Bruk av høyhastighets, robuste Ethernet-kontakter for industrielle kommunikasjonsnettverk

IIoT (Industrial Internet of Things), eller Industri 4.0, driver etterspørselen etter kommunikasjonsnettverk som er i stand til å operere i utfordrende miljøer. Ofte er det svake leddet i disse nettverkene tilkoblinger, ettersom industrimiljøer er varme, skitne og vanligvis inneholder vibrerende maskiner, som alle belaster mekaniske tilkoblinger kontinuerlig og undergraver påliteligheten. Forverring av situasjonen er konsekvensene av en tilkoblingssvikt i en moderne fabrikk. Selv om det kan være økonomisk katastrofalt med tapt produksjon og raskt legge til et stort økonomisk tap, kan en mislykket sikkerhetstilkobling forårsake alvorlig skade. Dermed er et alternativ til standard RJ45-kontakten påkrevd.

Designere krever Ethernet-kontakter som er robuste nok til å oppfylle gjeldende industristandarder og IP-koder, uavhengig av hvor de skal plasseres i utgangspunktet. De må kunne yte pålitelig ved Cat 6A Ethernet-hastigheter opptil 10 gigabit per sekund (Gbps), støtte Power-over-Ethernet (PoE) og være så «fremtidssikre» som mulig, samtidig som de ofte oppfyller stramme designbudsjetter.

Denne artikkelen undersøker kravene til industrielle kommunikasjonssystemer og passende IP-nivåer. Den beskriver deretter hvordan funksjonene i industrielle Ethernet-kontakter oppfyller disse kravene før de introduserer virkelige løsninger fra Amphenol som eksempler for å vise ingeniører hvordan de skal bruke kontaktene til nye prosjekter.

Krav til industrinettverk

Moderne industri har i stor grad tatt i bruk kablet nettverk for å drive «Industri 4.0» (beskrevet som «digitalisering av produksjon») og bygge på datamatisering av sektoren som fant sted på slutten av 70-tallet og gjennom 80-tallet. For ledere lover Industri 4.0 økt produktivitet, høyere produktkvalitet, lavere priser og forbedret sikkerhet. For ingeniører er oppgaven å bygge robuste nettverk som støtter moderne produksjon.

Infrastrukturen for private og kommersielle Ethernet-nettverk er vanligvis basert på billige kabler og standard RJ45-kontakter, men disse komponentene er ikke konstruert for fabrikkanvendelser. Fabrikkmiljøet er mer utfordrende, valget av kabler og kontakter må ta hensyn til følgende stressfaktorer:

• Mekanisk: støt, vibrasjoner, knusing, bøyning, tvinning
• Kjemisk: vann, oljer, løsemidler, etsende gasser
• Miljø: ekstreme temperaturer, fuktighet, solstråling
• Elektrisk: elektrostatisk utladning (electrical: electrostatic discharge – ESD), elektromagnetisk interferens (electromagnetic interference – EMI), høyspenningstransienter

Industrikabler og kontakter må spesifiseres for å motstå de alvorligste forholdene som forventes gjennom hele nettverkets levetid. Det er for eksempel ikke mye bruk hvis en kabel er spesifisert for normale omgivelsestemperaturer hvis fabrikken senere omorganiseres slik at kabelen nå går nær prosessovner hvor temperaturen er mye høyere.

Industrikabler er tilgjengelige med høykvalitets polyuretanisolasjon, som er motstandsdyktig mot slitasje, kjemikalier (inkludert olje) og brann. Mens isolatorer som polyvinylklorid (PVC) er billigere, kan plasten angripes av oljer og kjemikalier, og blir sprø og sprekker ved lave temperaturer.

Bygge et industrielt Ethernet-nettverk

I lavt elektrisk støymiljø kan uskjermede tvunnede parkabler være akseptable. Industrielle enheter som buesveisere eller fabrikkens elektriske utstyr som brytereleer, vekselstrømsstasjoner eller solenoider kan imidlertid forårsake interferens og dataforstyrrelser i uskjermede kabler. Når du er i tvil, gjør ingeniøren klokt i å være forsiktig og bruke skjermet kabel for å forhindre potensielle kostbare systemfeil senere. Etter hvert som fabrikkene vokser, er det vanlig at kontroll- og strømkabler bruker kanaler som tidligere var dedikert til Ethernet-kommunikasjon. Dette kan generere datakorrupsjon hvis uskjermede Ethernet-kabler opprinnelig ble spesifisert.

