Slik bruker du industrielle USB-C-kabler til å sikre driftskompatibilitet, redusere kostnader og bedre pålitelighet

Industrianlegg har blitt et stadig mer komplekst nett av kabling, som omfatter nettverksnoder for tingenes Internett (IoT) side ved side med digitale elektroniske sammenkoblinger. Selv om digitale nettverk er standardisert ved hjelp av kablede protokoller som Ethernet og BACnet og trådløse nettverksprotokoller som Wi-Fi og Bluetooth, kan den digitale sammenkoblingen mellom styringsdatamaskiner, for eksempel enkeltkortdatamaskiner (SBC) eller programmerbare logiske styringer (PLS), og periferiutstyr, for eksempel sensorer eller aktuatorer, variere kraftig.

For å gjøre ting enda mer forvirrende, kan sammenkoblingene bruke en rekke ulike kabler, kontakter og uttakspinner (pinouts) som ser veldig like ut, men som overhodet ikke er kompatible.

Byrden om å redusere disse inkompatibilitetene og sikre driftskompatibilitet – og samtidig redusere kostnader, akselerere systemmontering og forbedre pålitelighet, til tross for de tøffe forholdene i industrimiljøet – ligger hos systemutviklerne. En måte å oppnå dette på er å standardisere med en IP67- eller IP68-klassifisert USB-C-kabelmodul. Dette kan gjøre livet mye enklere for teknikere ved å forbedre kabelmodulens kompatibilitet på tvers av mye forskjellig utstyr.

Denne artikkelen beskriver problemene med digitale sammenkoblinger i industrielle konstruksjoner, samt hvordan standardisering med USB-C-kabler og -kontakter for enkle digitale sammenkoblinger kan løse mange av disse problemene. Den introduserer deretter en rekke USB-C-kontakter og -kabelmoduler med unike egenskaper, for eksempel IP67-samsvar, fra PEI-Genesis, Amphenol LTW og Bulgin, før den tar for seg hvordan de kan gi allment utbredt, pålitelig og robust konnektivitet til datamaskin-til-sensor/aktuator-konstruksjoner.

Digitale sammenkoblinger innen industriautomasjon

Industrielt utstyr håndteres av styringsdatamaskiner, som kan være en SBC, PLS eller bærbar datamaskin i nærheten. Styringsdatamaskinen kobles ofte til nærliggende enheter som trengs av utstyret, som generelt sett kan defineres som sensorer. Disse inkluderer brytere, optiske og miljømessige sensorer og aktuatorer som motorer, elektromagneter (solenoider) eller lys. For mesteparten av tungt industrielt utstyr, velger konstruktørene hos utstyrsprodusenten hvilken kontakttype som skal brukes for kabelendene og den elektriske protokollen som skal brukes. For en tilpasset industriell styring ,velger og installerer konstruktøren og teknikeren datamaskinen, aktuatorene, sensorene, kontaktene og kablene. Når kontakttypen og den elektriske protokollen er valgt, kan den ikke endres på et senere tidspunkt uten en lang og kostbar utbedringsprosess. Som sådan, når den industrielle driften planlegges, er det viktig å fastsette hvilken digital sammenkoblingstype som skal brukes for sensorer og aktuatorer veldig tidlig i konstruksjonsprosessen. I likhet med andre systemer som gjør utstrakt bruk av sammenkoblede digitale systemer, er det et faktum at jo større driften er, desto mer tid og penger kan spares ved å standardisere utstyr, inkludert kabler.

Når utstyret konfigureres eller rekonfigureres, må teknikerne ha riktig kabling lett tilgjengelig med kompatible kontaktterminaler. Ved første øyekast kan to elektrisk inkompatible kabelmoduler se like ut, og de kan til og med ha lignende kontakter som ser ut som de nesten passer, men som ikke gjør det. Denne ikke-åpenbare kompatibiliteten kan frustrere teknikere og forsinke systemdistribusjon. Selv når riktige kabler brukes, tar det ofte flere forsøk å orientere en ikke-reversibel sporet kontakt på kabelen til utstyret for å sikre en solid tilkobling. I omgivelser med lite lys eller der distribusjonshastighet er avgjørende, reduserer standardisering med én kabelmodul frustrasjoner og sikrer samtidig driftskompatibilitet mellom maskiner. Dette sparer ikke bare tid, men også kostnader ettersom kabelmodulen kan kjøpes i bulk.

