Az Ipar 4.0 nagy sűrűségű és strapabíró csatlakozókra vonatkozó követelményeinek való megfelelés egyik módja

A nagy sűrűségű, gyors és megbízható Ethernet-kapcsolatok iránti igény egyre nő az Ipar 4.0 olyan felhasználási területein, mint a robotika, a gépi látás, a vezérlőegységek, a szervoerősítők és a kiszolgálók (vagy szerverek). Az Ipar 4.0-s eszközökben lévő Ethernet-kapcsolatoknak képeseknek kell lenniük 10 Gb/s adatátviteli sebességre, védetteknek kell lenniük az elektromágneses zavarokkal (EMI) szemben, biztonságos csatlakoztatási és reteszelési mechanizmusokat kell biztosítaniuk a kábel véletlen eltávolításának megakadályozására, ellen kell állniuk az erős rezgéseknek, és sok bedugást és kihúzást el kell viselniük. Ezeknek a csatlakozóknak elég kis méretűeknek kell lenniük ahhoz, hogy támogassák az Ipar 4.0-s alkalmazások növekvő összekapcsolási és rendszersűrűségét.

Bár a hagyományos RJ45 Ethernet-csatlakozók e követelmények egy részét képesek kielégíteni, viszonylag nagy méretűek, és nem teszik lehetővé a mai készülékek által megkövetelt szerelési rugalmasságot.

Hogy megfeleljenek ezeknek a kihívásoknak, a tervezők inkább ix ipari csatlakozókat használnak a nagy sebességű, többek közt Cat5e (1 Gb/s) és Cat6a (10 Gb/s) típusú Ethernet-kábelekhez. Ezek a csatlakozók 75%-kal kisebbek, mint az RJ45 csatlakozók, magas szintű elektromágneses zavarás (EMI) elleni védelmet és elektromágneses összeférhetőséget (EMC) kínálnak a biztonságos adatátvitelhez, és megfelelnek az IEC 61076-3-124 szabvány követelményeinek.

Ez a cikk az RJ45 csatlakozók és az ix ipari csatlakozók összehasonlításával kezdődik. Ezután megvizsgálja az ethernetes, illetve a nem ethernetes kapcsolatra szánt A és B típusú ix csatlakozókat, és áttekinti az ix csatlakozók különféle kialakítási változatait, valamint ismerteti a Hirose néhány jellegzetes csatlakozóját. A cikket az ix kábelek megfelelő kialakítását lehetővé tevő, azok szereléséhez szükséges szerszám, illetve tesztelésére való eszközök bemutatása zárja.

Az RJ45 és az ix csatlakozó összehasonlítása

A gyors kiépítés és átalakítás érdekében az Ipar 4.0 számos területén modulrendszerű csatlakozókra van szükség. Ezek a rendszerek gyakran kombinálják a régi berendezéseket új készülékekkel. Nagy sebességű ipari Ethernetet és más protokollokat használnak, amelyek együttműködési képességeket és nagyfokú rendelkezésre állást igényelnek. Az RJ (registered jack, szabványos csatlakozó) csatlakozók gyakoriak a régebbi berendezésekben, az alapszintű Ethernet-csatlakozásra a nyolcérintkezős, nyolc vezetékhelyes (8P8C) RJ45 típusú csatlakozók szolgálnak.

A nemrég megjelent Ipar 4.0-s rendszerek az összekapcsolási sűrűség és a rugalmasság növelését igénylik. Amellett, hogy az ix csatlakozók 75%-kal kisebbek, mint az RJ45 csatlakozók, lehetővé teszik a párhuzamosan, 10 mm-es távközökkel történő szerelést, és a nyomtatott áramköri (nyák) lap akkora területére, ahol három RJ45 csatlakozó fér el, hat ix csatlakozó szerelhető (1. ábra).

1. ábra: A 10 mm-es távközökkel történő szerelés lehetővé teszi, hogy akkora területre, ahol három RJ45 csatlakozó fér el, hat ix csatlakozó kerüljön (kép: Hirose)

Erős és strapabíró

Az ix csatlakozók méreteire, mechanikai, villamos és átviteli jellemzőire és környezetvédelmi követelményeire vonatkozó előírásokat az IEC 61076-3-124 szabvány tartalmazza. A Hirose ix csatlakozók túlteljesítik az IEC 61076-3-124 szabvány előírásait, és megfelelnek a JIS E4031, a vasúti gördülőállomány berendezéseinek ütés- és rezgésvizsgálatára vonatkozó japán ipari szabvány követelményeinek is. Megfelelnek a GigE Vision kameracsatlakozó-szabványnak is, amely támogatja a gigabites Ethernet használatát a nagyon hosszú és olcsó szabványos kábelek használatával történő gyors képátvitelhez. Nagyáramú érintkezőik támogatják az IEEE 802.3af és IEEE 802.3at szabványban meghatározott Power over Ethernet (PoE, Etherneten át történő áramellátás) és PoE+ áramellátás használatát is.

