Miten teollisuuskäyttöön tarkoitettujen USB-C-kaapelien käytöllä voidaan varmistaa yhteentoimivuus, alentaa kustannuksia ja parantaa luotettavuutta

Teollisuuslaitoksissa on yhä enemmän erilaisia verkkojohtoja, kuten Esineiden internetin (IoT) solmupisteitä ja digitaalisten elektroniikkalaitteiden kytkentöjä. Digitaalisissa verkoissa käytetään Ethernetin ja BACnetin kaltaisia langallisia ja Wi-Fin sekä Bluetoothin kaltaisia langattomia standardiprotokollia, mutta ohjaustietokoneiden, kuten yhden piirilevyn tietokoneiden (SBC) tai ohjelmoitavien logiikkaohjaimien (PLC), ja niiden oheislaitteiden, kuten anturien tai aktuaattorien, väliset digitaaliset kytkennät voivat olla hyvin vaihtelevia.

Asiaa mutkistaa edelleen se, että kytkennöissä käytettävät kaapelit, liittimet ja nastajärjestykset saattavat näyttää hyvin samanlaisilta, mutta olla siitä huolimatta täysin epäyhteensopivia.

Näiden epäyhteensopivuuksien vähentäminen ja yhteentoimivuuden varmistaminen on järjestelmäsuunnittelijoiden tehtävä. Samalla on alennettava kustannuksia, nopeutettava järjestelmän kokoonpanoa ja parannettava luotettavuutta teollisuuslaitosten vaativissa olosuhteissa. Ongelman voi ratkaista esimerkiksi ottamalla yleisesti käyttöön IP67- tai IP68-luokitellut USB-C-kaapelikokoonpanot. Tämä ratkaisu voi helpottaa asentajien elämää huomattavasti, koska eri laitteiden kaapelikokoonpanot ovat keskenään yhteensopivia.

Tässä artikkelissa kuvaillaan digitaalisten kytkentöjen ongelmia teollisuussovelluksissa ja sitä, miten keskittyminen USB-C-kaapeleihin sekä ‑liittimiin yksinkertaisissa digitaalisissa kytkennöissä voi ratkaista monet näistä ongelmista. Sen jälkeen artikkelissa esitellään erilaisia USB-C-liittimiä ja ‑kaapelikokoonpanoja sekä niiden ainutlaatuisia ominaisuuksia PEI-Genesis-, Amphenol LTW- ja Bulgin-yhtiöiden IP67-yhteensopivien esimerkkien avulla. Lisäksi siinä kerrotaan, miten näillä tuotteilla voidaan toteuttaa yleiskäyttöisiä, luotettavia ja kestäviä kytkentöjä tietokoneen ja anturin tai aktuaattorin välille.

Teollisuusautomaation digitaaliset kytkennät

Teollisuuslaitteita ohjataan ohjaustietokoneilla – yhden kortin tietokoneilla (SBC), ohjelmoitavilla logiikkaohjaimilla (PLC) tai lähistölle sijoitetuilla kannettavilla tietokoneilla. Ohjaustietokone on usein yhteydessä laitteiston tarvitsemiin lähellä oleviin laitteisiin, joita voidaan laajasti ymmärrettynä kutsua antureiksi.  Tämä sisältää kytkimet, optiset ja ympäristöanturit sekä moottorien, solenoidien ja valojen kaltaiset aktuaattorit. Raskaiden teollisuuslaitteiden kohdalla valmistajalle työskentelevät suunnittelijat valitsevat yleensä kaapelien päissä käytettävän liittimen tyypin ja käytettävän protokollan. Räätälöidyssä teollisuusohjauksessa insinöörit ja asentajat valitsevat ja asentavat tietokoneen, aktuaattorit, anturit, liittimet ja kaapelit. Valittua liitintyyppiä ja tiedonsiirtoprotokollaa ei voi muuttaa myöhemmin ilman aikaavievää ja kallista uudelleensovitusprosessia. Sen vuoksi teollista toteutusta suunniteltaessa on tärkeää päättää jo suunnitteluprosessin alkuvaiheessa, millaisia digitaalisia kytkentöjä antureissa ja aktuaattoreissa käytetään. Kuten missä tahansa toisiinsa kytkettyjä digitaalisia järjestelmiä laajasti hyödyntävässä järjestelmässä, laitteiden (kuten kaapelien) standardoinnilla voi säästää sitä enemmän aikaa ja rahaa mitä suuremmasta toiminnasta on kyse.

