Upgrade hustoty a spolehlivosti průmyslových ethernetových portů pomocí konektorů ix Industrial

Továrny zažívají prudký nárůst datově náročných aplikací, jako je robotika, strojové vidění a techniky průmyslového internetu věcí (IIoT). Výsledkem je rostoucí poptávka po vysokorychlostní komunikaci. Ačkoliv byl průmyslový Ethernet nápomocný, konstruktéři musejí umožnit vysokou hustotu portů, minimalizovat elektromagnetické rušení (EMI) a zajistit fyzicky odolná připojení.

Konektor ix Industrial s pouhou čtvrtinou velikosti konektoru RJ45 as vylepšeným stíněním EMI a robustním spojením byl výslovně vytvořen pro požadavky na automatizaci továren. Tento konektor, standardizovaný podle normy IEC 61076-3-124, podporuje celou řadu řešení od různých výrobců a nabízí sadu jemně rozlišených funkcí pro další vylepšení funkcí chytré továrny.

Tento článek stručně popisuje požadavky na konektivitu pro automatizaci výroby. Poté představuje konektory ix Industrial od společnosti Hirose a ukazuje, jak je lze využívat ke splnění aplikačních požadavků.

Průmyslový Ethernet a výzvy konektorů RJ45

Průmyslový Ethernet má dvě klíčové vlastnosti, které vyhovují chytrým továrnám: rychlost přenosu dat 10 Gbps a technologický základ v Ethernetu. Používání stejného protokolu TCP/IP, kabely CAT5e a CAT6 a konektory RJ45. Tato interoperabilita usnadňuje integraci inteligentních továrních zařízení mezi sebou a podnikovými systémy.

Průmyslové prostředí však klade větší fyzickou zátěž na konektory a se zvyšující se hustotou portů potřebují konstruktéři menší rozměry konektorů, které mohou také dále minimalizovat EMI. Jak je znázorněno na obrázku 1, konektor ix Industrial snižuje v porovnání s konektory RJ45 instalační prostor o 75 %. Zároveň nabízí výrazně zlepšenou životnost a odolnost proti rušení EMI (obrázek 2).

Obrázek 1: konektor ix Industrial (vlevo) je o 75 % menší než tradiční konektor RJ45 (vpravo). (Zdroj obrázku: Automation World)

Obrázek 2: konektory ix Industrial nabízejí mnoho kvalitativních vylepšení vyhovujících požadavkům na automatizaci výroby. (Zdroj obrázku: Hirose)

Ačkoli je ix Industrial unikátní konektor, v ostatních ohledech je kompatibilní se zbytkem průmyslového ethernetového ekosystému. Podporuje například kabely CAT6A s rychlostí až 10 Gbps a napájení přes Ethernet (PoE) a PoE+ se zatížitelností až 3 A.

Na základě této kompatibility byl miniaturizovaný konektor standardizován podle normy IEC 61076-3-124, čímž je zajištěna interoperabilita mezi výrobci, která zjednodušuje proces návrhu a dává konstruktérům větší svobodu při výběru produktů. Například konektory řady ix Industrial od společnosti Hirose jsou plně kompatibilní s řešeními jiných výrobců.

Konektor ix Industrial byl dále navržen pro podporu více protokolů Ethernet, včetně PROFINET, CC-Link IE TSN a GigE Vision:

• PROFINET je široce používaný průmyslový ethernetový protokol, na který dohlížejí asociace Profibus a Profinet International (PI). Používá se pro programovatelné logické automaty (PLC), roboty, pohony a vstupy/výstupy (I/O) senzorů a akčních členů.
• CC-Link IE TSN je standard asociace CC-Link Partner Association kombinující gigabitový Ethernet a časově senzitivními sítěmi (TSN). Používá se v pokročilých průmyslových odvětvích, jako je výroba polovodičů a automobilový průmysl.
• GigE Vision je komunikační standard pro vysoce výkonné průmyslové kamery spravovaný asociací Automated Image Association (AIA). Využívá sítě Ethernet k dosažení výhod, jako je rychlý přenos dat, prodloužená délka kabelu, nízké náklady a škálovatelnost.

Kromě těchto zavedených standardů lze konektory ix Industrial používat s mnoha dalšími protokoly průmyslového Ethernetu, včetně EtherCAT, Modbus TCP a Ethernet/IP. Díky podpoře těchto protokolů a robustní miniaturizaci jsou konektory ix Industrial přesvědčivou volbou pro mnoho aplikací inteligentních továren. Tyto aplikace zahrnují:

• Strojové vidění: kamery s vysokým rozlišením generující velké objemy obrazových dat pro analýzu a rozhodování v reálném čase. Zde se využívá výhod vysoké přenosové rychlosti a kompaktní velikosti konektorů ix Industrial pro konfigurace s více kamerami.
• Robotika: kolaborativní a autonomní roboti spoléhající na data ze senzorů a řídicí signály v reálném čase pro bezpečný a efektivní provoz. Robustnost a nízká náchylnost konektorů ix Industrial k rušení EMI zajišťuje spolehlivou výměnu dat.
• Prediktivní údržba: přidání senzorů do kriticky důležitých zařízení umožňuje včasnou detekci potenciálních poruch a předcházení nákladným prostojům. Díky nízkému profilu a robustní konstrukci se konektory ix Industrial stávají vynikajícím doplněk pro malé senzory v náročných provozních podmínkách.

