Sådan bruger du industrielle USB-C-kabler til at sikre interoperabilitet, sænke omkostningerne og forbedre driftssikkerheden

Industrianlæg er et stadig mere komplekst net af ledninger, herunder netværk til IoT-knudepunkter (Internet of Things) sammen med digitale elektronikforbindelser. Mens digitale netværk er standardiseret ved hjælp af kablede protokoller som Ethernet og BACnet og trådløse netværksprotokoller som Wi-Fi og Bluetooth, kan den digitale sammenkobling mellem styringscomputere som f.eks. single board-computere (SBC'er) eller programmerbare logikcontrollere (PLC'er) og perifere enheder som f.eks. sensorer eller aktuatorer variere meget.

For at gøre tingene endnu mere forvirrende kan der i forbindelse med forbindelser anvendes en række forskellige kabler, stik og pinouts, der ligner hinanden meget, men som er fuldstændig inkompatible.

Det er systemdesignernes opgave at reducere disse inkompatibiliteter og sikre interoperabilitet, samtidig med at omkostningerne sænkes, systemets samling fremskyndes og pålideligheden forbedres på trods af de barske forhold i det industrielle miljø. En måde at opnå dette på er at standardisere en IP67- eller IP68-klassificeret USB-C-kabelsamling. Dette kan gøre livet meget lettere for teknikere ved at forbedre kompatibiliteten af kabelmontering på tværs af en række forskellige apparater.

I denne artikel beskrives problemerne med digitale forbindelser i industrielle applikationer, og hvordan standardisering af USB-C-kabler og -stik til simple digitale forbindelser kan løse mange af disse problemer. Derefter præsenteres en række USB-C-stik og kabelsamlinger med unikke egenskaber, herunder IP67-kompatibilitet, fra PEI-Genesis, Amphenol LTW og Bulgin, før det diskuteres, hvordan de kan give allestedsnærværende, pålidelige og robuste tilslutningsmuligheder til computer-til-sensor/aktuator-applikationer.

Digitale forbindelser i industriel automatisering

Industrielt udstyr styres af kontrolcomputere, som kan være en SBC, en PLC eller en nærved placeret bærbar computer. Kontrolcomputeren opretter ofte forbindelse til nærliggende enheder, der er nødvendige for udstyret, og som kan defineres bredt som sensorer. Disse omfatter afbrydere, optiske og miljømæssige sensorer og aktuatorer såsom motorer, solenoider og lys. For det meste tungt industrielt udstyr er det konstruktørerne hos udstyrsproducenten, der vælger den type stik, der anvendes til kabelenderne, og vælger den anvendte elektriske protokol. I forbindelse med en brugerdefineret industriel styring vælger og installerer ingeniører og teknikere computeren, aktuatorer, sensorer, stik og kabler. Når først stiktypen og den elektriske protokol er valgt, kan den ikke ændres senere uden en lang og dyr ombygningsproces. Når man planlægger den industrielle drift, er det derfor vigtigt at beslutte, hvilken type digitale forbindelser der skal bruges til sensorer og aktuatorer meget tidligt i designprocessen. Som med ethvert system, der i vid udstrækning anvender sammenkoblede digitale systemer, kan der spares mere tid og penge ved at standardisere udstyr, herunder kabler, jo større operationen er.

Når teknikere skal opsætte eller omkonfigurere udstyr, skal de have den rette kabling til rådighed med kompatible stiktermineringer. Ved første øjekast kan to elektrisk inkompatible kabelsamlinger se ens ud og kan endda have ens stik, der ser ud som om de næsten passer sammen, men som ikke passer sammen. Denne ikke-oplagte kompatibilitet kan frustrere teknikere og forsinke implementeringen af systemet. Selv ved brug af de rigtige kabler kan det tage flere forsøg at orientere et ikke-reversibelt keyed stik på kablet korrekt i forhold til udstyret for at sikre en solid forbindelse. I et miljø med svagt lys eller hvor det er vigtigt at kunne implementere hurtigt, reducerer standardisering på én kabelsamling frustrationer og sikrer samtidig interoperabilitet mellem maskiner. Det sparer ikke kun tid, men også omkostninger, da kabelsamlingen kan købes i store mængder.