Az ix csatlakozórendszert kezdettől fogva az ipari alkalmazásokat szem előtt tartva tervezték, míg az RJ45 csatlakozót eredetileg fogyasztói és üzleti távközlési berendezésekhez fejlesztették ki, és csak később alakították át ipari felhasználási célokra. Az ix csatlakozók például két fémből készült, bepattanó reteszelőhoroggal vannak felszerelve, amelyek hallható és ujjal érzékelhető visszajelzést adnak a dugasz és a csatlakozóaljzat közötti biztonságos csatlakozás létrehozásának megerősítéseként. Az ipari RJ45 csatlakozók egyetlen reteszelőhoroggal vannak ellátva.

Az ix csatlakozóaljzatok burkolatának kialakítása garantálja a mechanikai tartósságot, és javítja az elektromágneses összeférhetőséget. Ezeknek az aljzatoknak a nyomtatott áramköri lapra rögzítéshez öt furatszerelt rögzítőfülük van, mindkét oldalon kettő és hátul egy, a két jelérintkezősor között, míg az RJ45 csatlakozók csak három rögzítőfüllel vannak ellátva. Az ix csatlakozóaljzatok rögzítőfülei erősebbek is az RJ45 aljzatok rögzítőfüleinél. A nyomtatott áramköri lapra forrasztva az ix aljzat rögzítőfülei védik a jelérintkezőket a csatlakozó csatlakoztatásakor és széthúzásakor jelentkező mechanikai a feszültségtől, és emellett növelik az aljzat ütés- és rezgésállóságát is. A forrasztott rögzítőfülek közvetlenül a nyomtatott áramköri lap testfelületéhez csatlakoznak, ami javítja az elektromágneses zavarás elleni védelmet (2. ábra).

2. ábra: Az aljzat öt furatszerelt rögzítőfüle egyben a jelérintkezőket is védi, és növeli az ix csatlakozók ütés- és rezgésállóságát, valamint javítja az elektromágneses összeférhetőséget (kép: Hirose)

A modulrendszerű és átalakítható rendszerek használata megváltoztatja a csatlakozók teljesítményével kapcsolatos elvárásokat. A csatlakozókat már nem hagyják a helyükön a készülék teljes élettartama alatt. A gyártási munkaállomásoknak, eszközöknek és a rendszer egyéb elemeinek alkalmasoknak kell lenniük a gyakori átrendezésre, hogy lehetővé tegyék a tömeges testreszabást, amely az Ipar 4.0 egyik meghatározó jellemzője. Ennek eredményeképpen előfordulhat, hogy egy csatlakozót az élettartama során több száz vagy több ezer alkalommal dugnak be és húznak ki. A Hirose ix csatlakozókat 5000 csatlakoztatási ciklusra tervezték és tesztelték, és emellett megfelelnek az IEC 61076-3-124 szabvány összes teljesítményre vonatkozó előírásának is.

Nem ethernetes kapcsolatok

Az IEC 61076-3-124 lehetővé teszi az ethernetes és a nem ethernetes csatlakozások létrehozását is. A téves csatlakoztatás elkerülése érdekében az ethernetes és a nem ethernetes ix csatlakozókhoz külön A és B jelű mechanikus kódolási kialakítást (reteszelést) használnak (3. ábra):

• Az A típusú ix csatlakozók akár 10 Gb/s átviteli sebességre is képesek. Támogatják a PoE és PoE+ technikát, és az aljzat bal alsó sarkának 45°-ban csapott lesarkításáról ismerhetők fel.
• A B típusú ix csatlakozókat az összes nem ethernetes felhasználáshoz, például jelátvitelhez, valamint különböző soros és egyéb ipari kommunikációs protokollokhoz tervezték. Ezt a típust az aljzat bal felső sarkának 45°-ban csapott lesarkításáról lehet felismerni.