Prostorově úsporné konstrukční možnosti zástrček a zásuvek

Zásuvky i zástrčky ix Industrial jsou vybaveny pozoruhodnými funkcemi, které zlepšují úsporu místa. Jak je znázorněno na obrázku 3, tyto zásuvky jsou k dispozici v různých konfiguracích:

• Kolmé zásuvky, například model IX61G-A-10P, lze montovat rovnoběžně s roztečí pouze 10 mm pro dosažení vysoké hustoty portů. V této konfiguraci se šest konektorů ix Industrial vejde do stejného prostoru jako tři konektory RJ45, čímž se výrazně snižují půdorysy přepínačů, routerů a podobných zařízení.
• Nízkoprofilové vodorovné zásuvky, například model IX60G-A-10P, mají profil 5,7 mm představující méně než polovinu výšky konektoru RJ45, čímž jsou vhodné pro aplikace, jako jsou senzory.
• Svislé zásuvky, například model IX80G-A-10P, lze připojovat shora, což konstruktérům dává vyšší flexibilitu.

Obrázek 3: průmyslové zásuvky ix jsou k dispozici v kolmém, svislém a vodorovném provedení (nahoře, vlevo a dole). Konektory se dodávají v přímé a pravoúhlé konfiguraci. (Zdroj obrázku: Hirose)

Zástrčky jsou k dispozici v přímé orientaci, jako např. model IX40G-B-10S-CV (7.0), nebo v pravoúhlé orientaci, jako např. model IX30G-A-10S-CVL2 (7.0). Za pozornost stojí zejména pravoúhlá provedení, která snižují výšku připojení a usnadňují vedení kabelu ve stísněných prostorech. Tyto zástrčky mohou například minimalizovat problémy související s poloměrem ohybu kabelu a usnadnit řetězení s vysokou hustotou.

Mechanická a elektrická odolnost

Konektory ix Industrial navržené tak, aby odolávaly průmyslovým prostředím, se vyznačují robustní konstrukcí odolnou vůči vibracím, nárazům a rušení EMI. Pouzdro zásuvky je připevněno k desce plošných spoji (PCB) pomocí pěti nožiček pro pájení skrz otvor. Tím vzniká pevné fyzické spojení odolávající utahování a vytahování, které tak chrání signálové kontakty. Tento způsob montáže poskytuje také robustní spojení mezi pouzdrem zásuvky a zemnicí plochou desky.

Pouzdro zástrčky obsahuje integrovanou zakončovací jednotku vodiče a kabelovou svorku (obrázek 4). Toto řešení zabraňuje ovlivňování spojovací části kabelové sestavy zatížením kabelu. Plášť spojený krimpováním tvoří přímý kontakt s uzemňovací pružinou zásuvky, čímž vznikne souvislé 360˚ stínění proti rušení EMI.

Obrázek 4: průmyslová zástrčka ix uzavírá zakončovací jednotku vodiče do pouzdra, které poskytuje ochranu proti fyzickému poškozením a rušení EMI. (Zdroj obrázku: Hirose)

Konektory jsou také vybaveny robustním zacvakávacím mechanismem, který poskytuje slyšitelné a hmatatelné kliknutí. Tento mechanismus s pozitivní zámkem zajišťuje bezpečné spojení i v prostředí se silnými vibracemi a pomáhá konektoru vydržet 5000 spojovacích cyklů.

Společnost Hirose nabízí také varianty konektorů ix Industrial s palladium-niklovými kontakty. Například zástrčka IX30G-A-10S-CV(7.0)(01) používá kontakty s pokovením palladium-nikl o tloušťce 0,75 μm plus zlacením o tloušťce 0,05 μm. Tyto kontakty jsou odolnější než standardní zlaté kontakty a jsou nenahraditelné pro aplikace s častými spojovacími cykly.

Zjednodušení montáže a testování

Společnost Hirose doporučuje používat kabely o průřezu vodičů v rozsahu 22 až 28 AWG, aby bylo zajištěno vysoce kvalitní připojení. Vodiče mohou být zakončeny pájením nebo pomocí mechanismu IDC (insulation displacement connections), přičemž technologie IDC se doporučuje pro zástrčky zakončené na v místě provozu. Tato metoda zakončování používá k proříznutí izolačního materiálu vodiče a k připojení jediným pohybem krimpovací nástroj, například model HT803/IXG-8/10S-63-72.

Pro dosažení maximální odolnosti a kvality zakončení je doporučeno pájení. Společnost Hirose nabízí mnoho zástrček podporujících tuto metodu zakončování, například model IX40G-A-10S-CV (7.0).

Pro testování kabelů a sestav nabízí společnost Hirose sadu adaptérů DSX-CHA-5-IX-S určenou pro DSX kabelový analyzátor Amprobe (od společnosti Fluke Networks). Pomocí tohoto analyzátoru mohou technici zajistit správnou funkci a zjednodušit diagnostiku jakýchkoli problémů.

Závěr

Konstruktéři mohou v aplikacích inteligentních továren využívat průmyslové konektory ix k dosažení vysoké hustoty portů a spolehlivosti. Standardizace těchto konektorů podle normy IEC 61076-3-124 zajišťuje konstruktérů vzájemnou mezi výrobci. Rozmanitost provedení zástrček a zásuvek dává konstruktérům možnost volby orientace montáže a vedení kabelů s cílem zmenšení půdorysu používaných součástí, zamezení namáhání kabelů a dosažené vysoké šířky pásma s minimálním rizikem rušení.

Doporučeno k přečtení

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