Kun laitteisto asennetaan tai konfiguroidaan uudelleen, asentajilla on oltava valmiina oikeat kaapelit, joissa on yhteensopivat liittimet. Kaksi sähköisesti yhteensopimatonta kaapelia saattaa ensi silmäyksellä näyttää aivan samalta, ja niiden liitoskappaleetkin voivat näyttää melkein yhteensopivilta – vaikka ne eivät itse asiassa sovikaan toisiinsa. Samankaltaisten laitteiden yhteensopimattomuus voi turhauttaa asentajia ja hidastaa järjestelmän käyttöönottoa. Vaikka kaapelit olisivat oikeatkin, saatetaan tarvita useita yrityksiä, ennen kuin ainoastaan tietyssä asennossa mahtuva liitoskappale saadaan kytkettyä laitteeseen luotettavasti. Yhden kaapelityypin käyttäminen standardiratkaisuna vähentää turhautumista hämärässä ympäristössä sekä tilanteissa, joissa on tärkeää saada järjestelmä käyttöön hyvin nopeasti. Samalla se varmistaa koneiden välisen yhteentoimivuuden. Näin säästyy sekä aikaa että rahaa, sillä kaapelikokoonpanoja voidaan ostaa suuria määriä kerralla.

USB-C:n edut digitaalisissa kytkennöissä

Keskenään yhteensopivien digitaalisten kytkentöjen ongelman voi ratkaista USB-C-kaapelikokoonpanoilla, jotka sopivat useimpiin teollisuuslaitteiden välisiin sovelluksiin. USB-C-urosliittimet ja naarasliittimet ovat kummin päin tahansa kytkettäviä, kaksipuoleisia ja symmetrisiä lattaliittimiä. Liitintyyppi varmistaa kytkennän onnistumisen ensi yrityksellä, mikä säästää aikaa ja turhia kokeiluja, eivätkä asentajat enää joudu hapuilemaan saadakseen liittimen oikeaan asentoon. USB-C-kaapelien lisäetuna on myös mahdollisuus syöttää kaapelin kautta virtaa anturille tai aktuaattorille.

Jos teollisuuslaitos keskittää yhteydet USB-C-kaapeleihin ja ‑liittimiin, se voi kattaa näillä useimmat tietokoneiden ja anturien sekä aktuaattorien väliset digitaaliset kytkennät, yksinkertaistaa kaapelikokoonpanojen varastointia sekä parantaa liittimien yhteentoimivuutta. Teollisuuskäyttöön tarkoitetut IP67-luokan USB-C-kaapelit kestävät vaativissa teollisuusympäristöissä usein esiintyvää kuumuutta, liuottimia ja nesteitä. Teollisuuskäyttöön tarkoitetut USB-C-kaapelit myös vähentävät teho- ja signaalihäviöitä sekä kestävät taivutus- ja kiertovoimia paremmin.

USB-C-liittimet tukevat sekä USB 2.0- että USB 3.1-standardeja. USB-C-standardi edellyttää, että USB 3.1 ‑portit ja ‑kaapelikokoonpanot ovat taaksepäin yhteensopivia USB 2.0 ‑nopeuden 480 megabittiä sekunnissa (Mbits/s) kanssa. Näin vältytään yhteensopivuusongelmilta, sillä USB 2.0 ‑porteissa voidaan käyttää samoja kaapelikokoonpanoja kuin USB 3.1 ‑porteissa. USB 3.1 tarjoaa kuitenkin paljon korkeamman nopeuden. USB 3.1 Gen 1 ‑kaapelikokoonpanojen tukema tiedonsiirtonopeus on enintään 5 gigabittiä sekunnissa (Gbits/s) ja USB Gen 2 ‑kaapelikokoonpanojen jopa 10 Gbits/s. Tiedonsiirtonopeuden tunnistamiseksi USB-C-liittimiä käyttävien kaapelikokoonpanojen molemmissa päissä on USB-spesifikaation mukaan oltava sähköinen tunnistesiru, joka kertoo kaapelikokoonpanon maksimitehon ja tiedonsiirtonopeuden. USB-isäntäkone lukee sähköisen tunnistesirun tiedot, kun liitin kytketään, ja saa näin tiedon kaapelin suurimmasta mahdollisesta tiedonsiirtonopeudesta. Tällä varmistetaan, että USB-isäntäkone lähettää datan oikealla nopeudella. Vain USB 2.0 ‑nopeuksia tukevissa USB-C-kaapelikokoonpanoissa ei tarvitse olla sähköistä tunnistesirua, joten jos USB-isäntäkone ei saa dataa sirulta, se lähettää dataa nopeudella 480 Mbits/s.