Fordeler med USB-C for digital sammenkobling

For å adressere problemet med allment utbredt digital sammenkobling, er USB-C-kabelmoduler egnet for de fleste bruksområder mellom industrielt utstyr. USB-C-plugger og -uttak er dobbeltsidige flatkontakter uten spor som er rotasjonssymmetriske. Dette sikrer solid tilkobling ved første innsetting, noe som sparer tid og frustrasjon slik at teknikere ikke lenger trenger å fomle med å orientere en sporet kontakt riktig. USB-C-kabler kan også levere strøm til sensoren eller aktuatoren, noe som er en ekstra fordel.

Et industrianlegg kan standardiseres med USB-C-kabler og -kontakter for de fleste digitale sammenkoblinger mellom styringsdatamaskiner og tilknyttede sensorer og aktuatorer, noe som forenkler lagerbeholdning for kabelmoduler og driftskompatibilitet for kontakter. Industrielle IP67 USB-C-kabler og -kontakter er robuste, og de er motstandsdyktige mot varme, løsemidler og væske som vanligvis finnes i tøffe industrianlegg. USB-C-industrikabler er også bygget for å minimere strøm- og signaltap og er mer tolerante mot påkjenningene fra bøyning og vridning.

USB-C-kontakter kan støtte USB 2.0 og USB 3.1. USB-C-standarden krever at USB 3.1-porter og -kabelmoduler er bakoverkompatible med USB 2.0-hastigheter på 480 megabit per sekund (Mbits/s). Dette forhindrer kompatibilitetsproblemer ved å gjøre det mulig for USB 2.0-porter å bruke de samme kabelmodulene som USB 3.1. USB 3.1 kan imidlertid levere mye høyere hastigheter. USB 3.1 Gen 1-kabelmoduler støtter opptil 5 gigabit per sekund (Gbits/s), mens USB Gen 2-kabelmoduler støtter opptil 10 Gbits/s. For å identifisere overføringshastigheten, kreves det av USB-spesifikasjonen at kabelmoduler med USB-C-kontakter i hver ende har en e-markørbrikke integrert i kontakthuset, som identifiserer kabelmodulens maksimale strøm og dataoverføringshastighet. Dataene i e-markørbrikken leses av USB-verten ved første innsetting og informerer USB-verten om kabelens maksimale overføringshastighet, noe som sikrer at USB-verten sender data på riktig måte. USB-C-kabelenheter som bare støtter USB 2.0-hastigheter, trenger ikke å ha noen e-markørbrikke, så hvis det ikke sendes brikkedata vil USB-verten sende data med 480 Mbits/s.

USB-C-standarden tillater en maksimal strømforsyning på 3 ampere (A) ved 5 volt likestrøm, noe som gir totalt 15 watt. Dette er standarden for vanlige USB-kabelmoduler. Spesifikasjonen for USB 3.1 Gen 1 og nyere muliggjør imidlertid 5 A ved 20 volt, som er en effekt på 100 watt. USB-C-kabelmoduler som er konstruert for USB 3.1-strømforsyning må inneholde en e-markørbrikke som identifiserer strømforsyningskapasiteten. Hvis de ikke har noen brikke vil USB-verten bruke standarden på 15 watt. Dette forbedrer sikkerheten ved å forhindre tilstander med effektoverbelastning, noe som kan ødelegge kabelen.