En dobbeltskjermende konstruksjon, som bruker både folie og kobberflette, er den mest effektive løsningen for å forhindre datakorrupsjon. For å sikre at skjermingen fungerer som den skal, må ingeniøren også bruke skjermede kontakter og avslutte skjermen til jord. Hvis et skjold blir stående ubestemt, kan det faktisk forverre interferensproblemer ved å fungere som en antenne.

Selv med skjermede kabler forringes signalene når de beveger seg langs lange lengder. Kabler med ledere av massivtråd yter bedre og kan gi et maksimalt strekk på opptil 100 meter, men de er mer utsatt for skade fra bøyning eller tvinning. Flertrådede kabler håndterer tvinning og bøying bedre, men bør ikke brukes for strekk på mer enn 85 m (figur 1).

Figur 1: Ethernet-kabler av massivtråd for ledere bør begrenses til 100 meter i lengde, mens flertrådede kabelversjoner bør begrenses til 85 meter. (Bildekilde: Amphenol)

Ved konstruksjon av nettverket, er minste statiske bøyeradius fire ganger kabelens ytterdiameter (OD). Dette gjelder flertrådede eller massivtråd, skjermede eller uskjermede kabler. Der bøyning er påkrevd, bør kabler av massivtråd ikke brukes. Databladene for flertrådede kabler spesifiserer vanligvis de maksimale bøye-syklusene, som vanligvis er mellom én million og 10 millioner, avhengig av bøyningsradiusen.

Kablene bør festes med buntebånd (kabelstrips) som er løst nok til at kablene kan bevege seg fritt under båndet. Overstramming vil skape spenningspunkter som kan forårsake ledersvikt. Kablene bør også holdes løse innenfor buntebåndene (kabelstrips) når flere kabler er bundtet (stripset) sammen.

Fordi de aller fleste igangkjøringsfeil oppstår på grunn av feltledninger (fordi det er en vanskelig og tidskrevende oppgave å vedlikeholde de tvunnede parene og korrekt avslutte skjermen), anbefales det å bruke fabrikkmonterte støpte kontakter.

Konstruksjon for fremtiden

Selv om kablede nettverk gir viktige fordeler (som hastighet, signalintegritet og sikkerhet), er de dyre å installere og vedlikeholde. Designeren som har til oppgave å spesifisere nettverket, bør derfor ha ett øye med fremtiden for å sikre at infrastrukturen vil vare så lenge som mulig og kreve minimale reparasjoner.

Ethernets historie har sett stadig økende nettverkshastigheter. I fremtiden vil industrielle nettverk sannsynligvis bli dominert av optisk infrastruktur som tilbyr hastigheter på 400 Gbps eller til og med terrabit per sekund (Tbit/s – Tbps). For dagens kobbertrådinstallasjoner bør nøye valg av høykvalitets tvunnet parkabel og -kontakter se nettverket klare ikke bare strømhastigheter på 1 Gbps, men kommende 10 Gbps-tilkoblinger (tabell 1).

Tabell 1: Ethernet-kabelhastigheter og tilhørende Ethernet-driftsfrekvens, som vanligvis er proporsjonal med gjennomstrømningen. (Bildekilde: DigiKey)

Fabrikknettverk begynner også å dra nytte av PoE, en teknologi som bruker Ethernet-kabler til å levere strøm til tilkoblet utstyr. PoE benytter en standard Ethernet-infrastruktur mens de håndterer strøm i titalls watt. Teknologiens sentraliserte og fleksible natur eliminerer behovet for en lokal strømforsyning for hver strømdrevne enhet på nettverket, slik at strømdrevne enheter kan plasseres hvor som helst og enkelt flyttes senere om nødvendig.