Fordele ved USB-C til digital sammenkobling

For at løse problemet med allestedsnærværende digitale forbindelser er USB-C-kabelsamlinger velegnede til de fleste anvendelser mellem industrielt udstyr. USB-C-stik og -bøsninger er ikke keyed, dobbeltsidede bladkontakter, der er rotationssymmetriske. Dette sikrer en solid forbindelse ved første indsættelse, hvilket sparer tid og frustrationer, så teknikere ikke længere behøver at fumle for at orientere en keyet forbindelse. USB-C-kabler kan også levere strøm til sensoren eller aktuatoren, hvilket er en ekstra fordel.

Et industrielt anlæg kan standardiseres med USB-C-kabler og -stik for de fleste digitale forbindelser mellem kontrolcomputere og sensorer og aktuatorer, hvilket forenkler mængden af kabelsamlinger og interoperabiliteten af stik. Industrielle IP67 USB-C-kabler og -stik er kraftige og kan modstå varme, opløsningsmidler og væsker, der ofte findes i barske industrianlæg. USB-C industrikabler er også bygget til at minimere strøm- og signaltab og er mere tolerante over for misbrug og bøjnings- og vridningskræfter.

USB-C-stik kan understøtte USB 2.0 og USB 3.1. USB-C-standarden kræver, at USB 3.1-porte og kabelsamlinger skal være bagudkompatible med USB 2.0-hastigheder på 480 megabit pr. sekund (Mbits/s). Dette forhindrer kompatibilitetsproblemer ved at tillade USB 2.0-porte at bruge de samme kabelsæt som USB 3.1. USB 3.1 giver dog mulighed for meget højere hastigheder. USB 3.1 Gen 1-kabelsamlinger understøtter op til 5 gigabit pr. sekund (Gbits/s), mens USB Gen 2-kabelsamlinger understøtter op til 10 Gbits/s. For at identificere transmissionshastigheden skal kabelsamlinger med USB-C-stik i hver ende ifølge USB-specifikationen have en e-mærkechip indlejret i stikhuset, der identificerer kabelsamlingens maksimale strøm- og dataoverførselshastighed. Dataene i e-mærkechippen læses af USB-værten ved første indsættelse og informerer USB-værten om kablets maksimale transmissionshastighed, hvilket sikrer, at USB-værten sender data på passende vis. USB-C-kabelsamlinger, der kun understøtter USB 2.0-hastigheder, behøver ikke at have en e-mærkechip, så hvis der ikke sendes nogen chipdata, sender USB-værten data med 480 Mbits/s.

USB-C-standarden giver mulighed for en maksimal strømforsyning på 3 ampere (A) ved 5 volt DC, hvilket giver en samlet effekt på 15 watt. Dette er standarden for almindelige USB-kabelsamlinger. Specifikationen for USB 3.1 Gen 1 og senere tillader dog 5 A ved 20 volt for 100 watt strøm. USB-C-kabelsamlinger, der er designet til USB 3.1-strømforsyning, skal indeholde en e-mærkechip, der identificerer strømforsyningskapaciteten, ellers vil USB-værten standardmæssigt vælge 15 watt. Dette forbedrer sikkerheden ved at forhindre overbelastning, som kan ødelægge kablet.

Selv om fokus her er på standardisering af USB-C-kabelsamlinger til digitale forbindelser, er det vigtigt at være opmærksom på, at der findes tre forskellige kabelsamlingskapaciteter:

1. USB 2.0-tilstand: ingen e-mærkning, kan levere 15 watt strøm og 480 Mbits/s data
2. USB 3.1 Gen 1: e-mærkning, giver 100 watt strøm og 5 Gbits/s data
3. USB 3.1 Gen 2: e-mærkning, giver 100 watt strøm og 10 Gbits/s data

