Brug af hurtige, robuste Ethernet-konnektor til industrielle kommunikationsnetværk

Industrial Internet of Things (IIoT), eller Industry 4.0, driver efterspørgslen efter kommunikationsnetværk, der kan fungere i udfordrende miljøer. Ofte er det svage led i disse netværk-konnektorer, da industrielle miljøer er varme, beskidte og typisk indeholder vibrerende maskiner, som alle lægger konstant pres på mekaniske forbindelser og underminerer pålideligheden. Forværring af situationen er konsekvenserne af en forbindelsesfejl i en moderne fabrik. Selv om det kan være økonomisk katastrofalt med tabt produktion, der hurtigt øger et stort dollartab, kan en mislykket sikkerhedsforbindelse forårsage alvorlig skade. Som sådan kræves et alternativ til et standard RJ45-konnektor.

Designere har brug for Ethernet-konnektor, der er robuste nok til at opfylde de nuværende industrielle standarder og IP-koder (Ingress Protection), uanset hvor de skal placeres. De skal være i stand til at udføre pålideligt ved Cat 6A Ethernet-hastigheder på op til 10 gigabit/sekund (Gbps), understøtte Power-over-Ethernet (PoE) og være så "fremtidssikre" som muligt, alt imens de møder ofte stramme designbudgetter.

Denne artikel undersøger kravene til industrielle kommunikationssystemer og de relevante IP-niveauer. Derefter beskrives det, hvordan funktionerne i industrielle Ethernet-konnektor opfylder disse krav, inden de introducerer virkelige løsninger fra Amphenol som eksempler for at vise ingeniører, hvordan man bruger konnektorer til nye projekter.

Krav til industrielt netværk

Moderne industri har bredt taget ledningsnetværk til "Industri 4.0" (beskrevet som "digitalisering af fremstillingsindustrien") og bygger på edb-styring af den sektor, der opstod tilbage i slutningen af 70'erne og gennem 80'erne. For ledere lover Industry 4.0 øget produktivitet, produkt af højere kvalitet, lavere priser og forbedret sikkerhed. For ingeniører er opgaven at opbygge de robuste netværk, der understøtter moderne produktion.

Infrastrukturen til indenlandske og kommercielle Ethernet-netværk er generelt baseret på billige kabler og standard RJ45-konnektor, men disse komponenter er ikke designet til fabriksapplikationer. Fabriksmiljøet er mere udfordrende, og valget af kabler og konnektorer skal tage hensyn til følgende stressfaktorer:

• Mekanisk: Stød, vibrationer, knusning, bøjning, vridning
• Kemikalie: Vand, olier, opløsningsmidler, ætsende gasser
• Miljømæssige: Ekstreme temperaturer, fugtighed, solstråling
• Elektrisk: Elektrostatisk afladning (ESD), elektromagnetisk interferens (EMI), højspændingskablernes

Industrielle kabler og konnektorer skal specificeres, så de kan imødekomme de mest alvorlige forhold, der forventes gennem hele netværket. For eksempel er der ikke meget nytte, hvis et kabel er specificeret til normale antændelsestemperaturer, hvis fabrikken senere omarrangeres, så kablet nu løber nær procesovne, hvor temperaturen er meget højere.

Industrielle kabler fås med høj kvalitet hulmursisoleringers, der er modstandsdygtig over for slid, kemikalier (inklusive olie) og ild. Mens isolatorer som polyvinylklorid (PVC) er billigere, kan plasten angribes af olier og kemikalier og bliver sprød og revner ved lave temperaturer.

