obvykle jsou kabely USB 3.1 Gen 1 s rychlostí 5 Gbit/s specifikovány pro maximální délku 2 metry, což je dostatečné pro připojení řídicích počítačů k blízkým senzorům a aktuátorům. Pokud je potřeba spolehlivě odesílat data rychlostí 10 Gbit/s, jsou kabely USB 3.1 Gen 2 specifikovány na maximálně 1 m, protože odesílání rychlostí 10 Gbit/s delšími kabely může způsobovat ztrátu dat po délce kabelu v důsledku odrazu nebo útlumu signálu.

Sestavy kabelů USB-C

Pro konstruktéry, kteří očekávají vysokorychlostní odesílání dat v náročném prostředí, existuje řada odolných a spolehlivých řešení. Například společnost PEI-Genesis dodává sestava kabelu IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 Gen 2 (obrázek 1). Kabel je dlouhý 1 m, je dimenzován pro provoz od −20 °C do +85 °C a je vhodný pro ta nejnáročnější průmyslová prostředí. Plášť kabelu je vyroben z polyvinylchloridové (PVC) pryskyřice, která má vynikající odolnost proti vodě a ultrafialovému (UV) záření. Komerční pláště mohou při dlouhodobém vystavení slunečnímu záření praskat nebo měnit barvu.

Obrázek 1: Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M je 1m sestava kabelu USB-C vyrobená pro průmyslové aplikace. Konektor s těsněním pojistné matice poskytuje bezpečně vodotěsné připojení IP67 k senzoru nebo aktuátoru. Uvedené rozměry jsou v milimetrech. (Zdroj obrázku: společnost PEI-Genesis)

Model IPUSB-31WPCPC-1M má na jednom konci standardní konektorovou zástrčku USB-C vyrobenou z lisované PVC pryskyřice se zástrčkou USB-C z nerezové oceli. Tento konec se připojuje k hostitelskému konektoru USB na jednodeskovém počítači nebo programovatelném logickém automatu. Druhý konec má utěsněnou lisovanou zástrčku s nylonovou pojistnou maticí a pryžovým těsněním. To poskytuje pevné a bezpečné utěsnění IP67 k senzoru nebo aktuátoru.

Sestava Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M obsahuje vestavěný čip e-marker identifikující jeho kapacitu pro připojené vybavení. Čip e-markeru funguje v celém rozsahu −20 °C až +85 °C sestavy kabelu. To zajišťuje, že lze kabel správně identifikovat, i když je vybavení zapnuto v kterémkoli z obou teplotních extrémů.

Konektivita USB-C v extrémních prostředích

Pro extrémně náročná prostředí nabízí společnost Amphenol LTW jednometrovou sestavu kabelu USB-C UC30FL-NCML-SC01 (obrázek 2). Celá délka kabelu je obklopena polypropylenovou plastovou (PP) trubkou, která poskytuje dodatečnou ochranu před nárazy, řezy a namáháním při ohýbání kolem rohů. Trubka také poskytuje ochranu přiloženého kabelu při extrémních vibracích. Trubka je přilepena na obou koncích kabelu a nelze ji sejmout.

Obrázek 2: Sestava kabelu UC30FL-NCML-SC01 USB-C je uzavřena v PP trubce, která chrání uzavřený kabel před nárazy a silnými vibracemi. Rozměry jsou v milimetrech. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol LTW)

Sestava kabelu má na jednom konci běžný hostitelský konektor USB-C, který se zapojuje do hostitele USB. Druhý konec má odolný kruhový konektor se zvýšeným odlehčením napětí. Má utěsněnou lisovanou zástrčku se silikonovým těsněním zajištěným nylonovou pojistnou maticí. To poskytuje vodotěsné a vzduchotěsné utěsnění, které je odolné vůči většině chemikálií. Kabel a kruhový konektor mají krytí IP67, jak ve spojeném, tak v rozpojeném stavu, což kruhovou zástrčku USB-C chrání před okolním prostředím, i když není zapojena.

