Sådan opfylder du kravene til industri 4.0 med høj tæthed og robuste tilslutningsmuligheder

Behovet for hurtig og pålidelig Ethernet-forbindelse med høj tæthed er stigende i industri 4.0-applikationer som f.eks. robotteknologi, maskine-vionsyn, controllere, servoforstærkere og servere. Ethernet-forbindelser i industri 4.0-enheder skal understøtte kommunikationshastigheder på op til 10 gigabit pr. sekund (Gbits/s), være beskyttet mod elektromagnetisk interferens (EMI), have sikre parrings- og låsemekanismer for at forhindre utilsigtet fjernelse af kabler, kunne modstå høje vibrationer og have lang levetid for parring/udparring. Disse stik skal være kompakte nok til at understøtte den stigende sammenkoblings- og systemtæthed i industri 4.0-applikationer.

Mens de gamle RJ45 Ethernet-stik kan opfylde nogle af disse krav, er de relativt genelle og giver ikke den fleksibilitet i installationen, der kræves i dagens design.

For at imødegå disse udfordringer kan designere i stedet henvende sig til ix industrielle stik til højhastigheds Ethernet-kabler, herunder Cat5e (1Gbit/s) og Cat6a (10 Gbit/s). Disse stik er 75 % mindre end RJ45-stik, giver et højt niveau af EMI-beskyttelse og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) for sikker datatransmission og opfylder kravene i IEC 61076-3-124.

Denne artikel begynder med en sammenligning af RJ45- og ix-industrielle stik. Derefter gennemgår vi type A og type B ix-stik tilslutning til Ethernet og ikke-Ethernet og de mange forskellige konfigurationsmuligheder, der er tilgængelige for ix-stik, sammen med nogle repræsentative stik fra Hirose. Vi afslutter med en præsentation af værktøjer til samling og test af ix-kabler for at sikre korrekt implementering.

RJ45 versus ix-stik

Mange industri 4.0-applikationer har brug for modulopbyggede tilslutningsmuligheder til hurtig implementering og rekonfiguration. Disse systemer kombinerer ofte gammelt udstyr med nyt design. De bruger højhastigheds-industrielt Ethernet og andre protokoller, der kræver interoperabilitet og høj tilgængelighed. De såkaldte RJ-stik er almindelige i ældre udstyr med RJ45-stik med otte ben og otte kontakter (8P8C) til grundlæggende Ethernet-tilslutning.

De nye industri 4.0-systemer kræver øget tæthed og fleksibilitet i forbindelserne. Ud over at være 75 % mindre end RJ45-løsninger giver ix-koblingsstik mulighed for parallel montering med 10 mm afstand, og seks ix-koblingsstik kan passe ind på samme plads på printkortet som tre RJ45-stik (Figur 1).

Figur 1: Deres 10 mm monteringsafstand gør det muligt at få seks ix-koblingsstik til at passe ind på den samme plads på printkortet som tre RJ45-koblingsstik. (Billedkilde: Hirose)

Robust og robust

IEC 61076-3-124 indeholder specifikationer for dimensioner, mekaniske, elektriske, transmissionskarakteristika og miljøkrav til ix-stik. ix-stikkene fra Hirose går videre end IEC 61076-3-124 og opfylder kravene i JIS E4031, den japanske industristandard for stød- og vibrationstest af rullende jernbanemateriel. De opfylder også GigE Visionkamera-interface standarden, der understøtter brugen af Gigabit Ethernet til hurtig billedoverførsel ved hjælp af meget lange og billige standardkabler. Deres højstrømskontakter understøtter brugen af Power over Ethernet (PoE) og PoE+ applikationer som specificeret i IEEE 802.3af og IEEE 802.3at.

ix-stik systemet blev designet med industrielle applikationer i tankerne fra starten, mens RJ45-stikket oprindeligt blev udviklet til brug i udstyr til forbruger- og erhvervstelefoni og er blevet tilpasset til brug i industrielle omgivelser. F.eks. har ix-stik to snap-in låsekroge af metal, der giver både haptisk og akustisk feedback for at bekræfte en sikker forbindelse mellem stik og koblingsstik. Industrielle RJ45-stik har en enkelt låsekrog.

Design af huset på ix-koblingsstikket giver mekanisk robusthed og forbedrer EMC-ydelsen. Disse koblingsstik har fem gennemgående-hul fastholdelse tapper, to på hver side og en i bageste mellem de to sæt af signalkontakter, mens RJ45 stik har kun tre tapper. Tapperne på ix-koblingsstik er også mere robuste sammenlignet med tapperne på RJ45-koblingsstik. Når de er loddet til printkortet, beskytter ix-koblingsstikkes tapper signalkontakterne mod stress, når et stik sættes sammen eller frakobles. De øger også stikkontaktens evne til at modstå stød og vibrationer. De loddede tapper er direkte forbundet til jorden på printkortet, hvilket forbedrer EMI-beskyttelsen (Figur 2).