3. ábra: Az ix csatlakozók kétféle mechanikus kódolási kialakítással kaphatóak, hogy megakadályozzák az Ethernet-dugasz nem Ethernet-aljzatba történő bedugását és fordítva (kép: Hirose)

Összeépítési rugalmasság

Ezek a csatlakozók a rendszerek összeépítési rugalmasságát is növelik. A ix csatlakozóaljzatokhoz forrasztással vagy szigetelésátszúrásos csatlakoztatással (IDC) lehet csatlakoztatni a kábeleket. A forrasztott csatlakoztatás gyári környezetben felgyorsíthatja a kábelek gyártását. Az IDC-csatlakoztatást gyakran használják a kábelek helyszíni előállításához. A szigetelésátszúrásos csatlakoztatás a vezetéklecsupaszítás, csavarás és forrasztás kiküszöbölésének köszönhetően akár 50%-kal is csökkentheti a szerelési időt. Négyféle csatlakozócsalád létezik, amelyeket a 30, 31, 32 és 40 kódszámmal azonosítanak. Az első három különböző méretű IDC-kábelekhez, a negyedik pedig forrasztott csatlakoztatásokhoz használható:

• 30: IDC-csatlakoztatáshoz, 26–28 AWG (0,32–0,4 mm huzalátmérő) huzalméret, amelynél a szigetelőanyag külső átmérője 0,95–1,05 mm közötti.
• 31: IDC-csatlakoztatáshoz, 24–25 AWG (0,45–0,51 mm huzalátmérő) huzalméret, amelynél a szigetelőanyag külső átmérője 1,1–1,25 mm közötti.
• 32: IDC-csatlakoztatáshoz, 22 AWG (0,64 mm huzalátmérő) huzalméret, amelynél a szigetelőanyag külső átmérője 1,4–1,6 mm közötti.
• 40: kézzel forrasztott csatlakoztatáshoz.

A Hirose ezenkívül az ix csatlakozókat háromféle csatlakozóaljzat- és háromféle dugaszkialakítással kínálja, hogy megfeleljen az egyedi felhasználási igényeknek (4. ábra). Az aljzatkialakítások a következők:

• Függőleges derékszögű kialakítás, 10 mm-es távközökkel párhuzamosan szerelhető, hogy nagy sűrűségű rendszerekben helyet takarítson meg a nyomtatott áramköri lapon.
• Függőleges kialakítás, amely lehetővé teszi, hogy a csatlakozót felülről dugják bele.
• Lapos derékszögű aljzatkialakítás, 5,7 mm magas, ami kevesebb mint fele egy RJ45 csatlakozó magasságának.

A dugaszkialakítások a következők:

• Egyenes kábelezéshez való
• Derékszögben felfelé irányuló kábelezéshez való
• Derékszögben lefelé irányuló kábelezéshez való

4. ábra: A csatlakozóaljzatok háromféle kialakításban kaphatók, mindegyik áramköri lapon egy-egy változat látható. A háromféle kialakítású ix csatlakozódugasz mindhárom áramköri lap esetében szerepel a képen (kép: Hirose)

Példák ix csatlakozókra

A fent részletezett típusok és kialakítások mellett a Hirose aranyozott, illetve palládiumozott-nikkelezett plusz aranyozott érintkezőfelületű csatlakozókat is kínál a tervezőknek. Néhány példa a Hirose több tucatnyi ix csatlakozója közül:

IX80G-B-10P(01), B típusú függőleges csatlakozóaljzat 0,75 μm palládium-nikkel és 0,05 μm aranybevonattal

IX80G-A-10P(01), A típusú függőleges csatlakozóaljzat 0,75 μm palládium-nikkel és 0,05 μm aranybevonattal

IX61G-B-10P, B típusú, felfelé álló derékszögű csatlakozóaljzat 0,2 μm aranybevonattal

IX60G-A-10P, A típusú derékszögű csatlakozóaljzat 0,2 μm aranybevonattal

IX31G-A-10S-CV(7.0), A típusú egyenes csatlakozódugasz 0,2 μm aranybevonattal

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), A típusú, felfelé álló derékszögű csatlakozódugasz 0,2 μm aranybevonattal

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), B típusú, lefelé álló derékszögű csatlakozódugasz 0,2 μm aranybevonattal

Helyszíni összeszerelés

Az ipari Ethernet-alkalmazásokban nagyfokú rendelkezésre állásra van szükség, és fontos szempont lehet a kábelezés helyszíni összeszerelése. Ez felgyorsíthatja a berendezések kiépítését, különösen a modulrendszerűen felépülő rendszereknél, és megkönnyítheti az elhasználódott vagy sérült kábelek gyors cseréjét. A helyszíni összeszerelési igények kielégítésére a Hirose a HT803/IXG-8/10S-63-72 kábelszerelő szerszámot kínálja, amely az IX30G, IX31G és IX32G IDC (szigetelésátszúrásos) ix csatlakozókhoz használható (5. ábra). Ez egy kombinált szerszám a kábel és a dugasz összepréseléséhez, valamint a védőburkolatnak a szerelvényre sajtolásához. Az IX40G forrasztott csatlakozók esetében csak a védőburkolat felsajtoláshoz használják.

