Hoe industriële USB-C-kabels te gebruiken om interoperabiliteit te garanderen, kosten te verlagen en betrouwbaarheid te verbeteren

Industriële faciliteiten zijn een steeds complexer web van bedrading, met inbegrip van netwerken voor Internet of Things (IoT)-knooppunten naast digitale elektronica-interconnectie. Hoewel digitale netwerken zijn gestandaardiseerd met gebruikmaking van bedrade protocollen zoals Ethernet en BACnet, en draadloze netwerkprotocollen zoals Wi-Fi en Bluetooth, kan de digitale interconnectie tussen besturingscomputers zoals single board computers (SBC's) of programmeerbare logische controllers (PLC's), en randapparatuur zoals sensoren of actuatoren, sterk uiteenlopen.

Wat de zaak nog verwarrender maakt, is dat de interconnects gebruik kunnen maken van een verscheidenheid van kabels, connectoren en pennenbezettingen die erg op elkaar lijken, maar totaal niet compatibel zijn.

Het is de taak van systeemontwerpers om deze incompatibiliteit te verminderen en interoperabiliteit te waarborgen, en tevens de kosten te verlagen, de assemblage van systemen te versnellen en de betrouwbaarheid te verbeteren, ondanks de zware omstandigheden van de industriële omgeving. Een manier om dit te bereiken is door te standaardiseren op een USB-C-kabelassemblage met IP67- of IP68-classificatie. Dit kan het leven van technici een stuk eenvoudiger maken door de compatibiliteit van kabelassemblages in een reeks van apparatuur te verbeteren.

Dit artikel beschrijft de problemen van digitale interconnectie in industriële toepassingen en hoe standaardisatie op USB-C kabels en connectoren voor eenvoudige digitale interconnectie veel van deze problemen kan oplossen. Vervolgens worden diverse USB-C connectoren en kabelassemblages met unieke eigenschappen, waaronder IP67-conformiteit, van PEI-Genesis, Amphenol LTW en Bulgin geïntroduceerd, waarna wordt besproken hoe ze alomtegenwoordige, betrouwbare en robuuste connectiviteit kunnen bieden voor computer-naar-sensor/actuator toepassingen.

Digitale interconnectie in industriële automatisering

Industriële apparatuur wordt bestuurd door besturingscomputers, die een SBC, een PLC of een nabijgelegen laptop kunnen zijn. De besturingscomputer maakt vaak verbinding met nabijgelegen apparatuur die nodig is voor de apparatuur, die in grote lijnen kan worden omschreven als sensoren. Hiertoe behoren schakelaars, optische en omgevingssensoren; en actuatoren zoals motoren, solenoïden of lampen. Voor de meeste zware industriële apparatuur kiezen de ontwerpers bij de fabrikant van de apparatuur het type connector dat voor de kabeluiteinden wordt gebruikt en selecteren zij het gebruikte elektrische protocol. Voor een industriële besturing op maat selecteren en installeren de ingenieurs en technici de computer, actuatoren, sensoren, connectoren en kabels. Als het type connector en het elektrisch protocol eenmaal zijn gekozen, kunnen zij later niet meer worden gewijzigd zonder een lang en duur aanpassingsproces. Bij het plannen van de industriële operatie is het dan ook belangrijk om al in een zeer vroeg stadium van het ontwerpproces een beslissing te nemen over het type digitale interconnectie dat voor sensoren en actuatoren zal worden gebruikt. Zoals bij elk systeem dat op grote schaal gebruik maakt van onderling verbonden digitale systemen, geldt ook hier dat hoe groter de operatie, hoe meer tijd en geld kan worden bespaard door standaardisatie van apparatuur, met inbegrip van kabels.

