Az ipari Ethernet portsűrűségének és megbízhatóságának növelése ix Industrial csatlakozókkal

A gyárakban egyre nagyobb teret hódítanak a sok adat használatát igénylő felhasználási módok, például a robotika, a gépi látás és az ipari dolgok internetéhez (IIoT, Industrial Internet of Things) kapcsolódó technikák. Ennek eredménye a nagy sebességű kommunikáció iránti egyre növekvő igény. Bár az ipari Ethernet valamennyit segített ezen, a tervezőknek el kell érniük a nagy portsűrűséget, minimálisra kell csökkenteniük az elektromágneses zavarást (EMI, electromagnetic interference), és fizikailag nagy tűrőképességű csatlakozásokat kell alkotniuk.

Az RJ45 csatlakozóhoz képest mindössze negyedakkora méretű, sokkal jobb elektromágneses árnyékolású és stabilan illeszkedő ix Industrial csatlakozót kifejezetten a gyárautomatizálási követelmények kielégítésére fejlesztették ki. Az IEC 61076-3-124 szabványban szabványosított csatlakozó lehetővé teszi a többféle gyártó által gyártott termékek széles választékának használatát, és sokféle kis mértékben eltérő funkciót kínál az intelligens gyárak képességeinek további növelésére.

Ez a cikk röviden áttekinti a gyárautomatizálás csatlakoztathatósági követelményeit. Ezután bemutatja a Hirose cég ix Industrial csatlakozóit, és ismerteti, hogyan használhatók azok a követelmények teljesítéséhez.

Az ipari Ethernet és az RJ45 csatlakozók előtt álló kihívások

Az ipari Ethernetnek két olyan kulcsfontosságú jellemzője van, amely illeszkedik az intelligens gyárak jelentette kihívásokhoz: a 10 Gb/s (másodpercenkénti 10 gigabites) adatátviteli sebesség és az Ethernet műszaki alapjai. Az ipari Ethernet ugyanazt a TCP/IP protokollt, CAT5e és CAT6 kábeleket és RJ45 csatlakozókat használja, mint a normál Ethernet. Ez az átjárhatóság megkönnyíti az intelligens gyárakban használt eszközök egymáshoz és a vállalati rendszerekhez illesztését.

Az ipari környezet azonban nagyobb fizikai igénybevételt jelent a csatlakozókra, és az egyre nagyobb portsűrűség miatt a tervezőknek kisebb alapterületű csatlakozókra van szükségük, amelyek emellett képesek tovább csökkenteni az elektromágneses zavarást is. Amint az 1. ábrán látható, az ix Industrial csatlakozó 75%-kal kisebb beépítési helyet igényel, mint az RJ45 csatlakozó. Ugyanakkor jelentősen megnőtt a csatlakozó tartóssága és elektromágneses zavarvédelme is (2. ábra).

1. ábra: Az ix Industrial csatlakozó (balra) 75%-kal kisebb, mint a hagyományos RJ45 csatlakozó (jobbra) (kép: Automation World)

2. ábra: Az ix Industrial csatlakozók számos területen jobb teljesítményt nyújtanak, segítve a gyárautomatizálási követelmények kielégítését (kép: Hirose)

Bár az ix Industrial egyedi csatlakozót használ, egyébként kompatibilis az ipari Ethernet ökoszisztéma többi részével. Támogatja például a CAT6A kábeleket akár 10 Gb/s sebességig, valamint a PoE (Power over Ethernet, ethernetes áramellátás) és a PoE+ áramellátást 3 A-ig.

Erre a kompatibilitásra építve a miniatürizált csatlakozó az IEC 61076-3-124 szabványban lett szabványosítva, biztosítva a gyártók közötti átjárhatóságot, ami egyszerűsíti a tervezési folyamatot, és nagyobb szabadságot ad a mérnököknek a termékválasztás során. A Hirose ix Industrial csatlakozósorozata például teljes mértékben kompatibilis más gyártók megoldásaival.

