Teollisuuden Ethernet-porttien tiheyden ja luotettavuuden parantaminen ix Industrial -liittimillä

Tehtaissa käytetään jatkuvasti yhä enemmän dataintensiivisiä sovelluksia, kuten robotteja, konenäköä ja teollista esineiden internetiä (Industrial Internet of Things, IIoT). Tämän seurauksena tarvitaan entistä enemmän nopeaa tiedonsiirtoa. Teollisesta Ethernetistä on ollut apua, mutta suunnittelijoiden täytyy pystyä tukemaan korkeaa porttitiheyttä, minimoimaan sähkömagneettiset häiriöt (Electromagnetic Interference, EMI) ja varmistamaan liitinten kestävyys.

Erityisesti tehdasautomaation vaatimuksiin kehitetty ix Industrial -liitin on kooltaan vain neljänneksen RJ45-liittimestä, minkä lisäksi siinä on parempi EMI-suojaus sekä lujatekoinen liitäntämekanismi. Tämä IEC 61076-3-124 -standardissa määritelty liitin mahdollistaa monenlaiset eri toimittajien laitteita sisältävät ratkaisut, ja sen monipuoliset ominaisuudet tehostavat älytehtaan toimintoja entisestään.

Tässä artikkelissa on lyhyt katsaus tehdasautomaation verkkoyhteysvaatimuksiin. Sitten artikkelissa esitellään Hirosen ix Industrial -liittimiä ja vaatimusten täyttämistä niiden avulla.

Teollinen Ethernet ja RJ45-liitinten haasteet

Teolliseen Ethernetiin kuuluu kaksi tärkeää älytehtaita tukevaa ominaisuutta: tiedonsiirtonopeus 10 gigabittiä sekunnissa (10 Gbps) ja Ethernet-pohjainen teknologiaperusta. Se käyttää tuttua TCP/IP-protokollaa, CAT5e- ja CAT6-kaapeleita sekä RJ45-liittimiä. Tämä yhteentoimivuus helpottaa älytehtaiden laitteiden integrointia toisiinsa ja yritysjärjestelmiin.

Teollisuusympäristössä liittimiin kohdistuu kuitenkin enemmän fyysistä rasitusta, ja porttitiheyden kasvaessa suunnittelijat tarvitsevat pienemmät liittimet, jotka minimoivat EMI-häiriöitä tehokkaammin. Kuten kuvassa 1 esitetään, ix Industrial -liitin tarvitsee 75 % vähemmän asennustilaa kuin RJ45-liittimet. Samaan aikaan se tarjoaa huomattavasti paremman kestävyyden ja EMI-vastustuskyvyn (kuva 2).

Kuva 1: ix Industrial -liitin (vasen) on 75 % pienempi kuin perinteinen RJ45-liitin (oikea). (Kuvan lähde: Automation World.)

Kuva 2: ix Industrial -liittimet tarjoavat useita suorituskykyparannuksia, jotka helpottavat tehdasautomaation vaatimusten täyttämistä. (Kuvan lähde)

Vaikka ix Industrial käyttää uniikkia liitintä, se on muutoin yhteensopiva teollisen Ethernetin ekosysteemin kanssa. Se esimerkiksi tukee jopa 10 Gbps:n CAT6A-kaapeleita, Ethernet-virransyöttöä (Power over Ethernet, PoE) ja PoE+ -standardia (enintään 3 ampeeria).

Tämän yhteensopivuuden pohjalta kehitetty pienoisliitin on IEC 61076-3-124 -standardin mukainen. Liitin takaa yhteentoimivuuden eri valmistajien laitteiden välillä, mikä yksinkertaistaa suunnitteluprosessia ja tarjoaa enemmän vapautta tuotteiden valintaan. Esimerkiksi Hirosen ix Industrial -liitinsarja on täysin yhteensopiva muiden valmistajien ratkaisujen kanssa.

ix Industrial -liitin on myös valittu useisiin Ethernet-protokolliin, mukaan lukien PROFINET, CC-Link IE TSN ja GigE Vision:

• PROFINET on laajalti käytetty teollisen Ethernetin protokolla, jota ylläpitävät Profibus & Profinet International (PI). Sitä käytetään ohjelmoitavissa logiikkaohjaimissa (Programmable Logic Controller, PLC), roboteissa, käyttölaitteissa, antureissa sekä toimilaitteiden tuloissa ja lähdöissä (Input/Output, I/O).
• CC-Link IE TSN on CC-Link Partner Associationin standardi, jossa yhdistyvät gigabitin Ethernet ja Time-Sensitive Networking (TSN) -standardi. Sitä käytetään huipputeknisillä aloilla, kuten puolijohteiden ja ajoneuvojen valmistuksessa.
• GigE Vision on korkean suorituskyvyn teollisuuskameroiden rajapintastandardi, jota ylläpitää Automated Image Association (AIA). Se käyttää Ethernet-verkkoja, mikä mahdollistaa nopean tiedonsiirron, pidemmät kaapelit, alhaisemmat kustannukset ja skaalautuvuuden.

Näiden virallisten tekijöiden lisäksi ix Industrial -liittimiä voi käyttää useiden muiden teollisten Ethernet-protokollien (kuten EtherCAT, Modbus TCP ja Ethernet/IP) kanssa. Näin ollen ix Industrial -liittimissä yhdistyvät laaja protokollatuki sekä kompakti ja kestävä rakenne, joten ne ovat hyvä vaihtoehto mitä erilaisimpiin älytehdassovelluksiin. Esimerkkejä:

• Konenäkö: Korkean resoluution kamerat generoivat suuret määrät kuvadataa reaaliaikaista analyysia ja päätöksentekoa varten. ix Industrial -liittimen korkeaa tiedonsiirtonopeutta ja kompaktia kokoa voidaan hyödyntää monikamerakokoonpanoissa.
• Robotiikka: Yhteistyörobotit ja autonomiset robotit tarvitsevat reaaliaikaisia anturi- ja ohjaustietoja turvallisen ja tehokkaan toiminnan varmistamiseksi. ix Industrial -liittimen lujatekoisuus ja hyvä EMI-häiriösietokyvyn parantavat tiedonsiirron luotettavuutta.
• Ennakoiva huolto: Anturien lisääminen kriittisiin laitteisiin mahdollistaa potentiaalisten vikojen havaitsemisen ajoissa ja ehkäisee kalliita seisokkeja. Kompakti ja kestävä ix Industrial -liitin on loistava valinta haastavissa olosuhteissa käytettäville pienille antureille.

Uros‑ ja naarasliittimien tilaa säästävät vaihtoehdot

Sekä ix Industrialin uros‑ että naarasliittimissä on erityisominaisuuksia, jotka parantavat niiden tilansäästöpotentiaalia. Kuten kuvassa 3 on esitetty, naarasliittimiä on saatavilla erilaisissa konfiguraatioissa:

• Pystyasentoiset naarasliittimet, kuten IX61G-A-10P, voidaan asentaa rinnakkain vain 10 millimetrin välein. Tämä mahdollistaa korkean porttitiheyden. Tässä konfiguraatiossa voidaan asentaa kuusi ix Industrial -liitintä tilaan, johon mahtuisi vain kolme RJ45-liitintä, mikä auttaa vähentämään huomattavasti kytkinten, reitittimien ja muiden vastaavien laitteiden tilantarvetta.
• Matalaprofiiliset horisontaaliset naarasliittimet, kuten IX60G-A-10P, ovat korkeudeltaan vain 5,7 mm, mikä on alle puolet RJ45-liittimen korkeudesta, joten ne sopivat mainiosti käyttöön esimerkiksi antureiden kanssa.
• Pystymalliset naarasliittimet, kuten IX80G-A-10P, voidaan liittää ylhäältäpäin, mikä monipuolistaa suunnittelijoiden vaihtoehtoja entisestään.

Kuva 3: ix Industrial -naarasliittimiä on saatavilla pystyasentoisina, vertikaalisina ja horisontaalisina (kuvassa tässä järjestyksessä ylin, vasen ja alin). Urosliittimiä on saatavilla suorina ja suorakulmaisina versioina. (Kuvan lähde)

Urosliittimiä on saatavilla suorina versioina, kuten IX40G-B-10S-CV(7.0), sekä suorakulmaisina, kuten IX30G-A-10S-CVL2(7.0). Suorakulmaisissa vaihtoehdoissa on huomionarvoista, että niiden avulla voidaan pienentää liitoksen korkeutta sekä helpottaa kaapeleiden reititystä ahtaissa paikoissa. Näillä urosliittimillä voidaan esimerkiksi minimoida kaapeleiden taivutussäteisiin liittyviä ongelmia ja ne mahdollistavat ketjutuksen korkealla tiheydellä.