Bij het installeren of herconfigureren van apparatuur moeten technici de juiste bekabeling met compatibele connectoraansluitingen bij de hand hebben. Op het eerste gezicht kunnen twee elektrisch incompatibele kabelassemblages er hetzelfde uitzien en zelfs soortgelijke connectoren hebben die bijna lijken te passen, maar dat niet doen. Deze niet voor de hand liggende compatibiliteit kan technici frustreren en de invoering van het systeem vertragen. Zelfs wanneer de juiste kabels worden gebruikt, kan het enkele pogingen vergen om een niet-omkeerbare connector met sleutel op de juiste manier op de apparatuur aan te sluiten om een solide verbinding te garanderen. In een omgeving met weinig licht of waar een snelle inzet van essentieel belang is, vermindert het standaardiseren van één kabelassemblage de frustratie en zorgt het tevens voor interoperabiliteit tussen machines. Dit bespaart niet alleen tijd, maar ook kosten, aangezien de kabelassemblage in bulk kan worden aangekocht.

Voordelen van USB-C voor digitale interconnectie

Om het probleem van de alomtegenwoordige digitale interconnectie aan te pakken, zijn USB-C-kabelassemblages geschikt voor de meeste toepassingen tussen industriële apparatuur. USB-C-plugs en -receptacles zijn sleutelloze, dubbelzijdige mesconnectoren die rotatiesymmetrisch zijn. Dit garandeert een solide verbinding bij de eerste plaatsing, wat tijd en frustratie bespaart, zodat technici niet langer hoeven te prutsen om een vergrendelde connector juist te oriënteren. USB-C-kabels kunnen ook stroom leveren aan de sensor of actuator, een extra voordeel.

Een industriële faciliteit kan standaardiseren op USB-C bekabeling en connectoren voor de meeste digitale interconnectie tussen regelcomputers en de sensoren en actuatoren, waardoor de voorraad kabelassemblage en de interoperabiliteit van connectoren wordt vereenvoudigd. Industriële IP67 USB-C-kabels en -connectoren zijn robuust en bestand tegen hitte, oplosmiddelen en vloeistoffen die vaak voorkomen in zware industriële omgevingen. Industriële USB-C-kabels zijn ook gemaakt om stroom- en signaalverlies tot een minimum te beperken en zijn beter bestand tegen misbruik door buigen en verdraaien.

USB-C-connectors kunnen USB 2.0 en USB 3.1 ondersteunen. De USB-C-norm vereist dat USB 3.1-poorten en kabelassemblages achterwaarts compatibel zijn met USB 2.0-snelheden van 480 megabit per seconde (Mbits/s). Dit voorkomt compatibiliteitsproblemen door USB 2.0-poorten gebruik te laten maken van dezelfde kabels als USB 3.1. USB 3.1 maakt echter veel hogere snelheden mogelijk. USB 3.1 Gen 1-kabels ondersteunen tot 5 gigabit per seconde (Gbits/s), terwijl USB Gen 2-kabels tot 10 Gbits/s ondersteunen. Om de transmissiesnelheid te identificeren, moeten kabelassemblages met USB-C-connectoren aan elk uiteinde volgens de USB-specificatie een e-markerchip in de connectorbehuizing hebben die de maximale stroom- en gegevenstransmissiesnelheid van de kabelassemblage identificeert. De gegevens in de e-markerchip worden door de USB-host bij de eerste inbrenging gelezen en informeren de USB-host over de maximale transmissiesnelheid van de kabel, zodat de USB-host de gegevens op de juiste wijze verzendt. USB-C-kabelassemblages die alleen USB 2.0-snelheden ondersteunen, hoeven geen e-marker chip te hebben, dus als er geen chipgegevens worden verzonden, zal de USB-host gegevens verzenden met 480 Mbits/s.

De USB-C-standaard staat een maximale stroomlevering toe van 3 ampère (A) bij 5 volt gelijkstroom voor een totaal van 15 watt vermogen. Dit is de standaard voor gebruikelijke USB-kabelassemblages. De specificatie voor USB 3.1 Gen 1 en later staat echter 5 A bij 20 volt toe voor een vermogen van 100 watt. USB-C-kabelassemblages die zijn ontworpen voor USB 3.1 stroomlevering moeten een e-marker chip bevatten die de stroomleveringscapaciteit aangeeft, anders zal de USB-host standaard 15 watt leveren. Dit verhoogt de veiligheid doordat overbelasting van de stroom, die de kabel zou kunnen vernielen, wordt voorkomen.

