Miten täyttää teollisuus 4.0 -vaatimukset korkeasta tiheydestä ja robustisuudesta

Tiheydeltään korkean, nopean ja luotettavan Ethernet-liitännän tarve kasvaa teollisuus 4.0 -sovelluksissa, kuten robotiikassa, konenäössä, ohjaimissa, servovahvistimissa ja palvelimissa. Teollisuus 4.0 -laitteissa käytettävien Ethernet-liitäntöjen täytyy tukea jopa 10 gigabitin sekuntinopeutta (Gbits/s) ja niissä täytyy olla suojaus sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) vastaan. Niiden on myös tarjottava turvalliset kytkentä- ja lukitusmekanismit, jotka estävät kaapelin tahattoman irrottamisen, niiden on kestettävä kovaa tärinää ja tarjottava lisäksi suuri määrä kytkentä- ja irrotussyklejä. Näiden liittimien täytyy olla riittävän kompakteja tukeakseen teollisuus 4.0 -sovellusten kasvavia liitäntä- ja järjestelmätiheyksiä.

Vaikka perinteiset RJ45-Ethernet-liittimet täyttävätkin joitain näistä vaatimuksista, ne vievät kuitenkin suhteellisen paljon tilaa eivätkä tarjoa nykypäivän suunnittelussa vaadittavaa asennusjoustavuutta.

Suunnittelijat voivat ratkaista nämä haasteet käyttämällä nopeille Ethernet-kaapeleille, kuten Cat5e (1 Gbit/s) ja Cat6a (10 Gbit/s), tarkoitettuja ix-teollisuusliittimiä. Nämä liittimet ovat 75 % RJ45-liittimiä pienempiä, ne tarjoavat korkeatasoisen sähkömagneettisen häiriönsuojauksen (EMI) ja sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) luotettavaa tiedonsiirtoa varten ja täyttävät standardin IEC 61076-3-124 -vaatimukset.

Tämä artikkeli alkaa RJ45- ja ix-teollisuusliitinten vertailusta. Sen jälkeen artikkelissa tarkastellaan A- ja B-tyypin ix-liittimiä Ethernet- sekä ei-Ethernet-liitäntöjä varten ja tarkastellaan ix-liittimiin saatavilla olevia erilaisia konfigurointivaihtoehtoja sekä erilaisia esimerkkejä Hirose-liittimistä. Lopuksi artikkelissa esitellään ix-kaapeleiden asennukseen ja testaukseen tarkoitettuja työkaluja, joilla voidaan varmistaa toteutuksen oikeellisuus.

RJ45- vs. ix-liittimet

Monissa teollisuus 4.0 -sovelluksissa tarvitaan modulaarista liitäntätekniikkaa nopeaa käyttöönottoa ja uudelleenkonfigurointia varten. Näissä järjestelmissä yhdistetään usein vanhoja laitteita uusiin ratkaisuihin. Niissä käytetään huippunopeaa teollisuus-Ethernetiä ja muita protokollia, jotka vaativat yhteentoimivuutta ja korkeaa käytettävyyttä. Niin kutsutut RJ (Registered Jack) -liittimet ovat yleisiä vanhemmissa laitteissa. Ne sisältävät kahdeksannapaisen, kahdeksalla koskettimella varustetun (8P8C) RJ45-liittimen Ethernet-perusliitäntöjä varten.

Tulevaisuuden teollisuus 4.0 -järjestelmät edellyttävät korkeampia liitäntätiheyksiä ja enemmän joustavuutta. ix-liittimet ovat 75 prosenttia pienempiä kuin RJ45-ratkaisut ja ne voidaan lisäksi asentaa rinnakkain 10 millimetrin (mm) välein. Näin kuusi ix-liitintä mahtuu samaan piirilevytilaan kuin kolme RJ45-liitintä (kuva 1).

