Ipari USB-C kábelek használata az összekapcsolhatóság biztosítása, a költségek csökkentése és a megbízhatóság növelése érdekében

Az ipari létesítmények egyre bonyolultabb vezetékhálózatot alkotnak, a digitális elektronikai összeköttetések mellett beleértve a dolgok internetéhez (IoT) tartozó csomópontok hálózatát is. Míg a digitális hálózatok az olyan vezetékes protokollok, mint az Ethernet és a BACnet, valamint olyan vezeték nélküli hálózati protokollok, mint a Wi-Fi és a Bluetooth segítségével szabványosítva vannak, a vezérlő számítógépek, például az egykártyás számítógépek (SBC-k) vagy a programozható logikai vezérlőegységek (PLC-k) és a perifériák, például az érzékelők vagy a működtetőelemek közötti digitális összeköttetés nagymértékben változhat.

A dolgokat még zavarosabbá teszi, hogy az összeköttetések különféle kábeleket, csatlakozókat és érintkezőkiosztásokat használhatnak, amelyek nagyon hasonlónak tűnnek, de teljesen inkompatibilisek.

A rendszertervezőkre hárul a feladat, hogy csökkentsék ezeket az inkompatibilitásokat, és biztosítsák a rendszerek együttműködését, miközben csökkentik a költségeket, felgyorsítják a rendszer összeszerelését, és javítják a megbízhatóságot is, az ipari környezet zord körülményei ellenére. Ennek egyik módja az IP67-es vagy IP68-as védettségi besorolású USB-C kábelek szabványosítása. Ez nagyban megkönnyítheti a szerelők életét azáltal, hogy javítja a különböző berendezésekhez használt kábelek kompatibilitását.

Ez a cikk az ipari célú készülékek digitális összeköttetéseinek problémáit ismerteti, és azt, hogy az egyszerű digitális összeköttetéshez használt USB-C kábelek és csatlakozók szabványosítása hogyan oldhat meg számos ilyen problémát. Ezután bemutatja a PEI-Genesis, az Amphenol LTW és a Bulgin (az IP67-es védettséget is beleértve) egyedi jellemzőkkel rendelkező különböző USB-C csatlakozóit és kábeleit, majd kitárgyalja, hogyan biztosíthatnak ezek általános, megbízható és strapabíró csatlakozást a számítógép és az érzékelő vagy működtetőelem összekötése területén.

Digitális összeköttetés az ipari automatizálásban

Az ipari berendezéseket vezérlő számítógépek kezelik. Ez a számítógép lehet SBC, PLC vagy egy közeli laptop. A vezérlő számítógép gyakran csatlakozik a berendezés által igényelt közeli eszközökhöz, amelyeket tág értelemben érzékelőknek nevezhetünk. Ezek közé tartoznak a kapcsolók, optikai és környezetijellemző-érzékelők, valamint az olyan működtetőelemek, mint a motorok, a mágnesszelepek és a lámpák. A legtöbb nehézipari berendezés esetében a berendezés gyártójának tervezői választják ki a kábelvégeken használt csatlakozótípust és az alkalmazott villamos protokollt. Egy egyedi ipari vezérlés esetében a mérnökök és a szerelők kiválasztják és beszerelik a számítógépet, a működtetőelemeket, az érzékelőket, a csatlakozókat és a kábeleket. A csatlakozótípus és a villamos protokoll kiválasztása után a rendszert a későbbiekben csak hosszú és költséges átépítési folyamat révén lehet megváltoztatni. Ezért az ipari tevékenység tervezésekor fontos, hogy már a tervezési folyamat korai szakaszában eldöntsük, milyen típusú digitális összeköttetést használunk az érzékelőkhöz és működtetőelemekhez. Mint minden olyan rendszer esetében, amely kiterjedten használja az összekapcsolt digitális rendszereket, minél nagyobb a tevékenységi terület, annál több időt és pénzt lehet megtakarítani a berendezések szabványosításával, beleértve a kábeleket is.