Mekaaninen ja sähköinen sietokyky

Teollisia olosuhteita kestämään suunnitellun ix Industrial -liittimen rakenne kestää tärinää, iskuja ja EMI-häiriöitä. Naarasliittimen kuori kiinnitetään piirilevylle viidellä läpiasennettavalla juotoskiinnikkeellä. Näin saadaan aikaan tukeva kiinnitys, joka kestää vääntöä ja vetoa sekä suojaa signaalikoskettimia. Tämä myös mahdollistaa tukevan liitoksen naarasliittimen kuoren ja piirilevyn maatason välillä.

Urosliittimen kotelo koostuu integroidusta liitinyksiköstä ja kaapelin vedonpoistimesta (kuva 4). Tämä estää kaapelikokoonpanon liitososaa rasittumasta kaapeliin kohdistuvan kuormituksen vuoksi. Kotelo on puristettu yhteen ja muodostaa kontaktin naarasliittimen maadoitusjousen kanssa. Tämä tarjoaa katkeamattoman 360 asteen suojauksen EMI-häiriöitä vastaan.

Kuva 4: ix Industrial -urosliittimen liitinyksikössä on kuori, joka suojaa yksikköä fyysisiltä vaurioilta ja EMI-häiriöiltä. (Kuvan lähde)

Liittimissä on myös lujatekoinen lukitusmekanismi, joka napsahtaa kytkemisen aikana kuuluvalla ja tuntuvalla tavalla. Tämä lukitus varmistaa luotettavan liitoksen myös voimakkaasti tärisevissä ympäristöissä, ja sen ansiosta liitin kestää 5000 kytkentäsykliä.

Hirose tarjoaa myös ix Industrial -liitinversioita, joissa on palladium-nikkelikoskettimet. Esimerkiksi IX30G-A-10S-CV(7.0)(01) -urosliittimessä on 0,75 mikrometrin (μm) palladium–nikkelipinnoite ja 0,05 μm:n kultapinnoite. Nämä koskettimet ovat myös kestävämpiä kuin vakiomalliset kullatut koskettimet, joten ne sopivat ihanteellisesti sovelluksiin, joissa liittimet irrotetaan ja yhdistetään usein.

Yksinkertaisempi kokoonpano ja testaus

Laadukkaan yhteyden muodostamiseksi Hirose suosittelee käyttämään 22–28 AWG:n (American Wire Gauge) kaapeleita. Johdot voidaan terminoida juottamalla tai eristeen poistavilla liitoksilla (Insulation Displacement Connection, IDC). Kentällä terminoitaviin urosliittimiin suositellaan IDC-tekniikkaa. Tähän terminointimenetelmään käytetään puristustyökalua, kuten HT803/IXG-8/10S-63-72, jotta voidaan leikata eristys ja luoda kytkentä samalla kertaa.

Juottamisella saadaan aikaan kestävin ja laadukkain terminointi. Hirose tarjoaa lukuisia urosliittimiä, jotka tukevat tätä terminointimenetelmää, kuten IX40G-A-10S-CV(7.0).

Hirose tarjoaa kaapeleiden ja kokoonpanojen testausta varten DSX-CHA-5-IX-S-sovitinsarjaa Amproben (Fluke Networks -yritys) DSX CableAnalyzer -analyysilaitteelle. Tämän analyysilaitteen avulla asentajat voivat tarkistaa oikean toiminnan ja diagnosoida ongelmia helpommin.

Yhteenveto

Suunnittelijat voivat saavuttaa ix Industrial -liitinten avulla korkean porttitiheyden ja luotettavuuden älytehdassovelluksissa. Käyttämällä näitä IEC 61076-3-124 -standardisoituja komponentteja suunnittelijat voivat hyötyä yhteentoimivuudesta eri valmistajien välillä. Erilaisten uros‑ ja naarasliitinvaihtoehtojen ansiosta suunnittelijat voivat valita kiinnitys- ja kaapelinreititysmenetelmät, jotka tukevat laitteiston kompaktia toteutusta, kaapelien rasituksen vähentämistä ja suuren kaistanleveyden saavuttamista minimaalisilla häiriöillä.

Suositeltavaa luettavaa

1. Teollisuus 4.0:n liitäntöjen tiheys- ja kestävyysvaatimusten täyttäminen