Opbygning af et industrielt Ethernet-netværk

I miljøer med lav elektrisk støj kan uskærmede, snoede kabler være acceptabelt. Imidlertid kan industrielle apparater som lysbuesvejsere eller elektrisk udstyr fra fabrikken, såsom koblingsrelæer, AC-strømsdrev eller solenoider forårsage interferens og dataforstyrrelse i uskærmede kabler. I tvivlstilfælde skal ingeniøren af forsigtighedhensyn bruge afskærmet kabel for at forhindre potentielle dyre systemfejl senere. Da fabrikker vokser, er det almindeligt, at kontrol- og strømkabler bruger kanaler, der tidligere var dedikeret til Ethernet-kommunikation. Dette kan generere datakorruption, hvis uskærmede Ethernet-kabler oprindeligt blev specificeret.

Et dobbeltafskærmende design, der bruger både folie og en kobberfletning, er den mest effektive løsning til forebyggelse af datakorruption. For at sikre, at afskærmningen fungerer korrekt, skal ingeniøren også bruge afskærmede konnektorer og afslutte skærmen til jord. Hvis et skjold efterlades uden terminering, kan det faktisk forværre interferensproblemer ved at fungere som en antenne.

Selv med afskærmede kabler nedbrydes signaler, når de bevæger sig over lange afstande. Kabler med solide ledere fungerer bedre og kan give en maksimal kørsel på op til 100 meter (m), men de er mere tilbøjelige til at blive beskadiget ved bøjning eller vridning. Kabler med snoede ledere håndterer vridning og bøjning bedre, men bør ikke bruges til længder større end 85 m (figur 1).

Figur 1: Ethernet-kabler med fast ledning skal være begrænset til 100 m i længden, mens strengede kabelversioner skal begrænses til 85 m. (Billedkilde: Amphenol)

Ved opbygning af netværket er den minimale statiske bøjningsradius fire gange kabeldiameteren (OD). Dette gælder for snoede eller solide, afskærmede eller uskærmede kabler. Hvor bøjning er påkrævet, bør faste ledningskabler ikke anvendes. Dataarkene for snoede kabler specificerer typisk de maksimale bøjningscyklusser, som typisk er mellem en million og 10 millioner afhængigt af bøjningsradius.

Kablerne skal sikres med kabelbånd, der er løst nok til, at kablerne bevæger sig frit under båndet. Stram spænding vil skabe belastningspunkter, der kan forårsage lederfejl. Kablerne skal også holdes løse i kabelbåndene, når flere kabler er samlet sammen.

Da langt størstedelen af fejl ved idriftsættelses opstår på grund af ledningsføring i marken (fordi det er et vanskeligt og tidskrævende job at opretholde de snoede par og afslutte skærmen korrekt), anbefales det at bruge fabriksmonterede støbte konnektorer.

Design for fremtiden

Mens kabelforbundne netværk medfører vigtige fordele (såsom hastighed, signalintegritet og sikkerhed), er de dyre at installere og vedligeholde. Designeren, der har til opgave at specificere netværket, bør derfor have et øje med fremtiden for at sikre, at infrastrukturen varer så længe som muligt og kræver minimal reparation.

Historien om Ethernet har set netværkshastigheder stige ubønhørligt. I fremtiden vil industrielle netværk sandsynligvis blive domineret af optisk infrastruktur, der tilbyder hastigheder på 400 Gbps eller endda terabit/sekund (Tbps). For dagens kobbertrådinstallationer skal omhyggeligt valg af højkvalitets twisted-pair-kabel og konnektorer se, at netværket ikke kun klarer de nuværende 1 Gbps-hastigheder, men kommende 10 Gbps-forbindelser (tabel 1).

Tabel 1: Ethernet-kabelhastigheder og den tilknyttede Ethernet-driftsfrekvens, som generelt er proportional med kapacitet. (Billedkilde: DigiKey)

Fabriksnetværk begynder også at drage fordel af PoE, en teknologi der bruger Ethernet-kabler til at levere strøm til tilsluttet udstyr. PoE bruger en enkelt standard Ethernet-infrastruktur, mens den håndterer strøm i snesevis af watt. Teknologiens centraliserede og fleksible natur eliminerer behovet for en lokal strømforsyning til hver strømforsynet enhed på netværket, hvilket gør det muligt for elektriske enheder at placeres hvor som helst og let flyttes senere, hvis det kræves.