En forbedret form for PoE, kalt PoE+, kan levere opptil 25,5 watt DC (likestrøm) til den tilkoblede enheten og tillater tilkobling av høyeffekttrekkutstyr som sikkerhetskameraer. (Se Digi-Keys tekniske artikkel, «Power-over-Ethernet tilpasser seg for å møte høyere etterspørsel».)

Akkurat som kabler og kontakter bør tilpasses for lik motstand mot mekanisk, kjemisk, miljømessig og elektrisk belastning, bør de også tilpasses for funksjonell ytelse. Maksimale driftsegenskaper vil bli diktert av den minst kapable komponenten i nettverket; for eksempel, hvis Cat 6a-kabler matches med Cat 6-kontakter, vil systemet ha en maksimal gjennomstrømning på 1 Gbit/s i stedet for kablenes nominelle maksimale gjennomstrømning på 10 Gbit/s.

Kontakter for industrinettverk

Selv om det er viktig at designeren nøye vurderer kabelvalg, ruting og Ethernet-frekvens når han bygger industrinettverk, er kontaktene den største utfordringen innenfor et Ethernet-nettverk. Dette skyldes at de representerer den svakeste koblingen. Ikke bare tilbyr kontakter potensiell inngang til vann og smuss, men de inkluderer også korte strekk hvor Ethernet-par ikke er tvunnet (u-tvunnet), og derfor er mer mottakelige for elektrisk støy.

Designeren må vurdere hvor kontaktene skal brukes, da fabrikkmiljøene varierer betraktelig. IP-koden bestemt av IEC-standard 60529 klassifiserer for eksempel graden av beskyttelse gitt av de mekaniske fôringsrørene og elektriske kabinettene som danner kontakten. Det første sifferet i koden angir graden av beskyttelse mot faste partikler (fra 0 (ingen beskyttelse) til 6 (støvtett)), mens den andre indikerer graden av beskyttelse mot væskeinntrengning (fra 0 (ingen beskyttelse) til 9K (kraftige vannstråler ved høy temperatur)).

En klassifisering på IP20 (beskyttelse mot fingre og lignende gjenstander, ingen beskyttelse mot fuktighet) for kontakter som brukes i rene, tørre fabrikkmiljøer er vanlig for mange industrielle kontakter. Amphenol sine ix Industrial Ip20-kontakter-kontakter er for eksempel høyhastighets, robuste 10-posisjonskomponenter som kommer i en pakke 70 prosent mindre enn en typisk RJ45.

Produsenter av kontakter gir vanligvis alternativer for høyere beskyttelse for bruk i gradvis skitnere og våtere miljøer, og amfenol er intet unntak. Ix Industrial IP20-linjen strekker seg fra IP20 for standardproduktet opp til IP67 (støvtett, nedsenking opptil 1 m dybde) for ikke-standardprodukter.

Nettverksdesigneren bør ha som mål å minimere antall tilkoblinger, spesielt ledningssett med hannkontakter i begge ender. Disse er for enkle for ikke-ingeniørpersonell å utvide - med skadelige konsekvenser for ytelsen til resten av nettverket. Dessuten er det vanlig praksis at alle faste kontakter er av hunntypen.

I likhet med andre produsenter er amfenolkontaktene tilgjengelige i hann-formater for kabler, og tre typer hunn-formater for faste installasjoner: vertikale beholdere for skott, rettvinklede vertikale (ND9AS1200) og horisontale (ND9BS3200) beholdere for PC-kortmontering (figur 2). PC-kortmonteringsversjonene leveres i overflatemonteringsteknologi (SMT) eller hullformede faktorer for enkel lodding til underlaget.

Figur 2: Amfenols ix Industrial-kontakter er tilgjengelige i en rekke plugger og beholdere for kabel-, skott- og PC-kortapplikasjoner. (Bildekilde: Amphenol)

Hannversjonen kan leveres individuelt (ND9AP5200) eller som en del av et kabelsett (ND9ACB250A) som måler i lengde fra 500 til 2000 mm.