A berendezések kialakításakor vagy átalakításakor a szerelőknek a megfelelő, azonnal használható kábelezéssel és kompatibilis csatlakozókkal kell rendelkezniük. Első pillantásra két villamosan nem kompatibilis kábel nézhet ki ugyanúgy, és még a csatlakozóik is lehetnek hasonlóak, úgy nézve ki, mintha majdnem illeszkednének egymáshoz, de mégsem. Ez az első látásra nem szembeötlő inkompatibilitás elkedvetlenítheti a szerelőket, és késleltetheti a rendszer üzembe helyezését. Még megfelelő kábelek használata esetén is több kísérletre lehet szükség ahhoz, hogy a kábel téves csatlakoztatás ellen védett, csak egyféleképpen bedugható csatlakozóját megfelelően a berendezéshez igazítsa, hogy biztonságos legyen a kapcsolat. Rossz fényviszonyok között, vagy ahol lényeges az üzembe helyezés gyorsasága, az egy kábeltípusra való átállás csökkenti a csatlakoztatás meghiúsulását, miközben biztosítja a gépek egymáshoz kapcsolhatóságát. Ez nemcsak időt takarít meg, hanem költségeket is, mivel a kábeleket nagy tételben lehet megvásárolni.

Az USB-C előnyei a digitális összeköttetéshez

Az általános digitális összeköttetés problémájának megoldásaként az USB-C kábelek alkalmasak az ipari berendezések közötti legtöbb összeköttetésre. Az USB-C dugók és aljzatok mindkét irányban csatlakoztatható, kétoldalas, forgásszimmetrikus élcsatlakozók. Ez már első behelyezéskor biztonságos kapcsolatot teremt, időt és idegeskedést takarítva meg, mert így a szerelőknek nem kell többé tapogatózniuk a csak egyféleképpen csatlakoztatható csatlakozó megfelelő tájolásához. Az USB-C kábelek az érzékelő vagy a működtetőelem áramellátását is képesek biztosítani, ami további előnyt jelent.

Az ipari létesítmények általánossá tehetik az USB-C kábeleket és csatlakozókat a vezérlő számítógépek, valamint az érzékelők és működtetőelemek közötti legtöbb digitális összeköttetéshez, egyszerűsítve a kábelkészletet és a csatlakozók egymással való szabatosságát. Az ipari IP67-es USB-C kábelek és csatlakozók nagy teherbírásúak, és ellenállnak a hőnek, az oldószereknek és a folyadékoknak, amelyek az ipari létesítményekben olykor uralkodó zord körülmények között gyakran előfordulnak. Az ipari USB-C kábelek úgy vannak kialakítva, hogy minimálisra csökkentsék az áram- és jelveszteséget, és jobban tűrik a hajlító és csavaró erők okozta igénybevételeket.

Az USB-C csatlakozók az USB 2.0 vagy az USB 3.1 szabványt támogatják. Az USB-C szabvány megköveteli, hogy az USB 3.1 portok és kábelek visszafelé kompatibilisek legyenek az USB 2.0 szabvány 480 Mb/s (megabit/másodperc) sebességével. Ez elejét veszi a kompatibilitási problémáknak, mert így az USB 2.0 portokhoz használhatóak ugyanazok a kábelek, mint az USB 3.1 portokhoz. Az USB 3.1 azonban sokkal nagyobb sebességet tesz lehetővé. Az 1. generációs USB 3.1 (USB 3.1 Gen 1) kábelekkel akár 5 Gb/s (gigabit/másodperc), míg a 2. generációs USB 3.1 (USB 3.1 Gen 2) kábelekkel akár 10 Gb/s átviteli sebesség is elérhető. Az átviteli sebesség meghatározása érdekében az USB-szabvány előírja, hogy az USB-C csatlakozókkal ellátott kábelek mindkét végén a csatlakozóházba beágyazott e-jelölő lapkát kell elhelyezni, amely azonosítja a kábel legnagyobb áramerősségét és adatátviteli sebességét. Az e-jelölő lapka (e-marker chip) adatait az USB-gazdagép az első behelyezéskor beolvassa, és a lapka tájékoztatja az USB-gazdagépet a kábel legnagyobb átviteli sebességéről, biztosítva ezzel, hogy az USB-gazdagép megfelelően küldje az adatokat. A csak USB 2.0 sebességet támogató USB-C kábeleknek nem kell e-jelölő lapkát tartalmazniuk, így ha nem kap lapkaadatokat, az USB-gazdagép 480 Mb/s sebességgel küldi az adatokat.