Selv om fokuset her er standardisering av USB-C-kabelmoduler for digital sammenkobling, er det viktig å være oppmerksom på at det er tre kapasiteter for kabelmoduler:

1. USB 2.0-modus: ingen e-markør, kan forsyne 15 watt effekt og 480 Mbits/s data
2. USB 3.1 Gen 1: e-markør, forsyner 100 watt effekt og 5 Gbits/s data
3. USB 3.2 Gen 1: e-markør, forsyner 100 watt effekt og 10 Gbits/s data

Hvis en USB-C-kabel med lavere kapasitet brukes med riktig konfigurerte USB-C-verter og -enheter med høyere kapasitet, vil USB-verten redusere strøm og data til den lavere kapasiteten. Dette øker sikkerheten ved å forhindre effektoverbelastning på kabelen og samtidig forbedre påliteligheten ved å sørge for at datahastigheter er kompatible. Et anlegg kan forenkle dette ytterligere ved å kun bruke standarden som gir maksimal påkrevd effekt og dataoverføring. Med mindre et industriautomasjonsanlegg utfører operasjoner med høye datamengder, for eksempel strømming av sanntidsvideo, kan standardisering med USB 3.1 Gen 1-kabelmoduler være et trygt valg. Vanligvis er 5 Gbit/s USB 3.1 Gen 1-kabler spesifisert for maksimalt 2 meter (m), noe som er tilstrekkelig for at styringsdatamaskiner skal kunne koble seg til nærliggende sensorer og aktuatorer. Hvis det er behov for å sende 10 Gbit/s data på en pålitelig måte, er USB 3.1 Gen 2-kabler spesifisert for maksimalt 1 m, da sending av 10 Gbits/s gjennom lengre kabler kan forårsake tap av data langs kabellengden på grunn av signalrefleksjon eller -demping.

USB-C-kabelmoduler

For konstruktører som forventer å sende høyhastighetsdata i tøffe miljøer, finnes det en rekke robuste og pålitelige løsninger. For eksempel leverer PEI-Genesis kabelmodulen IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 Gen 2 (figur 1). Kabelen er 1 m lang og klassifisert for drift i omgivelser på mellom –20 °C og +85 °C, og den er egnet for de fleste tøffe industrimiljøer. Kabelkappen er laget av polyvinylklorid (PVC)-plast som har utmerket vannbestandighet og ultrafiolett (UV)-stråletoleranse. Kommersielle kapper kan sprekke eller misfarges under langvarig eksponering mot sollys.

Figur 1: Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M er en USB-C-kabelmodul på 1 m som er laget for industrielle konstruksjoner. Koblingen med låsemutterpakningen har en sikker, vanntett IP67-tilkobling til en sensor eller aktuator. Målene vises i millimeter. (Bildekilde: PEI-Genesis)

IPUSB-31WPCPC-1M har en standard USB-C-kontakt i den ene enden laget av støpt PVC-plast og en USB-C-plugg i rustfritt stål. Denne enden kobles til en USB-vertskontakt på SBC-en eller PLS-en. Den andre enden har en forseglet støpt plugg med en nylonlåsemutter og gummipakning. Dette resulterer i en solid og sikker IP67-tetning til sensoren eller aktuatoren.

Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M inneholder en innebygd e-markørbrikke som identifiserer kapasiteten til det tilkoblede utstyret. E-markørbrikken fungerer over kabelmodulens fulle temperaturområde på –20 °C til +85 °C. På denne måten kan kabelen identifiseres riktig selv når utstyret er slått på, uavhengig av temperaturen.

USB-C-konnektivitet i ekstreme omgivelser

For ekstremt røffe omgivelser, tilbyr Amphenol LTW den én meter lange UC30FL-NCML-SC01 USB-C-kabelmodulen (figur 2). Hele kabellengden er omgitt av en ledningskanal av polypropylenplast (PP) som gir ekstra beskyttelse mot støt, skjærekrefter og stress fra bøyning rundt hjørner. Kanalen beskytter også den omsluttede kabelen når den er under ekstrem vibrasjon. Kanalen er limt til hver ende av kabelen, så den kan ikke fjernes.

Figur 2: USB-C-kabelmodulen UC30FL-NCML-SC01 er omsluttet av en PP-kanal som beskytter den omsluttede kabelen mot støt og kraftige vibrasjoner. Målene er i millimeter. (Bildekilde: Amphenol LTW)

Kabelmodulen har en vanlig USB-C-vertskontakt i den ene enden som kobles til USB-verten. Den andre enden har en robust sirkulær kontakt med forsterket strekkavlastning. Den har en forseglet støpt plugg med en silikonpakning som er sikret på plass med en nylonlåsemutter. Dette gir en vanntett, lufttett tetning som er motstandsdyktig mot de fleste kjemikalier. Kabelen og den sirkulære kontakten er IP67-klassifisert, både paret og ikke-paret, og beskytter den sirkulære USB-C-pluggen mot omgivelsene selv når den ikke er tilkoblet.