Az ix Industrial csatlakozó is használható több Ethernet-protokollhoz is, többek közt a PROFINET, a CC-Link IE TSN és a GigE Vision protokollhoz:

• A PROFINET egy széles körben használt ipari Ethernet-protokoll, amelyet a Profibus és a Profinet International (PI) felügyel. Programozható logikai vezérlőegységek (PLC, programmable logic controller), robotok, vezérlőegységek, valamint érzékelők és működtetőelemek be- és kimeneteihez (I/O) használják.
• A CC-Link IE TSN a CC-Link Partner Association szabványa, amely a gigabites Ethernet és a TSN (Time-Sensitive Networking, időérzékeny hálózatkezelés) protokollt kombinálja. A fejlett iparágakban, például a félvezető- és a gépjárműgyártásban használják.
• A GigE Vision a nagy teljesítményű ipari kamerák csatlakozószabványa, és az Automated Image Association (AIA) felügyeli. Ethernet-hálózatokat használ, hogy olyan előnyöket érjen el, mint a gyors adatátvitel, a nagyobb kábelhossz, az alacsony költségek és a méretezhetőség.

Ezen hivatalos elismeréseken kívül az ix Industrial csatlakozók sok más ipari Ethernet-protokollal is használhatók, beleértve az EtherCAT, a Modbus TCP és az Ethernet/IP protokollt. Ezen protokollok támogatásával és az erőteljes méretcsökkentésnek köszönhetően az ix Industrial csatlakozók az intelligens gyárakon belül számos felhasználási területen meggyőző választásnak bizonyultak. Ezek közé tartoznak például a következők:

• Gépi látás: A nagy felbontású kamerák nagy mennyiségű képi adatot állítanak elő valós idejű elemzésre és a döntéshozatal elősegítésére. Ez a terület a többkamerás rendszereknél az ix Industrial csatlakozó nagy adatátviteli sebessége és kis mérete jelentette előnyöket használja ki.
• Robotika: Az együttműködő és önálló robotok a biztonságos és hatékony működéshez valós idejű érzékelőadatokat és vezérlőjeleket használnak. Az ix Industrial csatlakozó nagy tűrőképessége és elektromágneses zavarásra való kis érzékenysége miatt megbízható adatcserét tesz lehetővé.
• Megelőző karbantartás: A fontosabb berendezések érzékelőkkel való felszerelése lehetővé teszi a lehetséges meghibásodások korai felismerését, kiküszöbölve a költséges állásidőt. Az ix Industrial csatlakozó vékony kialakításának és nagy tűrőképességének köszönhetően zord üzemi körülmények között is kiválóan használható a kis méretű érzékelőkhöz.

Helytakarékosság a dugók és az aljzatok körültekintő elhelyezésével

Mind az ix Industrial aljzatoknak, mind a dugóknak figyelemre méltó tulajdonságaik vannak, amelyekkel javítható a helytakarékosság. Amint azt a 3. ábra szemlélteti, különböző kialakítás aljzatok kaphatóak:

• Az olyan álló aljzatok, mint az IX61G-A-10P, párhuzamosan, a nagy portsűrűség eléréséhez mindössze 10 mm-es osztástávolsággal szerelhetők. Hat ilyen kialakítású ix Industrial csatlakozó foglal akkora helyet, mint három RJ45 csatlakozó, jelentősen csökkentve ezzel a kapcsolók, útválasztók és más hasonló berendezések alapterületét.
• A fekvő aljzatok, amilyen például az IX60G-A-10P, laposak, mindössze 5,7 mm a magasságuk, ami kevesebb mint fele egy RJ45 csatlakozó magasságának, így jól használhatóak olyan eszközökhöz, mint például az érzékelők.
• A függőleges aljzatokba, amilyen például az IX80G-A-10P, felülről is csatlakoztatható a dugó, ami további rugalmasságot kínál a tervezőknek.

3. ábra: Az ix Industrial aljzatok álló, fekvő és függőleges változatban is kaphatóak (fent, balra, illetve lent). A hozzájuk való dugók egyenes és derékszögű kialakításban is léteznek (kép: Hirose)

Az aljzatokba illeszkedő dugók lehetnek egyenesek, mint az IX40G-B-10S-CV(7.0) jelű, vagy derékszögűek, mint az IX30G-A-10S-CVL2(7.0) jelű változat. A derékszögű változatok különösen figyelemre méltóak, mert csökkentik a csatlakozás magasságát, és megkönnyítik a kábel szűk helyeken történő vezetését. Ezek a dugók minimálisra csökkenthetik például a kábelek hajlítási sugarával kapcsolatos problémákat, és megkönnyíthetik a nagy sűrűségű sorba kötést (láncolást).