En nyttig veiledning om kvaliteten på en kontakt er å sjekke om den oppfyller kravene i standarder som IEC 60512 og IEC 61076. IEC 60512 beskriver de mekaniske og elektriske testene, så vel som tersklene en kontakt skal oppfylle når den brukes med elektrisk og elektronisk utstyr. Standarden dekker mekaniske faktorer som innsettings- og tilbaketrekningskraft, vibrasjonsmotstand og maksimalt antall parringssykluser, samt elektriske faktorer som motstand på grunn av kontakt, skjerming og isolasjon.

Amphenol ix Industrial-kontaktene er utformet for å gi et robust, miniatyrbasert Ethernet-grensesnitt (i samsvar med de relevante IEC-standardene) med opptil 75 % plassbesparelse sammenlignet med standard RJ45-kontakter. Med 10 mm kontaktavstand og robust to-punkts metalllås tilbyr kontaktene Cat 6a-ytelse for opptil 10 Gbps Ethernet-kommunikasjon, PoE/PoE+-kapasitet og 360°-skjerming for EMI-immunitet.

PC-kortkontaktene har kraftige loddefliker for å sikre dem og er robuste nok til å tåle sjokk og vibrasjoner samtidig som de opprettholder en pålitelig tilkobling. De tåler opptil 5000 parringssykluser.

Tabell 2 og 3 beskriver hvordan ix Industrial-serien fungerer mot viktige aspekter av IEC 60512-standarden.

Tabell 2: Fra et elektrisk ståsted kan ix Industrial Ethernet-kontaktene håndtere strømmer opp til 1,5 A og oppfylle IEC 60512-kravene. (Bildekilde: DigiKey)

Tabell 3: ix Industrial-kontaktens mekaniske ytelse gjør det mulig å oppfylle IEC 60512 og 60068-kravene. (Bildekilde: DigiKey)

IEC 61076 er mer fokusert og dekker 10-veis, skjermet, fri og fast rektangulær kontakt for dataoverføring med frekvenser på opptil 500 megahertz (MHz). Dokumentet angir de felles dimensjonene, de mekaniske, elektriske og overføringsegenskapene, så vel som miljøkravene for industrinettverk.

Spesielt identifiserer IEC 61076 kodene som bestemmer posisjonen til kontaktenes polarisasjonsnøkkel og kontaktspor (kilespor). Type A-kontakter er beregnet for 100 megabit per sekund (Mb/s – Mbps) til 10 Gbit/s (Gbps)-Ethernet-kommunikasjon. Type B-tilkoblinger er beregnet for alle andre ikke-Ethernet-bruksområder som signalsystemer, serielle eller andre industrielle busskommunikasjonssystemer (figur 3 bokstav a) og b)).

Figur 3: IEC 61076 spesifiserer polarisering og kontaktspor (kilespor) for kontakter til dataoverføring. Type A (a) bruker et 45° hjørne plassert nederst til høyre i mottakeren (reseptoren) (sett innover i / mot paringsflaten). For type B (b) er det 45° kuttede hjørnet plassert på øvre venstre hjørne av mottakeren (reseptoren). (Bildekilde: Amphenol)

Konklusjon

Moderne fabrikker bygges med kommunikasjonsnettverk for å digitalisere produksjonen for større produktivitet og lavere kostnader. Koblingene og kablene som utgjør disse nettverkene må ikke bare være robuste nok til å motstå harde industrimiljøer, men også takle fremtidige høyhastighetskommunikasjon og PoE-krav.

Det finnes løsninger fra selskaper som Amfenol som tilbyr kabler og kontakter av industriell kvalitet designet for å nøyaktig møte disse utfordringene og fabrikkbudsjettene. De overholder krevende industrielle kontaktstandarder og inkluderer funksjoner som støtter høy nettverksytelse, utvidet levetid og krever minimalt vedlikehold. Som vist må imidlertid konstruktørene forstå de gjeldende standardene og både de elektriske og mekaniske begrensningene til kontaktene for å anvende dem på en hensiktsmessig måte for en vellykket IIoT- eller Industri 4.0-nettverksdesign.