Hvis et USB-C-kabel med lavere kapacitet anvendes sammen med korrekt konfigurerede USB-C-værter og -enheder med højere kapacitet, vil USB-værten drosle strømmen og dataene til den lavere kapacitet. Dette øger sikkerheden ved at forhindre overbelastning af kablet og forbedrer samtidig pålideligheden ved at sikre kompatible datahastigheder. Et anlæg kan forenkle dette yderligere ved kun at bruge den standard, der giver den maksimale nødvendige strøm- og datatransmission. Medmindre et industrielt automatiseringsanlæg udfører operationer med mange data, f.eks. streaming af live-video, kan det være et sikkert valg at standardisere USB 3.1 Gen 1-kabelsamlinger. Typisk er 5 Gbit/s USB 3.1 Gen 1-kabler specificeret til maksimalt 2 meter (m), hvilket er tilstrækkeligt til, at kontrolcomputere kan oprette forbindelse til sensorer og aktuatorer i nærheden. Hvis der er behov for pålideligt at sende 10 Gbit/s data, er USB 3.1 Gen 2-kabler specificeret til højst 1 m, da det at sende 10 Gbit/s gennem længere kabler kan medføre datatab langs kabellængden på grund af signalrefleksion eller dæmpning.

USB-C-kabelsamlinger

For designere, der forventer at sende højhastighedsdata i et barskt miljø, findes der en række robuste og pålidelige løsninger. PEI-Genesis leverer f.eks. IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 Gen 2-kabelaggregatet (Figur 1). Kablet er 1 m langt og er klassificeret til drift ved temperaturer mellem -20 °C og +85 °C, hvilket er velegnet til de fleste barske industrielle miljøer. Kabelkappen er fremstillet af polyvinylchlorid (PVC), som har fremragende vandbestandighed og tolerance over for ultraviolette (UV) stråler. Kommercielle jakker kan revne eller misfarves ved længere tids udsættelse for sollys.

Figur 1: Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M er et 1 m USB-C-kabel til industrielle applikationer. Stikket med låsemøtrikspakningen giver en sikker IP67 vandtæt forbindelse til en sensor eller aktuator. De viste mål er i millimeter. (Billedkilde: PEI-Genesis)

IPUSB-31WPCPC-1M har et standard USB-C-stik i den ene ende af støbt PVC-resin med et USB-C-stik i rustfrit stål. Denne ende tilsluttes til et USB-værtsstik på SBC'en eller PLC'en. Den anden ende har et forseglet støbt stik med en nylonmøtrik og en gummipakning. Dette giver en solid og sikker IP67-tætning til sensoren eller aktuatoren.

Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M indeholder en indbygget e-mærkechip, der identificerer dens kapacitet i forhold til det tilsluttede udstyr. E-mærkningschippen fungerer i hele kabelsamlingens omåde fra -20 °C til +85 °C. Dette sikrer, at kablet kan identificeres korrekt, selv når udstyret er tændt ved begge ekstreme temperaturer.

USB-C-tilslutning i ekstreme miljøer

Til ekstremt barske miljøer tilbyder Amphenol LTW UC30FL-NCML-SC01 USB-C-kabelsamling på en meter (Figur 2). Hele kabellængden er omgivet af et polypropylenplastrør (PP), der yder ekstra beskyttelse mod stød, skærekræfter og belastning fra bøjning omkring hjørner. Ledningsrøret beskytter også det lukkede kabel, når det udsættes for ekstreme vibrationer. Ledningen er limet fast i hver ende af kablet og kan ikke fjernes.

Figur 2: UC30FL-NCML-SC01 USB-C-kabelaggregatet er indkapslet i en PP-rør, der beskytter det indkapslede kabel mod stød og hårde vibrationer. Målene er angivet i millimeter. (Billedkilde: Amphenol LTW)

Kabelsamlingen har et fælles USB-C-værtsstik i den ene ende, som sættes i USB-værten. Den anden ende har et kraftigt cirkulært stik med en forstærket aflastning. Det har et forseglet støbt stik med en silikonepakning, der er sikret med en nylonmøtrik. Dette giver en vandtæt, lufttæt forsegling, der er modstandsdygtig over for de fleste kemikalier. Kablet og det cirkulære stik er IP67-klassificeret, både når det er tilsluttet og ikke tilsluttet, hvilket beskytter det cirkulære USB-C-stik mod miljøet, selv når det ikke er tilsluttet.