Kuva 1: 10 mm:n asennusjako mahdollistaa sen, että kuusi ix-liitintä mahtuu samaan piirilevytilaan kuin kolme RJ45-liitintä. (Kuvan lähde)

Kestävä ja robusti

Standardi IEC 61076-3-124 sisältää mitat sekä mekaaniset, sähköiset ja tiedonsiirtoon liittyvät ominaisuudet sekä ympäristövaatimukset ix-liittimiä varten. Hirosen ix-liittimet eivät jää IEC 61076-3-124 -standardiin. Ne täyttävät myös JIS E4031 -standardin vaatimukset, joka on Japanin teollisuusstandardi rautateiden liikkuvan kaluston laitteiden isku- ja tärinätestausta varten. Ne täyttävät myös GigE Vision -kameraliitäntästandardin vaatimukset, joka tukee Gigabit Ethernetin käyttöä nopeaan kuvansiirtoon erittäin pitkillä ja edullisilla standardikaapeleilla. Niiden korkean virtaluokituksen koskettimet soveltuvat IEEE 802.3af- ja IEEE 802.3at -standardien mukaisiin Power over Ethernet (PoE) ja PoE+ -sovelluksiin.

ix-liitinjärjestelmä on suunniteltu alusta alkaen teollisuussovelluksia silmällä pitäen, kun taas RJ45-liitin kehitettiin alun perin kuluttajien ja yritysten tietoliikennelaitteisiin, ja sitä on mukautettu teollisuuskäyttöä varten. ix-liittimet sisältävät esimerkiksi kaksi metallista valmistettua, kiinninapsautettavaa lukituskoukkua, jotka tarjoavat sekä haptisen että korvin kuultavan palautteen siitä, että uros- ja naarasliitin on liitetty kunnolla toisiinsa. RJ45-teollisuusliittimissä on yksi ainut lukituskoukku.

ix-naarasliitinten suojakuorirakenne takaa mekaanisen kestävyyden ja parantaa niiden EMC-suorituskykyä. Näissä naarasliittimissä on viisi läpiasennettavaa kiinnitysjalkaa, kaksi kummallakin puolella ja yksi takana kahden signaalikosketinsarjan välissä, kun taas RJ45-liittimissä on vain kolme jalkaa. ix-naarasliitinten jalat ovat myös tukevammat kuin RJ45-naarasliitinten jalat. Kun ix-liitinkannan jalat juotetaan piirilevylle, ne suojaavat signaalikoskettimia rasitukselta, kun urosliitin yhdistetään tai irrotetaan. Ne myös parantavat kannan kykyä kestää iskuja ja tärinää. Jalat juotetaan suoraan piirilevyn maahan, mikä parantaa EMI-suojausta (kuva 2).

Kuva 2: Kannan viidellä läpiasennusjalalla suojataan signaalikoskettimia ja parannetaan isku- ja tärinäkestävyyttä sekä ix-liittimien EMC-suorituskykyä. (Kuvan lähde)

Modulaaristen ja uudelleenkonfiguroitavien järjestelmien käyttö muuttaa liittimien suorituskykyyn kohdistuvia odotuksia. Liittimiä ei enää jätetä paikoilleen laitteiston elinkaaren ajaksi. Teollisuus 4.0:lle tärkeä massaräätälöinti edellyttää, että tuotantoyksiköt, työkalut ja muut järjestelmäkomponentit täytyy voida järjestellä uudelleen kerta toisensa jälkeen. Sen vuoksi liitin saatetaan kytkeä ja irrottaa satoja tai tuhansia kertoja sen elinkaaren aikana. Hirosen ix-liittimet on suunniteltu ja testattu 5 000 liitäntäsyklin mukaan, ja ne täyttävät silti kaikki standardin IEC 61076-3-124 suorituskykyvaatimukset.

Muut kuin Ethernet-liitännät

IEC 61076-3-124 tukee sekä Ethernet- että muita kuin Ethernet-liitäntöjä. Ethernet ix -liittimissä ja muissa kuin Ethernet ix -liittimissä käytetään väärinkytkentöjen estämiseksi erillisiä mekaanisia koodausjärjestelmiä ”A” ja ”B” (kuva 3):

• A-tyypin ix-liittimet tukevat jopa 10 Gbit/s:n siirtonopeutta. Ne tukevat myös PoE- ja PoE+-teknologioita, ja ne tunnistaa liittimen vasemmassa alakulmassa olevasta 45°:n polarisaatioviisteestä.
• B-tyypin ix-liittimet on suunniteltu käytettäväksi muissa kuin Ethernet-sovelluksissa, kuten signaloinnissa ja erilaisissa sarja- ja muissa teollisuusviestintäprotokollissa. Ne voi tunnistaa liittimen vasemmassa yläkulmassa olevasta 45°:n viisteestä.

