Hoe te voldoen aan de Industry 4.0 vereisten inzake hoge dichtheid en robuuste connectiviteit

De behoefte aan high-density, snelle en betrouwbare Ethernet-connectiviteit groeit in Industry 4.0-toepassingen zoals robotica, machine vision, controllers, servoversterkers en servers. Ethernetverbindingen in Industrie 4.0-apparaten moeten communicatiesnelheden tot 10 gigabit per seconde (Gbits/s) ondersteunen, beschermd zijn tegen elektromagnetische interferentie (EMI), voorzien in veilige parings- en vergrendelingsmechanismen om onbedoelde verwijdering van de kabel te voorkomen, bestand zijn tegen zware trillingen en een lange levensduur hebben voor paring en ontkoppeling. Deze connectors moeten compact genoeg zijn om de toenemende interconnectie- en systeemdichtheid van Industrie 4.0-toepassingen te ondersteunen.

Hoewel de oude RJ45 Ethernet-connectors aan sommige van deze eisen kunnen voldoen, zijn ze relatief omvangrijk en bieden ze niet de flexibiliteit die voor de huidige ontwerpen nodig is.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, kunnen ontwerpers zich in plaats daarvan wenden tot ix industriële connectors voor Ethernet-kabels met hoge snelheid, waaronder Cat5e (1 Gbit/s) en Cat6a (10 Gbit/s). Deze connectors zijn 75% kleiner dan RJ45-connectors, bieden hoge niveaus van EMI-bescherming en elektromagnetische compatibiliteit (EMC) voor veilige gegevensoverdracht en voldoen aan de vereisten van IEC 61076-3-124.

Dit artikel begint met een vergelijking van RJ45 en ix industriële connectors. Vervolgens wordt ingegaan op type A en type B ix-connectors voor Ethernet- en niet-ethernetverbindingen, en wordt een overzicht gegeven van de diverse configuratiemogelijkheden voor ix-connectors, samen met enkele representatieve connectors van Hirose. Het sluit af met een presentatie van hulpmiddelen voor het assembleren en testen van ix-kabels om een correcte uitvoering te waarborgen.

RJ45 versus ix connectors

Veel Industrie 4.0-toepassingen hebben modulaire connectiviteit nodig voor snelle inzet en herconfiguratie. Deze systemen combineren vaak verouderde apparatuur met nieuwe ontwerpen. Zij maken gebruik van snel industrieel Ethernet en andere protocollen die interoperabiliteit en hoge beschikbaarheid vereisen. Zogenaamde registered jack (RJ) connectors zijn gebruikelijk in oudere apparatuur, met acht-pins, acht-contacten (8P8C) RJ45 connectoren voor basis Ethernet-connectiviteit.

De opkomende Industrie 4.0-systemen vereisen meer interconnectiedichtheid en flexibiliteit. ix-connectoren zijn niet alleen 75% kleiner dan RJ45-oplossingen, maar maken ook parallelle montage met een pitch van 10 millimeter (mm) mogelijk, en zes ix-connectors passen in dezelfde ruimte op de printplaat als drie RJ45-connectors (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Dankzij de montageafstand van 10 mm passen zes ix-connectoren op dezelfde printplaat als drie RJ45-connectors. (Bron afbeelding: Hirose)

Stevig en robuust

IEC 61076-3-124 bevat de specificaties voor de afmetingen, mechanische, elektrische, transmissie-eigenschappen en milieu-eisen voor ix-connectors. De ix-connectors van Hirose gaan verder dan IEC 61076-3-124 en voldoen aan de eisen van JIS E4031, de Japanse industriële norm voor het testen van schokken en trillingen van rollend spoorwegmaterieel. Ze voldoen ook aan de GigE Vision camera-interface standaard die het gebruik van Gigabit Ethernet ondersteunt voor snelle beeldoverdracht met behulp van zeer lange en goedkope standaardkabels. Hun contacten met hoge stroomsterkte ondersteunen het gebruik van Power over Ethernet (PoE) en PoE+ toepassingen zoals gespecificeerd in IEEE 802.3af en IEEE 802.3at.

Het ix-connectorsysteem is vanaf het begin ontworpen met het oog op industriële toepassingen, terwijl de RJ45-connector aanvankelijk werd ontwikkeld voor gebruik in consumenten- en zakelijke telecommunicatieapparatuur en is aangepast voor gebruik in industriële omgevingen. Zo hebben ix-connectors twee klikvergrendelingshaken van metaal die zowel voelbare als hoorbare feedback geven om een veilige verbinding tussen de plug en de socket te bevestigen. Industriële RJ45-connectors hebben een enkele vergrendelingshaak.