Az USB-C szabvány 3 A legnagyobb áramerősség leadását teszi lehetővé 5 V egyenfeszültség mellett, ami összesen 15 watt teljesítményt jelent. Ez az általános USB-kábelekre vonatkozó szabvány. Az USB 3.1 Gen 1 és újabb szabványok azonban 5 A áramerősséget engednek meg 20 V egyenfeszültség mellett, ami 100 W teljesítményt jelent. Az áramellátásra tervezett, USB 3.1 szabványú USB-C kábeleknek tartalmazniuk kell egy e-jelölő lapkát, amely azonosítja az áramleadási képességet, különben az USB-gazdagép alapértelmezés szerint 15 W-os teljesítményt fog használni. Ez növeli a biztonságot, mert megakadályozza az áramtúlterhelést, amely tönkretehetné a kábelt.

Bár itt a hangsúly a digitális összeköttetésre használt USB-C kábelek szabványosításán van, fontos tudni, hogy háromféle kábelkapacitás létezik:

1. USB 2.0 üzemmód: nincs e-jelölő, 15 W teljesítményre és 480 M/s adatátvitelre képes
2. USB 3.1 Gen 1: van e-jelölő, 100 W teljesítményre és 5 Gb/s adatátvitelre képes
3. USB 3.2 Gen 1: van e-jelölő, 100 W teljesítményre és 10 Gb/s adatátvitelre képes

Ha egy kisebb kapacitású USB-C kábelt megfelelően beállított nagyobb kapacitású USB-C-gazdagépekkel és -eszközökkel használnak, az USB-gazdagép az alacsonyabb kapacitás szintjére veszi vissza az áramellátást és az adatátvitelt. Ez javítja a biztonságot, mert megakadályozza a kábel áramtúlterhelését, és egyúttal kompatibilis adatátviteli sebességet biztosítva növeli a megbízhatóságot. A létesítmények ezt tovább egyszerűsíthetik, ha kizárólag azt a szabványt használják, amely a szükséges legnagyobb áramellátást és adatátviteli sebességet biztosítja. Hacsak az ipari automatizálási létesítmény nem végez nagy adatforgalmú műveleteket, például élő videóközvetítést, biztonságos választásnak bizonyulhat az USB 3.1 Gen 1 kábelek egységes használata. Az 5 Gb/s sebességű USB 3.1 Gen 1 kábelek jellemzően legfeljebb 2 m hosszúak, ami elegendő ahhoz, hogy a vezérlő számítógépek a közeli érzékelőkhöz és működtetőelemekhez csatlakozzanak. Ha megbízhatóan kell adatokat küldeni 10 Gb/s sebességgel, az USB 3.1 Gen 2 kábelek előírás szerint legfeljebb 1 m hosszúak, mivel a hosszabb kábeleken történő 10 Gb/s sebességű adatküldés a jel visszaverődése vagy a kábel csillapítása miatt adatvesztést okozhat.