Kuva 3: ix-liittimissä käytetään kahta mekaanista koodausmallia, joilla estetään Ethernet-urosliittimen asentaminen muuhun kuin Ethernet-naarasliittimeen ja päinvastoin. (Kuvan lähde)

Joustava integrointi

Nämä liittimet lisäävät myös järjestelmäintegroinnin joustavuutta. Kaapelit voidaan liittää ix-naarasliittimiin juottamalla tai käyttämällä IDC-liitoksia (eristyksen syrjäyttävä liitos). Juotosliitokset voivat nopeuttaa kaapelikokoonpanojen valmistusta tehdasympäristössä. IDC-liitoksia käytetään usein kaapelikokoonpanojen valmistamiseen kentällä. Niillä voidaan lyhentää asennusaikaa jopa 50 %, koska ne vähentävät johdinten kuorinnan, kiertämisen ja juottamisen tarvetta. Vastaavia liitinperheitä on neljä, joilla on nimitykset 30, 31, 32 ja 40. Kolme ensimmäistä tukevat erilaisia IDC-kaapelikokoja, ja neljättä käytetään juotosliitoksiin:

• 30: IDC käytettäessä johdinkokoja 26–28 AWG (American wire gauge) ja eristeen ulkohalkaisijaa 0,95–1,05 mm
• 31: IDC käytettäessä johdinkokoja 24–25 AWG ja eristeen ulkohalkaisijaa 1,1–1,25 mm
• 32: IDC käytettäessä johdinta 22 AWG ja eristeen ulkohalkaisijaa 1,4–1,6 mm
• 40: käsin juotettu

Hirose tarjoaa erityisiin sovellustarpeisiin myös ix-liittimiä kolmella naaras- ja kolmella urosliitinkonfiguraatiolla (kuva 4). Naarasliitinkonfiguraatioita ovat:

• pystymalliset suorakulmaiset liittimet, jotka voidaan asentaa rinnakkain 10 mm:n jaolla piirilevytilan säästämiseksi korkean tiheyden järjestelmissä
• vertikaalinen tyyppi mahdollistaa liittimen liittämisen ylhäältä päin
• matalaprofiilinen, suorakulmainen naarasliitin on vain 5,7 mm korkea, eli sen korkeus on alle puolet RJ45-liittimen korkeudesta.

Urosliitinkonfiguraatioita ovat:

• suora johdotus
• suorakulmainen johdotus ylöspäin
• suorakulmainen johdotus alaspäin.

Kuva 4: Naarasliittimiä on saatavana kolmea eri mallia; kaikissa kolmessa piirilevyssä näkyy eri malli. Kukin piirilevy sisältää kolmenmallisia ix-urosliittimiä. (Kuvan lähde)

Esimerkkejä ix-liittimistä

Edellä kuvattujen konfiguraatioiden ja vaihtoehtojen lisäksi Hirose tarjoaa suunnittelijoille mahdollisuuden valita kosketuspinnaksi joko kultapinnoitteen tai palladium-nikkelipinnoitteen ja kultapinnoitteen Esimerkkejä Hirosen kymmenistä ix-liittimistä:

IX80G-B-10P(01), B-tyypin pystymallinen naarasliitin 0,75 mikrometrin (μm) palladium-nikkeli- ja 0,05 μm:n kultapinnoitteella

IX80G-A-10P(01), A-tyypin pystymallinen naarasliitin 0,75 μm:n palladium-nikkeli- ja 0,05 μm:n kultapinnoitteella

IX61G-B-10P, B-tyypin suorakulmainen naarasliitin ylöspäin 0,2 μm:n kultapinnoitteella

IX60G-A-10P, A-tyypin suorakulmainen naarasliitin 0,2 μm:n kultapinnoitteella

IX31G-A-10S-CV(7.0), A-tyypin suora urosliitin 0,2 μm:n kultapinnoitteella

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), A-tyypin suorakulmainen urosliitin ylöspäin 0,2 μm:n kultapinnoitteella

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), B-tyypin suorakulmainen urosliitin alaspäin 0,2 μm:n kultapinnoitteella

Kenttäasennus

Teollisuuden Ethernet-sovelluksissa vaaditaan korkeaa käytettävyystasoa, ja johdotuksen kenttäasennus voi olla tärkeä näkökohta. Kenttäasennuksella voidaan nopeuttaa laitteiden asennusta erityisesti modulaarisissa arkkitehtuureissa, ja sen ansiosta kuluneet tai vaurioituneet kaapelikokoonpanot voidaan vaihtaa nopeasti. Hirose tarjoaa kenttäasennustarpeisiin kaapelikokoonpanotyökalun HT803/IXG-8/10S-63-72, jota voidaan käyttää IDC ix -liittimien IX30G, IX31G ja IX32G kanssa (kuva 5). Se on yhdistelmätyökalu, jolla kaapeli ja liitin puristetaan yhteen ja suojakuori puristetaan kokoonpanon päälle. Juotettujen IX40G-liittimien tapauksessa sitä käytetään vain suojakuoren puristamiseen.