Het ontwerp van de behuizing van de ix-connectors zorgt voor mechanische stevigheid en betere EMC-prestaties. Deze sockets hebben vijf bevestigingstabs, twee aan elke kant en één aan de achterkant tussen de twee sets signaalcontacten, terwijl RJ45-connectors slechts drie tabs hebben. De tabs van de ix-connectors zijn ook robuuster dan die van de RJ45-connectors. Wanneer ze op de printplaat zijn gesoldeerd, beschermen de tabs van de ix-contacten de signaalcontacten tegen spanning wanneer een plug aan- of afgekoppeld wordt. Zij zorgen er ook voor dat de socket beter bestand is tegen schokken en trillingen. De gesoldeerde tabs zijn rechtstreeks verbonden met de aarding op de printplaat, waardoor de EMI-bescherming wordt verbeterd (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Vijf doorlopende tabs op de connector beschermen de signaalcontacten, verbeteren de schok- en trillingsbestendigheid en de EMC-prestaties van ix-connectors. (Bron afbeelding: Hirose)

Het gebruik van modulaire en herconfigureerbare systemen verandert de verwachtingen ten aanzien van de prestaties van connectors. Connectors worden niet langer op hun plaats gelaten gedurende de levensduur van een installatie. Productiestations, gereedschappen en andere systeemcomponenten moeten vaak kunnen worden herschikt ter ondersteuning van het massale maatwerk dat een kenmerk is van Industrie 4.0. Daardoor kan een connector tijdens zijn levensduur honderden of duizenden keren worden aangesloten en losgekoppeld. De ix-connectors van Hirose zijn ontworpen en getest tot 5.000 paringscycli en voldoen nog steeds aan alle prestatievereisten van IEC 61076-3-124.

Niet-Ethernet-verbindingen

IEC 61076-3-124 ondersteunt Ethernet- en niet-Ethernet-verbindingen. Om verkeerde aansluitingen te voorkomen, worden afzonderlijke mechanische coderingsschema's met het label "A" en "B" gebruikt voor respectievelijk Ethernet- en niet-Ethernet ix-connectors (Afbeelding 3):

• A-type ix connectors kunnen transmissiesnelheden aan tot 10 Gbits/s. Ze kunnen PoE en PoE+ ondersteunen, en zijn herkenbaar aan een polarisatieafschuining van 45° in de linkerbenedenhoek van de socket.
• ix-connectors van het B-type zijn ontworpen voor gebruik in alle niet-Ethernet-toepassingen, zoals signalering en diverse seriële en andere industriële communicatieprotocollen. Ze zijn te herkennen aan een afschuining van 45° in de linkerbovenhoek van de socket.

Afbeelding 3: ix-connectors zijn verkrijgbaar met twee mechanische coderingen om te voorkomen dat een Ethernet-plug in een niet-ethernet-socket wordt gestoken en omgekeerd. (Bron afbeelding: Hirose)

Flexibele integratie

Deze connectors verhogen ook de flexibiliteit van de systeemintegratie. Kabels kunnen op ix-connectors worden aangesloten door solderen of met behulp van insulation displacement connections (IDC). Soldeerverbindingen kunnen de productie van kabelassemblages in een fabrieksomgeving versnellen. IDC-verbindingen worden vaak gebruikt om kabelassemblages in het veld te maken en kunnen de installatietijd tot 50% verminderen door de vermindering van het strippen, draaien en solderen van draden. Er zijn vier overeenkomstige connectorfamilies, aangeduid als 30, 31, 32 en 40. De eerste drie ondersteunen verschillende maten IDC-kabels, terwijl de vierde wordt gebruikt voor soldeerverbindingen:

• 30: IDC met draadafmetingen 26 tot 28 Amerikaanse gauge (AWG), met een isolatorbuitendiameter van 0,95 tot 1,05 mm.
• 31: IDC met draadafmetingen 24 tot 25 AWG, met een isolatorbuitendiameter van 1,1 tot 1,25 mm
• 32: IDC met draad van 22 AWG, met een isolatorbuitendiameter van 1,4 tot 1,6 mm
• 40: Met de hand gesoldeerd

Hirose biedt ook ix-connectors met drie receptacleconfiguraties en drie plugconfiguraties voor specifieke toepassingsbehoeften (Afbeelding 4). Receptacleconfiguraties omvatten:

• Rechtopstaande rechte hoek die parallel kan worden gemonteerd met een pitch van 10 mm om printplaatruimte te besparen in systemen met hoge dichtheid
• Met het verticale type kan de connector van bovenaf worden gekoppeld.
• De lage haakse receptacle is 5,7 mm hoog, minder dan de helft van de hoogte van een RJ45-connector.

De plugconfiguraties omvatten:

• Rechte bekabeling
• Haakse opwaartse bekabeling
• Haakse neerwaartse bekabeling

Afbeelding 4: Receptacles zijn verkrijgbaar in drie stijlen; op elk van de drie printplaten is een andere stijl afgebeeld. Elke printplaat bevat de drie stijlen ix-connectors. (Bron afbeelding: Hirose)

Voorbeelden van ix-connector

Naast de hierboven beschreven configuraties en opties biedt Hirose ontwerpers een keuze uit vergulden of palladium-nikkel vergulden plus vergulden op de contactoppervlakken. Voorbeelden van de tientallen ix-connectors van Hirose zijn:

IX80G-B-10P(01), Type B verticale receptacle met 0,75 micrometer (μm) palladium-nikkel plus 0,05 μm vergulde laag.