Mechanikai és villamos rugalmasság

Az ix Industrial csatlakozó, amelyet úgy tervezetek, hogy elviselje az ipari körülményeket, erős, rezgés- és ütésálló, és szűri az elektromágneses zavarást. Az aljzat foglalata öt furatszerelt lábbal rögzíthető a nyomtatott áramköri (nyák) lapra. Ez szilárd fizikai kapcsolatot hoz létre, amely ellenáll a csavarásnak és a húzásnak, megvédve a jelérintkezőket. Emellett erős kapcsolatot tesz lehetővé az aljzat foglalata és a nyomtatott áramköri lap testelőfelülete között.

A dugó burkolata egy egyesített vezetékcsatlakoztató egységből és kábelbilincsből áll (4. ábra). Ez megakadályozza, hogy a kábel csatlakozórészét befolyásolja a kábelre ható fizikai terhelés. A burkolat rá van préselve a dugóra, és csatlakoztatáskor közvetlenül érintkezik az aljzat testelőrugójával, folyamatos 360˚-os árnyékolást hozva így létre, amely védi a csatlakozót az elektromágneses zavarással szemben.

4. ábra: Az ix Industrial dugó tartalmazza a vezetékcsatlakoztató egységet, valamint egy burkolatot, amely védi a dugót a fizikai sérülések és az elektromágneses zavarás ellen (kép: Hirose)

A csatlakozók erős helyre pattanó reteszelőmechanizmussal is el vannak látva, amely hallható és érezhető kattanással rögzül a helyére. Ez a pozitív reteszelőmechanizmus biztonságos csatlakozást valósít meg még erős rezgésekkel járó környezetben is, és segíti, hogy a csatlakozó 5000 csatlakoztatási ciklust is kibírjon.

A Hirose kínálatában palládium-nikkel érintkezőkkel ellátott ix Industrial csatlakozók is szerepelnek. Az IX30G-A-10S-CV(7.0)(01) dugóban például 0,75 μm-es palládium-nikkel bevonattal és 0,05 μm-es aranyozással ellátott érintkezők találhatóak. Ezek az érintkezők tartósabbak, mint a hagyományos aranyérintkezők, ami felbecsülhetetlen érték a gyakori széthúzással és újracsatlakoztatással járó felhasználási területeken.

Az összeszerelés és a tesztelés egyszerűsítése

A Hirose a kiváló kapcsolatminőség érdekében 22 AWG (Ø 0,64 mm) és 28 AWG (Ø 0,32 mm) közötti átmérőjű huzalok használatát ajánlja. A vezetékeket forrasztással vagy szigetelésátszúrásos (IDC, insulation displacement connection) módszerrel lehet csatlakoztatni, a szigetelésátszúrásos csatlakoztatás a helyszínen a kábelre szerelt dugók esetében ajánlott. Ehhez a csatlakoztatási módszerhez egy rányomószerszámra, például a HT803/IXG-8/10S-63-72 jelűre van szükség a vezeték szigetelőinek átszúrásához és az egyetlen mozdulattal történő csatlakoztatáshoz.

Forrasztással tartósabb és jobb minőségű csatlakoztatás hozható létre. A Hirose számos olyan dugót kínál, mint például az IX40G-A-10S-CV(7.0) jelű, amelyek lehetővé teszik ezt a vezetékcsatlakozási módot.

A kábelek teszteléséhez a Hirose a DSX-CHA-5-IX-S adapterkészletet kínálja, amely az Amprobe (a Fluke Networks egyik tagvállalata) DSX CableAnalyzer nevű készülékével együtt használható. Ezzel az elemzőkészülékkel a technikusok ellenőrizhetik a megfelelő működést, és egyszerűsíthetik az esetleges hibák kimutatását.

Összegzés

A tervezők az ix Industrial csatlakozókkal nagy portsűrűséget és nagy megbízhatóságot érhetnek el az intelligens gyárakon belüli felhasználási területeken. A csatlakozók az IEC 61076-3-124 szabványban vannak szabványosítva, ami megteremti a különböző gyártók közötti átjárhatóságot, megkönnyítve a tervezők munkáját. A különféle kialakítású dugók és aljzatok lehetővé teszik a tervezők számára, hogy úgy válasszák meg a felszerelés és a kábelvezetés irányát, hogy csökkentsék a tervezett berendezés alapterületét, elkerüljék a kábeleket érő fizikai terheléseket, és nagy sávszélességet érjenek el a zavarás minimális kockázata mellett.

Ajánlott olvasnivaló

1. How to Meet Industry 4.0 High Density and Robust Connectivity Requirements (Az Ipar 4.0 nagy sűrűségű és strapabíró csatlakozókra vonatkozó követelményeinek való megfelelés egyik módja)