En forbedret form for PoE, kaldet PoE+, kan levere op til 25,5 watt DC til den tilsluttede enhed og tillader tilslutning af udstyr med strømforbrug såsom sikkerhedskameraer. (Se Digi-Keys tekniske artikel, “Power-over-Ethernet tilpasser sig til at imødekomme højere efterspørgsel”.)

Ligesom kabler og konnektorer skal matches for at være lige modstandsdygtige over for mekanisk, kemisk, miljømæssig og elektrisk belastning, skal de også matches til funktionel ydelse. Maksimale driftsegenskaber dikteres af den mindst kompatible komponent i netværket; for eksempel, hvis Cat 6a-kabler matches med Cat 6-konnektor, vil systemet have en maksimal kapacitet på 1 Gbps i stedet for kablernes nominelle maksimale gennemstrømning på 10 Gbps.

Konnektorer til industrielle netværk

Selvom det er vigtigt, at designeren nøje overvejer valg af kabel, routing og Ethernet-frekvens, når de bygger industrielle netværk, er konnektorer den største designudfordring inden for et Ethernet-netværk. Dette er fordi de repræsenterer det svageste led; ikke kun tilbyder konnektorer potentielt indtrængen i vand og snavs, men de inkluderer også korte kørsler, hvor Ethernet-par ikke er drejet og derfor er mere modtagelige for elektrisk støj.

Designeren skal overveje, hvor konnektorer skal bruges, da fabriksmiljøer varierer betydeligt. For eksempel klassificerer IP-koden, bestemt af IEC-standard 60529, graden af beskyttelse, der leveres af de mekaniske hylstre og elektriske kabinetter, der danner konnektorer. Kodens første ciffer angiver graden af fast partikelbeskyttelse (fra 0 (ingen beskyttelse) til 6 (støvtæt)), mens den anden indikerer graden af beskyttelse mod væskeindtrængning (fra 0 (ingen beskyttelse) til 9K (kraftfulde vandstråler ved høj temperatur)).

En vurdering af IP20 (beskyttelse mod fingre og lignende genstande, ingen beskyttelse mod fugt) for konnektorer, der bruges i rene, tørre fabriksmiljøer, er almindeligt for mange industrielle konnektorer. For eksempel Amphenol's ix Industriel IP20-konnektor er højhastigheds, robuste komponenter med 10 positioner, der leveres i en pakke 70 procent mindre end en typisk RJ45-konnektor.

Producenter af konnektorer giver typisk muligheder for højere beskyttelse til brug i gradvis mere snavsede og våde miljøer, og Amphenol er ingen undtagelse. ix Industrial IP20-linjen strækker sig fra IP20 for standardproduktet op til IP67 (støvtæt, nedsænket op til 1 m dybde) for ikke-standardprodukter.

Netværksdesigneren skal sigte mod at minimere antallet af forbindelser, især ledningssæt med han-stik i begge ender. Disse er for lette for ikke-teknikere at udvide med skadelige konsekvenser for ydelsen af resten af netværket. Desuden er det almindelig praksis for alle faste konnektorer at være af hun-typen.

Til fælles med andre producenter er Amphenol's konnektorer tilgængelige i han-formfaktorer til kabler og tre typer hun-formefaktorer til faste installationer: Lodrette beholdere til skillehus, lodret (ND9AS1200) og vandret (ND9BS3200) beholdere til montering af pc-kort (figur 2). Pc-kort versionerne findes med overflademonteringsteknologi (SMT) eller gennemgående hulformfaktorer for nem lodning på underlaget.

Figur 2: Amphenols ix industrielle stik fås i en række konnektorer og stik til kabel-, skillehus- og pc-kortapplikationer. (Billedkilde: Amphenol)

Han-version kan leveres individuelt (ND9AP5200) eller som en del af et kabelsæt (ND9ACB250A) måler i længden fra 500 til 2000 millimeter (mm).