UC30FL-NCML-SC01 er brandsikker i henhold til UL94V-0, hvilket betyder, at PP-kablet kan modstå op til 10 sekunders flammer. PP-kablet er også modstandsdygtigt over for olie, benzin og de fleste opløsningsmidler. Hvert stik kan fungere ved temperaturer fra -40 °C til +85 °C, mens nylonmøtrikken og PP-røret kan tåle højere temperaturer fra -40 °C til +115 °C. Dette gør denne kabelsamling særlig velegnet til tilslutning til sensorer og aktuatorer i industrielle benzinmotorer og generatorer.

Den indbyggede e-mærkechip identificerer kablet som værende kompatibelt med 5 Gbit/s dataoverførsler, hvilket passer til højhastighedsgeneratorer, der skal overvåge motorens drift konstant for at maksimere effektiviteten.

USB-sensorer i marine applikationer

I nogle tilfælde har udstyrets kontrolcomputer et USB-A-stik, men skal tilsluttes til et USB-C-stik. Dette kræver et kabel som Bulgins PXP404040/C/A/2M00 USB-A- til USB-C-kabelsamling (Figur 3). Dette kabel har et USB-A-stik i den ene ende og et cirkulært USB-C-stik i den anden ende og kan bruges ved temperaturer fra -40 °C til +80 °C. USB-C-stikket og -kablet kan fungere, når de er nedsænket under 10 m vand i to uger. Det er også modstandsdygtigt over for saltvand, hvilket gør det velegnet til udstyr til skibe, herunder industrimaskiner om bord på tankskibe og fragtskibe. Kabelsamlingen er klassificeret til IP68, bortset fra USB-A-stikket, som er klassificeret til IP66.

Figur 3: PXP404040/C/A/2M00 har et USB-A-stik i den ene ende og et USB-C-stik i den anden ende. Den er modstandsdygtig over for saltvand, og USB-C-stikket kan tåle at blive nedsænket i 10 m vand i op til to uger. (Billedkilde: Bulgin)

Bulgin PXP404040/C/A/2M00 har også en brændbarhedsklassificering på UL94V-0. Kabelkappen er fremstillet af PVC-resin, hvilket gør den velegnet til anvendelse på skibsdæk.

USB-C-kablet er fremstillet af polycarbonat-polybutylenterephthalat (PC/PBT), et materiale med høj styrke, der ofte bruges til bilkofangere. PC/PBT-stikhuset har høj modstandsdygtighed over for kemikalier og er tilstrækkeligt fleksibelt til at kunne tåle store påvirkninger i kolde temperaturer ned til -40 °C. Selv når det rammes med stor kraft, vil forbindelsesstykket modstå brud og knække elegant. Dette giver USB-sikkerhedssensorer modstandsdygtighed over for manipulation, herunder lynfrost, hvor et stik fryses hurtigt og derefter slås med en hammer.

USB-C-specifikationen tillader ikke, at en e-mærkningschip indlejres i et kabel, der har et USB-A-stik i den ene ende. Denne kabelsamling er specificeret til at levere op til 5 A og understøtte en datahastighed på op til 5 Gbit/s i en længde på 2 m, selv om nogle USB-C-periferiudstyr kan bemærke fraværet af en e-mærkechip og som standard indstilles til 480 Mbits/s.

Konklusion

Standardisering af USB-C-kabelsamlinger til digital sammenkobling i et industrielt miljø forenkler kabelbeholdningen og giver hurtig og nem tilslutning på grund af det rotationssymmetriske design af stikket og stikkontakten. USB-C-kabler kan identificere deres strøm- og dataoverførselskapacitet til værtscomputeren for at forhindre tab af data og farlige strømoverbelastningsforhold. Korrekt valg og brug af en passende USB-C-kabelkonfiguration i industrielle systemer kan også forbedre pålideligheden, reducere vedligeholdelsen og sænke de samlede omkostninger.