Slik oppfylles kravene i Industri 4.0 til høy tetthet og robust tilkobling

Behovet for høy tetthet, rask og pålitelig Ethernet-tilkobling vokser i industri 4.0-utrustninger som robotteknologi, maskinsyn, styringer, servoforsterkere og servere. Ethernet-tilkoblinger i industri 4.0-enheter må støtte kommunikasjonshastigheter på opptil 10 gigabit per sekund (Gbits/s), være beskyttet mot elektromagnetisk interferens (EMI), gi sikre parings- og låsemekanismer for å forhindre utilsiktet kabelfjerning, kunne motstå høye vibrasjonsforhold og ha lange parrings-/uparringslevetider. Disse kontaktene må være kompakte nok til å støtte den økende sammenkoblings- og systemtettheten til Industri 4.0-utrustninger.

Mens eldre RJ45 Ethernet-kontakter kan tilfredsstille noen av disse kravene, er de relativt voluminøse og gir ikke den installasjonsfleksibiliteten som kreves for dagens konstruksjoner.

For å møte disse utfordringene kan designere i stedet bruke ix-industrikontakter for høyhastighets Ethernet-kabler, inkludert Cat5e (1 Gbit/s) og Cat6a (10 Gbit/s). Disse kontaktene er 75 % mindre størrelse enn RJ45-kontakter, gir høye nivåer av EMI-beskyttelse og elektromagnetisk kompabilitet (EMC) for sikker dataoverføring, og overholder kravene i IEC 61076-3-124.

Denne artikkelen begynner med en sammenligning av RJ45- og ix-industrielle koblingsalternativer. Den ser deretter på type A og type B ix-kontakter for Ethernet og ikke-Ethernet-tilkobling, og gjennomgår de forskjellige konfigurasjonsalternativene som er tilgjengelige for ix-kontakter, sammen med noen representative kontakter fra Hirose. Den lukkes ved å presentere verktøy for montering og testing av ix-kabler for å sikre riktig implementering.

RJ45 kontra ix-kontakter

Mange Industri 4.0-utrustninger trenger modulær tilkobling for rask distribusjon og omkonfigurasjon. Disse systemene kombinerer ofte eldre utstyr med nye konstruksjoner. De bruker høyhastighets industrielt Ethernet og andre protokoller som krever interoperabilitet og høy tilgjengelighet. Såkalte RJ-kontakter, eller telefonstøpsel (registered jack) er vanlige i eldre utstyr, med åtte-pinners, åtte-polet kontakt (8P8C) RJ45-kontakter for grunnleggende Ethernet-tilkobling.

Fremvoksende industri 4.0-systemer krever økt koplingstetthet og fleksibilitet. I tillegg til å være 75 % mindre enn RJ45-løsninger, muliggjør ix-kontakter parallell 10 mm avstand, og seks ix-kontakter kan passe inn i det samme kretskortet (PCB) som tre RJ45-kontakter (figur 1).

Figur 1: Deres 10 mm monteringsavstand tillater seks ix-kontakter å passe inn i samme kretskort-plass som tre RJ45-kontakter. (Bildekilde: Hirose)

Ekstra kraftig og robust

IEC 61076-3-124 gir spesifikasjonene for dimensjoner, mekaniske, elektriske, overføringsmessige egenskaper og miljøkrav for ICX-kontakter. ICX-kontaktene fra Hirose går utover IEC 61076-3-124 og oppfyller kravene i JIS E4031, den japanske industristandarden for støt- og vibrasjonsprøving av rullende materiell på jernbane. De oppfyller også GigE Vision-kameragrensesnittstandarden som støtter bruk av Gigabit Ethernet for rask bildeoverføring ved hjelp av svært lange og billige standardkabler. Høystrømskontaktene deres støtter bruk av strøm over Ethernet (PoE) - og PoE+-utrustninger som angitt i IEEE 802.3af og IEEE 802.3at.

ICX-kontaktsystemet ble designet med industrielle bruksområder i tankene fra begynnelsen, mens RJ45-kontakten først ble utviklet for bruk med forbruker- og forretningsutstyr for telekommunikasjon og har blitt tilpasset for bruk i industrielle miljøer. ICX-kontakter har for eksempel to låsekroker laget av metall som gir både haptisk og hørbar tilbakemelding for å bekrefte en sikker forbindelse mellom støpselet og uttaket (stikkontakten). Industrielle RJ45-kontakter har en enkelt låsekrok.

Skallutformingen til ix-kontakt-uttakene gir mekanisk robusthet og forbedrer EMC-ytelsen. Disse uttakene har fem holdingsfaner med gjennomgående hull, to på hver side og en på baksiden mellom de to settene med signalkontakter, mens RJ45-kontakter bare har tre faner. Fanene på ix-kontaktkont-uttakene er også mer robuste sammenlignet med fanene på RJ45-kontaktene. Når de er loddet til kretskortet, beskytter ix-kontaktens fliker signalkontakter mot spenning når en plugg er paret eller uparet. De øker også uttakene evne til å tåle støt og vibrasjoner. De loddede flikene kobles direkte til bakken på kretskortet, noe som forbedrer EMI-beskyttelsen (figur 2).