En nyttig guide til kvaliteten af et konnektorer er at kontrollere, om det opfylder kravene i standarder som IEC 60512 og IEC 61076. IEC 60512 beskriver de mekaniske og elektriske tests samt de tærskler, som en konnektor skal opfylde, når det bruges sammen med elektrisk og elektronisk udstyr. Standarden dækker mekaniske faktorer såsom indsættelse og tilbagetrækningskraft, vibrationsmodstand og det maksimale antal parringscyklusser samt elektriske faktorer såsom modstand på grund af kontakt, afskærmning og isolering.

Amphenol ix industrielle konnektorer er designet til at give en robust, miniaturiseret Ethernet-grænseflade (kompatibel med de relevante IEC-standarder) med op til 75 % pladsbesparelse sammenlignet med standard RJ45-konnektorer. Med 10 mm hældning og robust to-punkts metallåsning tilbyder Cat 6a konnektorer ydelse til op til 10 Gbps Ethernet-kommunikation, PoE/PoE+ -funktion og 360 °-afskærmning for EMI-immunitet.

Konnektorer til pc-kort har kraftige loddetapper for at sikre dem og er robuste nok til at udholde stød og vibrationer, samtidig med at en pålidelig forbindelse opretholdes. De kan modstå op til 5000 parringscyklusser.

Tabel 2 og 3 viser, hvordan ix Industrial-serien fungerer i forhold til vigtige aspekter af IEC 60512-standarden.

Tabel 2: Fra et elektrisk synspunkt kan ix Industrial Ethernet-konnektor håndtere strømme op til 1,5 A og opfylde IEC 60512-kravene. (Billedkilde: DigiKey)

Tabel 3: ix Industrial konnektorer mekaniske ydeevne giver dem mulighed for at opfylde IEC 60512 og 60068 krav. (Billedkilde: DigiKey)

IEC 61076 er mere fokuseret og dækker 10-vejs, afskærmet, frie og faste rektangulære konnektorer til datatransmission med frekvenser op til 500 megahertz (MHz). Dokumentet specificerer de fælles dimensioner, de mekaniske, elektriske og transmissionsegenskaber samt miljøkrav til industrielle netværk.

Især IEC 61076 identificerer kodningerne, der bestemmer placeringen af polarisationsnøgle og keyway konnektorer. Type A-konnektorer er beregnet til 100 megabit/sekund (Mbps) til 10 Gbps Ethernet-kommunikation. Type B-konnektorer er beregnet til alle andre ikke-Ethernet-applikationer såsom signalering, serielle eller andre industrielle buskommunikationssystemer (figur 3 (a) og (b)).

Figur 3: IEC 61076 specificerer polarisering og keyway for konnektorer til datatransmission. Type A (a) bruger et 45 ° hjørne placeret nederst til højre på receptoren (set i parringsfladen). For type B (b) er det 45 ° skårne hjørne placeret i det øverste venstre hjørne af receptoren. (Billedkilde: Amphenol)

Konklusion

Moderne fabrikker bygges med kommunikationsnetværk for at digitalisere produktionen for større produktivitet og lavere omkostninger. konnektorer og kabler, der udgør disse netværk, skal ikke kun være robuste nok til at stå op i barske industrielle miljøer, men også klare fremtidig højhastighedskommunikation og PoE-krav.

Der er løsninger fra virksomheder som Amphenol, der tilbyder kabler og konnektorer af industriel kvalitet, der er designet til nøjagtigt at imødekomme disse udfordringer og fabriksbudgetter. De overholder krævende industristikstandarder og inkluderer funktioner, der understøtter høj netværksydelse, forlænget levetid og kræver minimal vedligeholdelse. Som vist er designere imidlertid nødt til at forstå de gældende standarder og både de elektriske og mekaniske begrænsninger, for konnektorer, for at anvende dem korrekt mod et vellykket IIoT- eller Industry 4.0-netværksdesign.