Sestava UC30FL-NCML-SC01 je podle standardu UL94V-0 ohnivzdorná, což znamená, že PP kabel vydrží až 10 sekund trvající plamen. PP kabel je odolný také vůči olejům, benzínu a většině rozpouštědel. Všechny zástrčky mohou fungovat při teplotách od −40 °C do +85 °C, zatímco nylonová pojistná matice a PP trubka vydrží vyšší teploty od −40 °C do +115 °C. Díky tomu je tato sestava kabelu zvláště vhodná pro připojení k senzorům a aktuátorům v průmyslových benzínových motorech a generátorech.

Zabudovaný čip e-marker identifikuje kabel jako podporující datové přenosy rychlostí 5 Gbit/s, vhodné pro vysokorychlostní benzínové generátory, které potřebují neustále monitorovat provoz motoru, aby maximalizovaly jeho účinnost.

Senzory USB v námořních aplikacích

Řídicí počítač vybavení má v některých případech konektor USB-A, ale musí se připojit ke konektoru USB-C. To vyžaduje kabel, jako je sestava kabelu USB-A na USB-C PXP4040/C/A/2M00 společnosti Bulgin (obrázek 3). Tento kabel má na jednom konci zástrčku USB-A a na druhém kruhovou zástrčku USB-C a funguje při teplotách od −40 °C do +80 °C. Konektor a kabel USB-C mohou fungovat i v případě, že jsou ponořeny 10 m pod vodní hladinou po dobu dvou týdnů. Sestava je také odolná vůči slané vodě, takže je vhodná pro námořní zařízení, včetně průmyslových strojů na palubách tankerů a nákladních lodí. Sestava kabelu má krytí IP68, kromě konektoru USB-A, který má krytí IP66.

Obrázek 3: Model PXP4040/C/A/2M00 má na jednom konci zástrčku USB-A a na druhém konci zástrčku USB-C. Je odolný vůči slané vodě a zástrčka USB-C vydrží ponoření do 10 m pod vodní hladinou po dobu až dvou týdnů. (Zdroj obrázku: společnost Bulgin)

Model PXP4040/C/A/2M00 společnosti Bulgin má také jmenovitou hořlavost dle standardu UL94V-0. Plášť kabelu je vyroben z PVC pryskyřice, takže je vhodný pro aplikace na námořních palubách.

Pouzdro kabelu USB-C je vyrobeno z polykarbonátu/polybutylentereftalátu (PC/PBT), což je velmi pevný materiál často používaný pro nárazníky automobilů. Pouzdro konektoru PC/PBT má vysokou odolnost vůči chemikáliím a také dostatečnou flexibilitu, aby tolerovalo vysoké nárazy při nízkých teplotách až do −40 °C. I při úderu velkou silou odolá konektor rozlomení a praskne úhledně. To zajišťuje odolnost proti neoprávněné manipulaci pro bezpečnostní senzory USB, včetně útoků zmrazením, při kterých se konektor rychle zmrazí a poté se do něj udeří kladivem.

Specifikace USB-C neumožňuje zabudování čipu e-marker do kabelu, který má na jednom konci zástrčku USB-A. Tato sestava kabelu je specifikována tak, aby poskytovala až 5 A a podporovala datovou rychlost až 5 Gbit/s na délce 2 m, ačkoli některá periferní zařízení USB-C mohou zaznamenat absenci čipu e-marker a nastavit výchozí rychlost 480 Mbit/s.

Závěr

Standardizace na sestavy kabelu USB-C pro digitální propojení v průmyslovém prostředí zjednodušuje zásobu kabelů a poskytuje rychlé a snadné připojení díky rotačně symetrickému designu zástrčky a zásuvky. Kabely USB-C dokážou identifikovat své napájení a kapacitu přenosu dat do hostitelského řídicího počítače, aby se zabránilo ztrátě dat a nebezpečným podmínkám přetížení napájení. Správný výběr a použití vhodné sestavy kabelu USB-C v průmyslových systémech může také zlepšit spolehlivost, redukovat údržbu a snížit celkové náklady.