Kuva 5: Tämä käsityökalu mahdollistaa ix-kaapelikokoonpanojen valmistuksen paikan päällä. (Kuvan lähde: Hirose Electric)

Tämä kaapelikokoonpanotyökalu on tarkoitettu suojatuille kaapeleille 22–28 AWG, joissa on seitsemän lämpökäsiteltyä kuparilankasäiettä ja joiden eristeen ulkohalkaisija on 6,3–7,2 mm. Toimenpide on nopea ja helppo.

Puristus: Aseta liitin työkaluun koodausavain ylöspäin ja työnnä kaapeli liittimeen. Suorita puristus puristamalla kahvaa. Työkalun räikkämekanismi avaa työkalun vasta kun puristusliitokseen on kohdistettu riittävästi voimaa hyvän liitoksen muodostamiseksi. Räikkä vapautuu automaattisesti, kun tarvittava paine on saavutettu.

Suojakuoren puristus: aseta suojakuori ja kotelo työkaluun (työkalussa on erityinen kolo oikein sijoittamista varten). Aseta liitin työkaluun koodausavain ylöspäin kuten edellisessä puristusprosessissa. Purista kahvaa, kunnes räikkä vapautuu.

Testaus on tärkeää

Ethernet-kaapeleiden testaus kentällä voi olla välttämätöntä useista eri syistä. Testauksella voidaan varmistaa, että kaapelit täyttävät kaikki suorituskykyvaatimukset sekä silloin kun laitteet otetaan käyttöön ensimmäistä kertaa tai jos olemassa oleva kaapelointi vaihdetaan. Kaapelien testaus on hyödyllistä myös etsittäessä vikaa valmiista asennuksista ja selvitettäessä ongelman syytä. Ethernet-verkko voi vikaantua monista eri syistä, esimerkkinä vikaantuneet liittimet, kaapelien tai suojuksien rikkoutuminen sekä lisääntynyt altistuminen sähkömagneettiselle häiriölle.

Hirosen DSX-CHA-5-IX-S on kahden sovittimen sarja, joka on optimoitu ix-liittimien ja kaapelikokoonpanojen nopeaa kenttätestausta varten (kuva 6). Se on tarkoitettu käytettäväksi Fluke Networksin DSX CableAnalyzer -testerien kanssa. Näiden sovittimien avulla voidaan testata perusteellisesti, noudattavatko kaapelikokoonpanot IEEE 802.3 -standardin spesifikaatioita. Niillä voidaan myös tehdä kattavia diagnooseja mahdollisten ongelmien tunnistamiseksi.

Kuva 6: DSX-CHA-5-IX-S-adapterisarja nopeuttaa ix-liittimien ja kaapelikokoonpanojen kenttätestausta. (Kuvan lähde: Fluke)

Yhteenveto

Suunnittelijat voivat täyttää ix-liittimillä teollisuus 4.0 -järjestelmissä tarvittavan robustien korkean tiheyden liitäntöjen tarpeen. Näitä liittimiä on saatavana sekä Ethernet- että muina kuin Ethernet-konfiguraatioina. Saatavilla on erilaisia mekaanisia konfiguraatioita, jotka tukevat järjestelmien erilaisia suunnitteluvaatimuksia. Juotosliitoksia voidaan käyttää suurissa tuotantomäärissä, kun taas IDC-malleja on saatavilla kaapelikokoonpanojen tekemiseen kentällä. Saatavilla on myös työkaluja ja testauslaitteita, joilla voidaan varmistaa, että valmistetut kaapelikokoonpanot täyttävät kaikki ix-suorituskykyvaatimukset.

Suositeltavaa luettavaa

1. Power over Ethernet (PoE) teollisuusautomaatiossa