USB-C kábelek

Azon tervezők számára, akik nagy sebességű adatátvitelt szeretnének elérni zord környezetben, számos strapabíró és megbízható megoldás létezik. A PEI-Genesis például az IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 Gen 2 kábelt kínálja (1. ábra). A kábel 1 m hosszú, és –20 °C és +85 °C közötti hőmérsékleten való működésre van méretezve, ami a legtöbb zord ipari környezetben megfelelő. A kábel köpenye polivinil-klorid (PVC) gyantából készül, amely kiváló vízállóságú, és jól tűri az ibolyántúli (UV) sugárzást is. Az általános célú kábelek köpenye megrepedhet vagy elszíneződhet, ha hosszabb ideig napfénynek van kitéve.

1. ábra: A Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M egy 1 m hosszú USB-C kábel, amely ipari felhasználási területekre készült. Az önzáró anyás tömítéssel ellátott csatlakozó biztonságos IP67-es vízálló csatlakozást biztosít az érzékelőhöz vagy működtetőelemhez. A feltüntetett méretek milliméterben értendőek (kép: PEI-Genesis)

Az IPUSB-31WPCPC-1M egyik végén egy szabványos USB-C csatlakozóval rendelkezik, amely öntött PVC-gyantából készült, rozsdamentes acél USB-C dugóval. Ez a kábelvég az SBC vagy a PLC mint USB-gazdagép csatlakozójához csatlakozik. A másik végén egy tömített öntött dugó van, nejlon önzáró anyával és gumitömítéssel. Ez megbízható és biztonságos IP67-es tömítést biztosít az érzékelő vagy a működtetőelem csatlakozója számára.

A Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M beágyazott e-jelölő lapkát tartalmaz, amely tudatja a kábel kapacitását a csatlakoztatott berendezéssel. Az e-jelölő lapka a kábel teljes –20 °C és +85 °C közötti hőmérséklet-tartományában működik. Ez biztosítja, hogy a berendezés megfelelően azonosítsa a kábelt még akkor is, ha valamelyik szélsőséges hőmérsékleten kapcsolják be.

USB-C csatlakoztathatóság szélsőséges környezetben

A rendkívül zord környezetekhez az Amphenol LTW az UC30FL-NCML-SC01 egyméteres USB-C kábelt kínálja (2. ábra). A kábelt teljes hosszában polipropilén műanyag (PP) védőcső veszi körül, amely megnövelt védelmet nyújt az ütésekkel, vágóerőkkel és a sarkok körüli hajlításból eredő igénybevételekkel szemben. A védőcső rendkívül erős rezgések esetén is védi a benne lévő kábelt. A védőcső hozzá van ragasztva a kábel mindkét végéhez, és nem lehet eltávolítani.

2. ábra: Az UC30FL-NCML-SC01 USB-C kábel egy PP-védőcsőbe van zárva, amely megvédi a benne futó kábelt az ütésektől és az erős rezgésektől. A méretek milliméterben vannak megadva (kép: Amphenol LTW)

A kábel egyik vége egy közönséges USB-C gazdagép-csatlakozóval van ellátva, amely az USB-gazdagéphez csatlakozik. A másik végén egy nagy teherbírású, kör alakú csatlakozó található, megerősített törésgátlóval. Ezen a kábelvégen szilikontömítéssel ellátott tömített, öntött dugó található, amelyet egy nejlon önzáró anya rögzít. Ez vízálló, légmentes tömítést biztosít, amely ellenáll a legtöbb vegyi anyagnak. A kábel és a kör alakú csatlakozó IP67-es védettségű mind csatlakoztatott, mind nem csatlakoztatott állapotban, így a kör alakú USB-C csatlakozó akkor is védve van a környezeti hatásoktól, ha nincs csatlakoztatva.

Az UC30FL-NCML-SC01 jelű kábel UL94V-0 tűzállósági besorolású, ami azt jelenti, hogy a PP kábel akár 10 másodpercig is ellenáll a lángoknak. A PP kábel ellenáll az olajnak, a benzinnek és a legtöbb oldószernek is. Mindkét dugó –40 °C és +85 °C között használható, míg a nejlon önzáró anya és a PP vezeték magasabb, –40 °C és +115 °C közötti hőmérsékletet is kibír. Ez különösen alkalmassá teszi ezt a kábelt ipari benzinmotorok és generátorok érzékelőinek és működtetőelemeinek csatlakoztatására.