USB-C-standardin mukaan siirrettävä maksimiteho voi olla 3 ampeeria (A) 5 voltin DC jännitteellä, jolloin maksimiteho on yhteensä 15 wattia. Tämä on tavallisten USB-kaapelikokoonpanojen standarditeho. USB 3.1 Gen 1 ‑spesifikaatio ja sitä uudemmat spesifikaatiot sallivat kuitenkin 5 A:n virran 20 voltin jännitteellä, eli 100 wattia. USB 3.1 ‑tehonsiirtoon suunnitelluissa USB-C-kaapelikokoonpanoissa on oltava tehonsiirtokyvyn ilmoittava sähköinen tunnistesiru. Muussa tapauksessa USB-isäntäkone käyttää 15 watin oletusarvoa. Tämä parantaa turvallisuutta, sillä se estää ylikuormitustilanteet, jotka voisivat tuhota kaapelin.

Tässä artikkelissa keskitytään USB-C-kaapelikokoonpanojen standardointiin digitaalisissa kytkennöissä, mutta on tärkeää huomata, että käytössä olevien kolmen kaapelikokoonpanon kapasiteetit vaihtelevat:

1. USB 2.0 ‑tila: ei sähköistä tunnistesirua, tehosyöttö enintään 15 wattia, tiedonsiirtonopeus 480 Mbits/s
2. USB 3.1 Gen 1: sähköinen tunnistesiru, tehonsyöttö 100 wattia, tiedonsiirtonopeus 5 Gbits/s
3. USB 3.1 Gen 2: sähköinen tunnistesiru, tehonsyöttö 100 wattia, tiedonsiirtonopeus 10 Gbits/s

Jos oikein konfiguroiduissa tehokkaammissa USB-C-isäntäkoneissa ja ‑laitteissa käytetään USB-C-kaapelia, jonka kapasiteetti on näitä pienempi, USB-isäntäkone rajoittaa tehon ja datan siirron pienemmän kapasiteetin mukaiseksi. Tämä parantaa turvallisuutta, sillä kaapelia ei ylikuormiteta. Samalla tiedonsiirtonopeuksien yhteensopivuus parantaa luotettavuutta. Laitos voi yksinkertaistaa tilannetta edelleen käyttämällä vain suurimman tarvittavan tehonsyötön ja tiedonsiirtonopeuden tarjoavaa standardia. USB 3.1 Gen 1 ‑kaapelikokoonpanojen käyttö kaikkialla voi olla turvallinen valinta, ellei teollisuusautomaatiota käyttävä laitos tarvitse suuria tiedonsiirtonopeuksia esimerkiksi videokuvan suoratoistoon. USB 3.1 Gen 1 ‑kaapelien tiedonsiirtonopeus on 5 Gbit/s ja maksimipituus 2 metriä (m). Tämä tyypillisesti riittää ohjaustietokoneen ja sen lähellä olevien anturien sekä aktuaattorien välisiin kytkentöihin. Jos dataa tarvitsee lähettää luotettavasti nopeudella 10 Gbit/s, USB 3.1 Gen 2 ‑kaapeleita voidaan käyttää enintään 1 m etäisyydelle. Jos dataa lähetetään 10 Gbits/s nopeudella tätä pidempiä matkoja, dataa voi hävitä kaapelissa signaalin heijastumisen tai vaimennuksen takia.