Figur 2: Fem gjennomgående hullfaner på suttaket beskytter signalkontaktene, forbedrer støt- og vibrasjonsytelsen og forbedrer EMC-ytelsen til ix-kontakter. (Bildekilde: Hirose)

Bruken av modulære og rekonfigurerbare systemer endrer forventningene til kontaktens ytelse. Koblingene er ikke lenger på plass så lenge en installasjon varer. Produksjonsstasjoner, verktøy og andre systemkomponenter trenger muligheten til å bli omorganisert ofte for å støtte massetilpasningen som er et definerende kjennetegn for Industri 4.0. Som et resultat kan en kontakt kobles til og fra flere hundre eller tusen ganger i løpet av sin levetid. Hirose sine ix-kontakter er konstruert og testet til 5000 paringssykluser og oppfyller fortsatt alle ytelseskravene i IEC 61076-3-124.

Ikke-Ethernet-tilkoblinger

IEC 61076-3-124 støtter Ethernet og ikke-Ethernet-tilkobling. For å hindre feiltilkoblinger brukes separate mekaniske kodesystemer merket «A» og «B» for henholdsvis Ethernet- og ikke-Ethernet-ix-kontakter (figur 3):

• «A»-type ix-kontakter er i stand til å håndtere overføringshastigheter opp til 10 Gbits/s. De kan støtte PoE og PoE+, og kan identifiseres med et 45°-skrått hjørne i nederste venstre hjørne av uttaket.
• «B»-typen av ix-kontakter er konstruerte for bruk i alle ikke-Ethernet-utrustninger, som signalering og forskjellige serielle og andre industrielle kommunikasjonsprotokoller. De kan identifiseres med en 45°-skrått hjørne på øvre venstre hjørne av uttaket.

Figur 3: ix-kontakter er tilgjengelige med to mekaniske kodingsutforminger for å forhindre at en Ethernet-plugg settes inn i en ikke-Ethernet-uttaket og omvendt. (Bildekilde: Hirose)

Integreringsfleksibilitet

Disse kontaktene forbedrer også fleksibiliteten i systemintegrasjonen. Kabler kan kobles til ix-kontakt-uttak ved lodding eller bruk av isolasjonsforskyvningstilkoblinger (IDC). Loddetilkoblinger kan fremskynde produksjonen av kabelenheter i et fabrikkmiljø. IDC-tilkoblinger brukes ofte til å produsere kabelenheter i felten og kan redusere installasjonstiden med opptil 50 % på grunn av reduksjon i trådstripping, tvinning og lodding. Det er fire korresponderende koblingsfamilier, identifisert som 30, 31, 32 og 40. De tre første støtter forskjellige IDC-kabelstørrelser, der den fjerde brukes til loddeforbindelser:

• 30: IDC bruker ledningstykkelse AWG 26 til 28 (American wire gauge), med ytterdiameter på isolator fra 0,95 til 1,05 mm
• 31: IDC ved bruk av ledningstykkelser fra 24 til 25 AWG, med ytterdiameter på isolator fra 1,1 til 1,25 mm
• 32: IDC ved hjelp av 22 AWG wire, med ytterdiameter på isolator fra 1,4 til 1,6 mm
• 40: Håndloddet

Hirose tilbyr også ix-kontakter med tre konfigurasjoner på uttak og tre pluggkonfigurasjoner som passer til spesifikke behover i enkelte utrustninger (figur 4). Konfigurasjoner på uttak innbefatter:

• Oppreist rett vinkel som kan monteres parallelt med en avstand på 10 mm for å spare plass på kretskort i systemer med høy tetthet
• Vertikal (loddrett) type gjør at kontakten kan pares ovenfra
• Det lavprofile rettvinklede uttaket er 5,7 mm høy, mindre enn halvparten av høyden på en RJ45-kontakt

pluggkonfigurasjoner innbefatter:

• Rett kabling
• Rettvinklet kabling oppover
• Rettvinklet kabling nedover

Figur 4: Uttak er tilgjengelige i tre typer; en annen type vises på hvert av de tre kretskortene. Hvert kretskort inkluderer de tre typene ix-kontaktplugger (støpsel). (Bildekilde: Hirose)

Eksempler på ix-kontakter

I tillegg til konfigurasjonene og alternativene beskrevet ovenfor, tilbyr Hirose sine designere et utvalg av gullbelegg eller palladium-nikkelbelegg pluss gullbelegg på kontaktflatene. Eksempler på dusinvis av ix-kontakter fra Hirose inkluderer:

IX80G-B-10P(01), vertikalt uttak av type B med 0,75 mikrometer (μm) palladium-nikkel pluss 0,05 mikrometer gullbelegg

IX80G-A-10P(01), Type A vertikalt uttak med 0,75 μm palladium-nikkel og 0,05 μm gullbelegg i tillegg

IX61G-B-10P, Type B oppadrettet rettvinklet uttak med 0,2 μm gullbelegg

IX60G-A-10P, Type A rettvinklet uttak med 0,2 μm gullbelegg

IX31G-A-10S-CV(7.0), Type A rett plugg med 0,2 μm gullbelegg

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), Type A rettvinklet oppadgående plugg med 0,2 μm gullbelegg

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), Type B rettvinklet plugg med 0,2 μm gullbelegg

Feltmontering

Høy tilgjengelighet kreves i industrielle Ethernet-utrustninger, og feltsammenstilling av kabler kan være en viktig vurdering. Det kan fremskynde installasjonen av utstyr, spesielt i modulære arkitekturer for å lette rask utskifting av kabelenheter som har blitt utslitt eller skadet. For å dekke behovet for feltmontering, tilbyr Hirose kabelmonteringsverktøyet HT803/IXG-8/10S-63-72 som kan brukes med IDC ix-kontaktene IX30G, IX31G og IX32G (figur 5). Det er et kombinert verktøy for å klemme kabelen og pluggen sammen og senkeforme (sammenpresse) beskyttelseshuset på modulen/enheten. Når det gjelder loddede IX40G-kontakter, brukes den bare til senkeforming.

Figur 5: Dette håndverktøyet muliggjør feltproduksjon av IX-kabelmoduler. (Bildekilde: Hirose Electric)

Dette kabelmonteringsverktøyet er konstruert for å fungere med skjermede kabler fra 22 til 28 AWG med syv-leders glødede kobbertråder med ytterdiameter på isolator 6,3 til 7,2 mm. Utførelse er rask og enkel.

Klemming: Plasser pluggen i verktøyet med kodingsnøkkelen vendt opp, sett kabelen inn i pluggen. Klem håndtaket for å gjennomføre klemmingen. Verktøyet inkluderer en skrallemekanisme for å sikre at det ikke åpner seg før tilstrekkelig trykk er påført for å produsere en god, krympet forbindelse. Skrallen frigjøres automatisk, når det nødvendige trykket er oppnådd.

Senkeforming: Plasser et skjold og etui i verktøyet (en spesiell utskjæring er gitt for å sikre riktig plassering). Som med krympeprosessen (klemmeprosessen), sett pluggen inn i verktøyet med kodenøkkelen vendt opp. Klem sammen håndtaket til skrallen slipper for å fullføre senkeforming (sammenpressing).

Det er viktig å teste

Det kan være flere grunner til å teste Ethernet-kabler ute i felten. Ved første utplassering av utstyr eller utskifting av eksisterende kabler, kan testing bekrefte at kabelen oppfyller alle ytelseskrav. Kabeltesting er også nyttig ved feilsøking av installasjoner for å finne kilden til et problem. Det kan være mange kilder til feil i et Ethernet-nettverk, inkludert feil eller brudd i kontakter, kabel- eller skjerm og økt mottakelighet for EMI.

DSX-CHA-5-IX-S fra Hirose er et sett med to adaptere optimalisert for hastighetsfelttesting av ix-kontakter og kabelenheter (figur 6). Den er konstruert for bruk med DSX CableAnalyzer-testere fra Fluke Networks. Grundig testing etter IEEE 802.3-spesifikasjoner ved hjelp av disse adapterne kan gi resultater for bestått/ikke bestått, sammen med omfattende diagnostikk for å fremskynde identifiseringen av eventuelle problemer.

Figur 6: adapter Fluke DSX-CHA-5-IX-S øker hastigheten for felttesting av ix-kontakter og kabelmoduler/kabelenheter. (Bildekilde: Fluke)

Konklusjon

Designere kan bruke ix-kontakter for å støtte behovet i Industri 4.0-systemer for høy tetthet, robust tilkobling. Disse kontaktene er tilgjengelige i Ethernet- og ikke-Ethernet-konfigurasjoner, med forskjellige mekaniske konfigurasjoner tilgjengelig for å støtte en rekke behov vedrørende systemdesign. Loddeforbindelser kan brukes i høyvolumproduksjon, mens IDC-modeller er tilgjengelige for å lage kabelmoduler/kabelenheter i felten. Verktøy og testere er også lett tilgjengelige for å sikre at de resulterende kabelenhetene oppfyller alle ix-ytelseskravene.

Anbefalt lesing

1. Strøm over Ethernet (PoE – Power over Ethernet) i industriautomatisering