IX80G-A-10P(01), Type A verticale receptacle met 0,75 μm palladium-nikkel plus 0,05 μm verguldsel.

IX61G-B-10P, Type B haakse receptacle naar boven met 0,2 μm verguldsel

IX60G-A-10P, Type A haakse receptacle met 0,2 μm verguldsel

IX31G-A-10S-CV(7.0), Type A rechte plug met 0,2 μm verguldsel

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), Type A haakse plug naar boven met 0,2 μm verguldsel

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), Type B haakse plug naar beneden met 0,2 μm vergulding

Veldmontage

In industriële Ethernet-toepassingen is een hoge beschikbaarheid vereist, en de assemblage van bekabeling in het veld kan een belangrijke overweging zijn. Het kan de installatie van apparatuur versnellen, vooral in modulaire architecturen om de snelle vervanging van versleten of beschadigde kabelassemblages te vergemakkelijken. Om tegemoet te komen aan de behoefte aan veldmontage biedt Hirose het HT803/IXG-8/10S-63-72 kabelmontagegereedschap dat kan worden gebruikt met IX30G, IX31G en IX32G IDC ix-connectors (Afbeelding 5). Het is een gecombineerd gereedschap om de kabel en de plug samen te krimpen en de beschermende behuizing op het geheel te bevestigen. In het geval van IX40G gesoldeerde connectors wordt het alleen gebruikt voor swaging.

Afbeelding 5: Dit handgereedschap maakt fabricage ter plaatse van ix-kabelassemblages mogelijk (Bron afbeelding: Hirose Electric)

Dit kabelmontagegereedschap is ontworpen om te werken met afgeschermde kabels van 22 tot 28 AWG met zevenaderige gegloeide koperdraden met een externe isolatiediameter van 6,3 tot 7,2 mm. De bediening is snel en eenvoudig.

Krimpen: Plaats de plug in het gereedschap met de codeersleutel naar boven en steek de kabel in de plug. Knijp in het handvat om het krimpen te voltooien. Het gereedschap bevat een ratelmechanisme om ervoor te zorgen dat het niet opengaat voordat er voldoende druk is uitgeoefend om een goede, gekrompen verbinding tot stand te brengen. De ratel laat automatisch los wanneer de vereiste druk is bereikt.

Swaging: Plaats een schild en kast in het gereedschap (er is een speciale uitsparing voor een goede plaatsing). Net als bij het krimpen plaatst u de plug in het gereedschap met de codeersleutel naar boven. Knijp in de hendel totdat de ratel loslaat om het vastzetten te voltooien.

Testen is belangrijk

Er kunnen verschillende redenen zijn om Ethernet-kabels in het veld te testen. Bij de eerste installatie van apparatuur of de vervanging van bestaande bekabeling kan door middel van tests worden aangetoond dat de kabel aan alle prestatie-eisen voldoet. Het testen van kabels is ook nuttig bij het oplossen van problemen met installaties om de bron van een probleem op te sporen. In een Ethernet-netwerk kunnen talrijke oorzaken van storingen voorkomen, zoals defecte connectoren, kabel- of schermbreuken en verhoogde gevoeligheid voor EMI.

De DSX-CHA-5-IX-S van Hirose is een set van twee adapters die geoptimaliseerd zijn om het testen in het veld van ix-connectors en kabelassemblages te versnellen (Afbeelding 6). Het is ontworpen voor gebruik met DSX CableAnalyzer-testers van Fluke Networks. Grondige tests volgens de IEEE 802.3 specificaties met deze adapters kunnen goed/fout resultaten opleveren, samen met uitgebreide diagnostiek om de identificatie van eventuele problemen te versnellen.

Afbeelding 6: De DSX-CHA-5-IX-S-adapterset versnelt het testen ter plaatse van ix-connectors en kabelassemblages. (Bron afbeelding: Fluke)

Conclusie

Ontwerpers kunnen ix-connectoren gebruiken om de behoefte aan robuuste connectiviteit met hoge dichtheid in Industry 4.0-systemen te ondersteunen. Deze connectors zijn beschikbaar in Ethernet- en niet-Ethernet-configuraties, met verschillende mechanische configuraties om een reeks systeemontwerpbehoeften te ondersteunen. Soldeerverbindingen kunnen worden gebruikt in grote productievolumes, terwijl IDC-modellen beschikbaar zijn voor het maken van kabelsamenstellingen in het veld. Er zijn ook gereedschappen en testers beschikbaar om ervoor te zorgen dat de resulterende kabelassemblages aan alle ix-prestatie-eisen voldoen.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Power over Ethernet (PoE) in industriële automatisering