USB-C-kaapelikokoonpanot

Tarjolla on useita kestäviä ja luotettavia ratkaisuja, jotka sopivat nopeaan tiedonsiirtoon vaativissa olosuhteissa, esimerkiksi PEI-Genesis -yhtiön IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 Gen 2 ‑kaapelikokoonpano (kuva 1). Kaapelin pituus on 1 m ja nimelliskäyttölämpötila-alue -20 °C ... +85 °C. Se soveltuu useimpiin vaativiin teollisuusympäristöihin. Kaapelin vaippa on valmistettu polyvinyylikloridista (PVC), joka kestää erittäin hyvin vettä ja ultraviolettisäteilyä (UV). Tavallisten kaupallisten kaapelien vaipat voivat halkeilla tai värjäytyä, jos ne altistuvat pitkään auringonvalolle.

Kuva 1: Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M on 1 m pitkä, teollisuuskäyttöön tarkoitettu USB-C-kaapelikokoonpano. Lukitusmutteria ja tiivistettä käyttävä liitin tarjoaa vesitiiviin IP67-luokan kytkennän anturiin tai aktuaattoriin. Mitat millimetreinä. (Kuvan lähde: PEI-Genesis)

IPUSB-31WPCPC-1M-kaapelin toisessa päässä on tavallinen USB-C-liitin, joka on valmistettu valetusta PVC:stä. Siinä on ruostumattomasta teräksestä valmistettu USB-C-urosliitin. Tämä pää kytketään SBC:n tai PLC:n USB-porttiin. Toisessa päässä on tiivistetty ja valettu liitin, jossa on nylonista valmistettu lukitusmutteri ja kumitiiviste. Tämä tarjoaa vankan ja turvallisen IP67-luokan kytkennän anturiin tai aktuaattoriin.

Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M:ssä on upotettuna sähköinen tunnistesiru, joka ilmaisee kaapelin kapasiteetin siihen kytketylle laitteelle. Sähköinen tunnistesiru toimii kaapelikokoonpanon koko lämpötila-alueella, -20 °C ... +85 °C, mikä varmistaa kaapelin oikean tunnistuksen myös silloin, kun laite käynnistetään äärilämpötiloissa.

USB-C-kytkennät erittäin vaativiin ympäristöihin

Amphenol LTW tarjoaa erittäin vaativiin ympäristöihin yhden metrin pituisen USB-C-kaapelikokoonpanon UC30FL-NCML-SC01 (kuva 2). Koko kaapeli on suojattu polypropeenista (PP) valmistetulla muovisella asennusputkella, joka suojaa kaapelia iskuilta, leikkausvoimilta ja vaurioilta, jos kaapeli taivutetaan kulman ympäri. Lisäksi putki suojaa kaapelia voimakkaalta tärinältä. Putki on liimattu kiinni kaapelin molempiin päihin, eikä sitä voi irrottaa.

Kuva 2: UC30FL-NCML-SC01 USB-C-kaapelikokoonpano on suojattu PP-putkella iskuilta ja voimakkaalta tärinältä. Mitat millimetreinä. (Kuvan lähde: Amphenol LTW)

Kaapelikokoonpanon toisessa päässä on tavallinen USB-C-liitin, joka kytketään USB-isäntälaitteeseen. Toisessa päässä on kestävä pyöreä liitin lujalla vedonpoistajalla. Tiivistetyssä valetussa liittimessä on silikonitiiviste ja nylonista valmistettu lukitusmutteri. Kytkentä on vesitiivis ja ilmatiivis ja se kestää useimpia kemikaaleja. Kaapelilla ja pyöreällä liittimellä on IP67-luokitus sekä kytkettyinä että irrallaan, joten pyöreä USB-C-liitin on suojassa ympäristön vaikutuksilta myös silloin, kun sitä ei ole kiinnitetty laitteeseen.

UC30FL-NCML-SC01-kaapelin palonkestävyys täyttää luokan UL94V-0 vaatimukset, joten PP-kaapeli kestää liekkiä jopa 10 sekuntia. PP-kaapeli kestää myös öljyä, bensiiniä ja useimpia liuottimia. Molempien päiden liitinten käyttölämpötila-alue on -40 °C ... +85 °C. Nylonista valmistettu lukitusmutteri ja PP-putki kestävät vielä korkeampia lämpötiloja, sillä niiden käyttölämpötila-alue on -40 °C ... +115 °C. Tämä kaapelikokoonpano soveltuukin erityisen hyvin antureiden sekä aktuaattorien kytkentään teollisissa bensiinikäyttöisissä moottoreissa ja generaattoreissa.