Figur 2: Fem gennemgående hul tapper på koblingsstikket beskytter signalkontakterne, forbedrer stød- og vibrationsegenskaberne og forbedrer EMC-egenskaberne for ix-stik. (Billedkilde: Hirose)

Brugen af modulære og rekonfigurerbare systemer ændrer forventningerne til forbindelsernes ydeevne. Koblingsstikkene bliver ikke længere efterladt på plads i hele installationens levetid. Produktionsstationer, værktøjer og andre systemkomponenter skal kunne omarrangeres ofte for at understøtte den massetilpasning, der er et afgørende kendetegn for Industri 4.0. Som følge heraf kan et stik blive tilsluttet og frakoblet hundredvis eller tusindvis af gange i løbet af dets levetid. Hiroses ix-stik er designet og testet til 5.000 parringscyklusser og opfylder stadig alle kravene til ydeevne i IEC 61076-3-124.

Ikke-Ethernet forbindelser

IEC 61076-3-124 understøtter forbindelse til Ethernet og ikke-Ethernet. For at undgå fejltilslutninger anvendes separate mekaniske kodningsskemaer med betegnelsen "A" og "B" for henholdsvis Ethernet og ikke-Ethernet ix-stik (Figur 3):

• A-type ix-stik kan håndtere transmissionshastigheder på op til 10 Gbits/s. De kan understøtte PoE og PoE+ og kan identificeres ved at have en 45° polarisations skrå kant i det nederste venstre hjørne af stikket.
• 'B' type ix-stik er beregnet til brug i alle ikke-Ethernet applikationer, f.eks. signalering og forskellige serielle og andre industrielle kommunikationsprotokoller. De kan identificeres ved at have en 45° skrå kant i det øverste venstre hjørne af stikket.

Figur 3: ix-stik er tilgængelig med to mekaniske kodningsdesigns for at forhindre, at et Ethernet-stik sættes ind i et ikke-Ethernet koblingsstik og omvendt. (Billedkilde: Hirose)

Fleksibilitet i forbindelse med integration

Disse stik øger også fleksibiliteten i systemintegrationen. Kabler kan tilsluttes til ix-stikket ved lodning eller ved hjælp af IDC-forbindelser (insulation displacement connections). Lodningsforbindelser kan fremskynde produktionen af kabelsamlinger i et fabriksmiljø. IDC-forbindelser bruges ofte til at fremstille kabelsamlinger i marken og kan reducere installationstiden med op til 50 % på grund af den reducerede brug af afisolering, snoning og lodning af ledninger. Der er fire tilsvarende stikfamilier, som er identificeret som 30, 31, 32 og 40. De tre første understøtter forskellige IDC-kabelstørrelser, mens den fjerde bruges til loddeforbindelser:

• 30: IDC med trådstørrelse 26-28 AWG (American wire gauge) med en ydre isolatordiameter på mellem 0,95 og 1,05 mm
• 31: IDC med ledningsstørrelser 24 til 25 AWG med en ydre diameter på isolatoren på mellem 1,1 og 1,25 mm
• 32: IDC med 22 AWG-tråd med en ydre diameter på isolatoren på mellem 1,4 og 1,6 mm
• 40: Håndloddet

Hirose tilbyder også ix med tre konfigurationerne af koblingsstik og tre stikkonfigurationer, der passer til specifikke anvendelsesbehov (Figur 4). Konfigurationerne af koblingsstik omfatter:

• Oprejst retvinklet, der kan monteres parallelt med en afstand på 10 mm for at spare plads på printplader i systemer med høj tæthed
• Lodret type gør det muligt at sætte stikket sammen fra toppen
• Den lave profil med retvinklet koblingsstik er 5,7 mm høj, hvilket er mindre end halvdelen af højden af et RJ45-stik

Stikkonfigurationer omfatter:

• Lige kabelføring
• Retvinklet opadgående kabling
• Ret vinkel nedadgående kabling

Figur 4: Der findes tre forskellige typer af koblingsstik; der er vist en forskellig type på hver af de tre printplader. Hvert printkort indeholder disse tre typer af ix-stik. (Billedkilde: Hirose)

ix eksempler på stikforbindelser

Ud over de konfigurationer og muligheder, der er beskrevet ovenfor, tilbyder Hirose designere et valg af guldbelægning eller palladium-nikkelbelægning plus guldbelægning på kontaktfladerne. Eksempler på de snesevis af ix-stik fra Hirose omfatter:

IX80G-B-10P(01), type B lodret koblingsstik med 0,75 mikrometer (μm) palladium-nikkel plus 0,05 μm guldbelægning

IX80G-A-10P(01), type A lodret koblingsstik med 0,75 μm palladium-nikkel plus 0,05 μm guldbelægning

IX61G-B-10P, type B opadgående retvinklet koblingsstik med 0,2 μm guldbelægning

IX60G-A-10P, Type A retvinklet koblingsstik med 0,2 μm guldbelægning

IX31G-A-10S-CV(7.0), type A lige stik med 0,2 μm guldbelægning

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), type A retvinklet opadgående stik med 0,2 μm guldbelægning

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), type B retvinklet stik med 0,2 μm guldbelægning

Samling i marken

Der kræves høj tilgængelighed i industrielle Ethernet-applikationer, og montering af kabler i marken kan være en vigtig faktor. Det kan fremskynde installationen af udstyr, især i modulære arkitekturer for at lette hurtig udskiftning af kabelsamlinger, der er blevet slidt eller beskadiget. For at imødekomme behovet for montering i marken tilbyder Hirose HT803/IXG-8/10S-63-72 kabelmonteringsværktøjet, der kan bruges med IX30G, IX31G og IX32G IDC ix-stik (Figur 5). Det er et kombineret værktøj til swaging af kablet og stik og til krimpning af beskyttelseshuset på samlingen. I tilfælde af IX40G loddebare stik bruges den kun til swaging.

Figur 5: Dette håndværktøj gør det muligt at fremstille ix-kabelenheder i marken. (Billedkilde: Hirose Electric)

Dette kabelmonteringsværktøj er designet til at arbejde med afskærmede kabler fra 22 til 28 AWG med syv-strengede udglødte kobbertråde med en udvendig isoleringsdiameter fra 6,3 til 7,2 mm. Betjeningen er hurtig og enkel.

Krimpning: Sæt stikket i værktøjet med kodenøglen opad og sæt kablet ind i stikket. Tryk på håndtaget for at afslutte presningen. Værktøjet er udstyret med en skraldemekanisme, der sikrer, at det ikke åbnes, før der er lagt tilstrækkeligt tryk på for at skabe en god, krimpede forbindelse. Skralden udløses automatisk, når det ønskede tryk er opnået.

Swaging: Placer en skjold og et hylster i værktøjet (der er en speciel udskæring for at sikre korrekt placering). Ligesom ved krimpeprocessen skal stikket placeres i værktøjet med kodningsnøglen opad. Tryk på håndtaget, indtil spæret udløses for at afslutte swaging'en.

Test er vigtig

Der kan være flere grunde til at teste Ethernet-kabler i marken. Under den første installation af udstyr eller udskiftning af eksisterende kabler kan testning bekræfte, at kablet opfylder alle krav til ydeevne. Kabeltestning er også nyttig ved fejlfinding af installationer for at finde kilden til et problem. Der kan være mange kilder til fejl i et Ethernet-netværk, herunder defekte stik, brud på kabler eller afskærmning og øget modtagelighed for EMI.

DSX-CHA-5-IX-S fra Hirose er et sæt af to adaptere, der er optimeret til at fremskynde feltprøvning af ix-stik og kabelsamlinger (Figur 6). Det er designet til brug med DSX CableAnalyzer-testere fra Fluke Networks. Grundig testning i henhold til IEEE 802.3-specifikationerne ved hjælp af disse adaptere kan give resultater, der er godkendt/ikke godkendt, sammen med omfattende diagnostik for at fremskynde identifikationen af eventuelle problemer.

Figur 6: DSX-CHA-5-IX-S-adaptersættet fremskynder testning i marken af ix-stik og kabelsamlinger. (Billedkilde: Fluke)

Konklusion

Designere kan bruge ix-stik til at understøtte behovet i industri 4.0-systemer for høj tæthed og robuste tilslutningsmuligheder. Disse koblingsstik er tilgængelig i Ethernet og ikke-Ethernet konfigurationer med forskellige mekaniske konfigurationer til at understøtte en række forskellige systemdesignbehov. Loddeforbindelser kan bruges i produktionssituationer med store mængder, mens IDC-modeller er tilgængelige til fremstilling af kabelsamlinger i marken. Værktøjer og testere er også let tilgængelige for at sikre, at de resulterende kabelsamlinger opfylder alle krav til ydeevne.

Anbefalet læsning

1. PoE (Power over Ethernet) inden for industriel automatisering