5. ábra: Ez a kéziszerszám lehetővé teszi az ix kábelek helyszíni gyártását (kép: Hirose Electric)

Ezt a kábelszerelő szerszámot 22–28 AWG méretű (huzalátmérő: 0,32–0,64 mm), hétszálas, lágy rézhuzalokból álló, 6,3–7,2 mm külső szigetelésátmérőjű árnyékolt kábelekhez tervezték. A használata gyors és egyszerű.

Préselés: Helyezze a dugaszt a szerszámba úgy, hogy a lesarkítás (kódolóretesz) felfelé nézzen, és helyezze a kábelt a dugaszba. A préselés elvégzéséhez nyomja meg a szerszám nyelét. A szerszám kilincsműves (racsnis) mechanizmussal van ellátva, amely biztosítja, hogy nem nyílik ki, amíg elegendő nyomást nem fejtenek ki a jó préselt csatlakozáshoz. A kívánt nyomást elérésekor a racsni automatikusan kiold.

Felsajtolás: Helyezze az árnyékolólemezt és a védőburkolatot a szerszámba (a megfelelő elhelyezéshez egy speciális kivágás van a szerszámon). Akárcsak a préselésnél, helyezze a dugaszt a szerszámba úgy, hogy a lesarkítás (kódolóretesz) felfelé nézzen. A felsajtolás elvégzéséhez nyomja addig a szerszám nyelét, amíg a racsni ki nem enged.

Fontos a tesztelés

Az Ethernet-kábelek helyszíni tesztelésének több oka is lehet. A berendezés kiépítése vagy a meglévő kábelezés cseréje során a teszteléssel igazolható, hogy a kábel megfelel a teljesítményre vonatkozó összes előírásnak. A kábeltesztelés a hibakeresés során is hasznos, hogy pontosan meg lehessen határozni a hiba forrását. Az Ethernet-hálózatban számos hibaforrás lehet, beleértve a meghibásodott csatlakozókat, a kábel- vagy árnyékolásszakadásokat és az elektromágneses zavarokra való fokozott érzékenységet.

A Hirose DSX-CHA-5-IX-S egy két adapterből álló készlet, amely az ix csatlakozók és kábelek helyszíni tesztelésének felgyorsítására van optimalizálva (6. ábra). A terméket a Fluke Networks DSX CableAnalyzer ellenőrző készülékeivel való használatra tervezték. Az ezekkel az adapterekkel végzett, az IEEE 802.3 szabvány előírásainak való megfelelést ellenőrző alapos tesztelés megfelelő/nem megfelelő eredményt ad, valamint kiterjedt diagnosztikával gyorsítja a hibák behatárolását.

6. ábra: A DSX-CHA-5-IX-S adapterkészlet felgyorsítja az ix csatlakozók és kábelek helyszíni tesztelését (kép: Fluke)

Összegzés

A tervezők az ix csatlakozókkal elégíthetik ki az Ipar 4.0-s rendszerek nagy sűrűségű, strapabíró csatlakozók iránti igényét. Ezek a csatlakozók ethernetes és nem ethernetes változatban, különböző mechanikai kialakításokkal kaphatóak, hogy segítsék a különböző rendszertervezési elképzeléseket. A forrasztott csatlakozók tömeggyártási környezetben használhatók, míg a szigetelésátszúrásos (IDC) változatok a kábelek helyszínen történő elkészítésére alkalmasak. Szerszámok és ellenőrző berendezések is készen kaphatóak annak szavatolására, hogy az elkészült kábelek megfeleljenek az ix csatlakozók teljesítményére vonatkozó összes előírásnak.

Ajánlott olvasnivaló

1. Power over Ethernet (PoE) in Industrial Automation (Power over Ethernet (PoE, Etherneten át történő áramellátás) az ipari automatizálásban)