Upotettu sähköinen tunnistesiru ilmoittaa, että kaapelin tiedonsiirtonopeus on 5 Gbit/s, joten se sopii nopeille bensiinikäyttöisille generaattoreille, joiden hyötysuhteen maksimointi edellyttää moottorin toiminnan jatkuvaa valvontaa.

USB-anturit merenkulun sovelluksissa

Joissakin tapauksissa laitteen ohjaustietokoneessa on USB-A-liitin, mutta se täytyy kytkeä USB-C-liittimeen. Tällöin sopiva kaapeli on esimerkiksi Bulginin PXP4040/C/A/2M00 USB-A–USB-C-kaapelikokoonpano (kuva 3). Tämän kaapelin yhdessä päässä on USB-A-urosliitin ja toisessa pyöreä USB-C-urosliitin, ja sen käyttölämpötila-alue on -40 °C ... +80 °C. USB-C-liitintä ja kaapelia voi käyttää kahden viikon ajan upotettuna veteen 10 metrin syvyyteen. Tuote kestää myös suolavettä, joten se soveltuu merenkulun laitteisiin, esimerkkinä tankkerien ja rahtilaivojen teollisuuskoneet. Kaapelikokoonpanon IP-luokka on 68 lukuun ottamatta IP66-luokiteltua USB-A-liitintä.

Kuva 3: Bulginin PXP4040/C/A/2M00-kaapelin yhdessä päässä on USB-A-urosliitin ja toisessa USB-C-urosliitin. Se kestää suolavettä, ja USB-C-liitintä voidaan käyttää kahden viikon ajan upotettuna veteen 10 metrin syvyyteen. (Kuvan lähde: Bulgin)

Bulgin PXP4040/C/A/2M00-kaapelin palonkestävyysluokka on UL94V-0. Kaapelin vaippa on valmistettu PVC:stä, joten se soveltuu käytettäväksi alusten kansilla.

USB-C-kaapelin vaippa on valmistettu polykarbonaatti-polybuteenitereftalaatista (PC/PBT). Tätä erittäin lujaa materiaalia käytetään usein autojen puskureissa. PC/PBT:stä valmistettu liitinkuori kestää kemikaaleja erittäin hyvin. Lisäksi se kestää joustavuutensa ansiosta voimakkaita iskuja jopa -40 °C:n lämpötilassa. Liitin ei halkea, vaan säröytyy hieman, vaikka sitä lyötäisiin hyvin voimakkaasti. Se soveltuukin käytettäväksi turvallisuuteen liittyvissä USB-antureissa, koska se kestää ilkivaltaa ja jäädytyshyökkäyksiä, joissa liitin jäädytetään nopeasti ja lyödään sen jälkeen rikki vasaralla.

USB-C-spesifikaatio ei salli sähköisen tunnistesirun käyttöä kaapelissa, jonka toisessa päässä on USB-A-liitin. Tämä kaapelikokoonpano on tarkoitettu enintään 5 A:n virralle. Se tukee 2 metrin pituisena enintään 5 Gbit/s tiedonsiirtonopeutta, mutta jotkin USB-C-oheislaitteet saattavat huomata sähköisen tunnistesirun puuttumisen ja käyttää oletusnopeutta 480 Mbits/s.

Yhteenveto

Teollisuusympäristöjen digitaalisten kytkentöjen standardointi USB-C-kaapelikokoonpanojen avulla yksinkertaistaa kaapeli-inventaarion hallintaa sekä nopeuttaa ja helpottaa kytkentöjen tekemistä symmetrisen liittimen ansiosta. USB-C-kaapelit osaavat ilmoittaa tehon- ja tiedonsiirtokapasiteettinsa ohjaustietokoneelle, mikä estää datahäviöitä ja vaarallisia ylikuormitustilanteita. Sopivan USB-C-kaapelikokoonpanon valinta teollisuusjärjestelmäkäyttöön voi myös parantaa luotettavuutta, vähentää kunnossapitoa ja alentaa kokonaiskustannuksia.