UC30FL-NCML-SC01 er brannsikker i henhold til UL94V-0, noe som betyr at PP-kabelen tåler flammer i opptil 10 sekunder. PP-kabelen er også motstandsdyktig mot olje, bensin og de fleste løsemidler. Pluggene kan fungere i et temperaturområde på mellom –40 °C og +85 °C, mens nylonlåsemutteren og PP-rørledningen tåler høyere temperaturer, fra –40 °C til +115 °C. Dette gjør denne kabelmodulen spesielt godt egnet for tilkobling til sensorer og aktuatorer i industrielle bensinmotorer og -generatorer.

Den innebygde e-markørbrikken identifiserer at kabelen støtter dataoverføringer på 5 Gbit/s, noe som gjør den egnet for bensingeneratorer med høy hastighet som må overvåke motordriften kontinuerlig for å maksimere virkningsgrad.

USB-sensorer i marinekonstruksjoner

I noen tilfeller har styringsdatamaskinen for utstyret en USB-A-kontakt, men må kobles til en USB-C-kontakt. Dette krever en kabel som Bulgin sin USB-A til USB-C-kabelmodul PXP4040/C/A/2M00 (figur 3). Denne kabelen har en USB-A-plugg i den ene enden og en sirkulær USB-C-plugg i den andre enden, og fungerer i temperaturer på mellom –40 °C og +80 °C. USB-C-kontakten og -kabelen fungerer selv når den er nedsenket 10 m under vannoverflaten i to uker. Den er også motstandsdyktig mot saltvann, noe som gjør den egnet for marineutstyr, for eksempel industrimaskiner om bord på tankskip og lasteskip. Kabelmodulen er klassifisert IP68, bortsett fra USB-A-kontakten, som er klassifisert IP66.

Figur 3: PXP4040/C/A/2M00 har en USB-A-plugg i den ene enden og en USB-C-plugg i den andre. Den er motstandsdyktig mot saltvann, og USB-C-pluggen tåler å bli nedsenket 10 m under vannoverflaten i opptil to uker. (Bildekilde: Bulgin)

Bulgin PXP4040/C/A/2M00 har også en UL94V-0-brennbarhetsklassifisering. Kabelkappen er laget av PVC-plast, noe som gjør den godt egnet for bruk i konstruksjoner på skipsdekk.

USB-C-kabelkappen er laget av polykarbonat-polybutylentereftalat (PC/PBT), et sterkt materiale som ofte brukes i bilstøtfangere. PC/PBT-kontakthuset har høy motstand mot kjemikalier og nok fleksibilitet til å tåle kraftige støt i kuldegrader ned til –40 °C. Selv når kontakten treffes med høy kraft, vil den motstå brudd og sprekke kontrollert. Dette gir saboteringsmotstand for USB-sikkerhetssensorer, for eksempel fryseangrep der en kontakt blir hurtigfrosset og deretter slått med en hammer.

USB-C-spesifikasjonen tillater ikke at en e-markørbrikke er innebygd i en kabel som har en USB-A-plugg i den ene enden. Denne kabelenheten er spesifisert til å levere opptil 5 A og støtte en datahastighet på opptil 5 Gbit/s over lengden på 2 m, men noe USB-C-periferiutstyr kan detektere fravær av en e-markørbrikke, og dermed levere standarden på 480 Mbits/s.

Konklusjon

Standardisering med USB-C-kabelmoduler for digital sammenkobling i industrimiljøer forenkler lagerbeholdningen av kabler, og gir rask og enkel tilkobling takket være den rotasjonssymmetriske utformingen av pluggen og uttaket. USB-C-kabler kan identifisere effekt- og dataoverføringskapasiteten til vertsdatamaskinen sin for å forhindre datatap og farlige effektoverbelastninger. Riktig valg og bruk av egnet USB-C-kabelmodul i industrisystemer kan også forbedre pålitelighet, redusere vedlikehold og senke den samlede kostnaden.