A beágyazott e-jelölő lapka 5 Gb/s adatátvitelre alkalmasként azonosítja a kábelt, ami megfelel a nagy fordulatszámú benzinüzemű generátorokhoz, ahol a hatásfok maximalizálása érdekében folyamatosan figyelemmel kell kísérni a motor működését.

USB-s érzékelők hajós alkalmazásokban

Egyes esetekben a berendezés vezérlő számítógépe USB-A csatlakozóval van ellátva, de USB-C csatlakozós elemhez kell csatlakoztatni. Ehhez olyan kábelre van szükség, mint a Bulgin PXP4040/C/A/2M00 jelű USB-A – USB-C átalakítókábel (3. ábra). Ennek a kábelnek az egyik végén USB-A, a másik végén pedig egy kör alakú USB-C csatlakozó van, és –40 °C és +80 °C között használható. Az USB-C csatlakozó és a kábel két hétig 10 méteres víz alá merülve is használható marad. A sós vízzel szemben is ellenálló, így alkalmas hajós berendezésekhez is, beleértve a tartályhajók és teherhajók fedélzetén lévő ipari gépeket is. A kábel IP68-as védettségű, kivéve az USB-A csatlakozót, amely IP66-os védettségű.

3. ábra: A PXP404040/C/A/2M00 egyik végén USB-A, a másik végén USB-C csatlakozóval van ellátva. Ellenáll a sós víznek, és az USB-C csatlakozó akár két hétig is kibírja a 10 méteres vízbe merítést (kép: Bulgin)

A Bulgin PXP4040/C/A/2M00 tűzállósági besorolása szintén UL94V-0. A kábel köpenye PVC-gyantából készült, így alkalmas hajófedélzeti alkalmazásokhoz.

Az USB-C kábel burkolata polikarbonát-polibutilén-tereftalátból (PC/PBT) készült, amely egy nagy szilárdságú, gyakran autók lökhárítóihoz használt anyag. A PC/PBT-csatlakozó háza nagymértékben ellenáll a vegyi anyagoknak, és elég rugalmas ahhoz, hogy egészen –40 °C-ig elviseljen erős ütéseket is. A csatlakozó még nagy erejű ütéstől sem törik el, csak elegánsan megreped. Ez biztosítja az USB-s biztonsági érzékelők illetéktelen beavatkozással szembeni ellenállását, beleértve a fagyasztásos támadásokat is, amikor a csatlakozót gyorsan lefagyasztják, majd kalapáccsal leütik.

Az USB-C szabvány nem teszi lehetővé, hogy e-jelölő lapkát építsenek be olyan kábelbe, amelynek az egyik végén USB-A csatlakozó van. Ez a kábel úgy van kialakítva, hogy akár 5 A áramot is átvigyen, és 2 m-es hosszában akár 5 Gb/s adatátviteli sebességet is lehetővé tesz, bár egyes USB-C perifériák észrevehetik az e-jelölő lapka hiányát, és alapértelmezés szerint 480 Mb/s sebességet használnak.

Összegzés

Az ipari környezetben digitális összeköttetésekre használt USB-C kábelek szabványosítása leegyszerűsíti a kábelkészletet, valamint gyors és egyszerű csatlakoztathatóságot kínál a dugó és a csatlakozóaljzat forgásszimmetrikus kialakításának köszönhetően. Az USB-C kábelek képesek azonosítani az áram- és adatátviteli kapacitásukat a vezérlő számítógép számára, hogy megelőzzék az adatvesztést és a veszélyes áramtúlterheléses állapotokat. A megfelelő USB-C kábel kiválasztása és használata javíthatja az ipari rendszerekben a megbízhatóságot, valamint csökkentheti a karbantartásigényt és az összköltséget.