Hoewel de focus hier ligt op standaardisatie van USB-C kabelassemblages voor digitale interconnectie, is het belangrijk om te weten dat er drie kabelassemblagecapaciteiten zijn:

1. USB 2.0-modus: geen e-marker, kan 15 watt vermogen en 480 Mbits/s gegevens leveren
2. USB 3.1 Gen 1: e-marker, levert 100 watt vermogen en 5 Gbits/s data
3. USB 3.1 Gen 2: e-marker, levert 100 watt vermogen en 10 Gbits/s data

Als een USB-C-kabel met een lagere capaciteit wordt gebruikt met correct geconfigureerde USB-C-hosts en -apparaten met een hogere capaciteit, zal de USB-host de stroom en gegevens naar de lagere capaciteit smoren. Dit verhoogt de veiligheid door overbelasting van de kabel te voorkomen en verhoogt de betrouwbaarheid door compatibele datasnelheden te garanderen. Een faciliteit kan dit verder vereenvoudigen door alleen de standaard te gebruiken die de maximaal vereiste stroom- en datalevering biedt. Tenzij een industriële automatiseringsfaciliteit hoge gegevensverwerkingen uitvoert, zoals het streamen van live video, kan het een veilige keuze zijn om te standaardiseren op USB 3.1 Gen 1 kabelassemblages. Gewoonlijk worden 5 Gbit/s USB 3.1 Gen 1-kabels gespecificeerd voor maximaal 2 meter (m), wat voldoende is voor regelcomputers om verbinding te maken met nabijgelegen sensoren en actuatoren. Als het nodig is om op betrouwbare wijze 10 Gbit/s-gegevens te verzenden, worden USB 3.1 Gen 2-kabels gespecificeerd voor maximaal 1 m, omdat het verzenden van 10 Gbit/s door langere kabels kan leiden tot gegevensverlies langs de kabellengte als gevolg van signaalreflectie of -verzwakking.

USB-C-kabelassemblages

Voor ontwerpers die hoge-snelheidsgegevens willen verzenden in een ruwe omgeving, zijn er een aantal robuuste en betrouwbare oplossingen. PEI-Genesis levert bijvoorbeeld de IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 Gen 2 kabelassemblage (Afbeelding 1). De kabel is 1 m lang en is geschikt voor gebruik bij -20 °C tot +85 °C, geschikt voor de meeste veeleisende industriële omgevingen. De kabelmantel is gemaakt van polyvinylchloride (PVC) hars dat uitstekend bestand is tegen water en ultraviolette (UV) stralen. Commerciële mantels kunnen barsten of verkleuren bij langdurige blootstelling aan zonlicht.

Afbeelding 1: De Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M is een USB-C-kabelassemblage van 1 m, gemaakt voor industriële toepassingen. De connector met de borgmoerafdichting zorgt voor een veilige IP67 waterdichte verbinding met een sensor of actuator. De vermelde afmetingen zijn in millimeters. (Bron afbeelding: PEI-Genesis)

De IPUSB-31WPC-1M heeft een standaard USB-C-connector aan één uiteinde van gegoten PVC-hars met een roestvrijstalen USB-C-plug. Dit uiteinde wordt aangesloten op een USB-hostconnector op de SBC of PLC. Het andere uiteinde heeft een afgedichte gegoten plug met een nylon borgmoer en een rubberen pakking. Dit zorgt voor een stevige en veilige IP67-afdichting van de sensor of actuator.

De Sure Seal IPUSB-31WPC-1M bevat een ingebedde e-marker chip die zijn capaciteit aan de aangesloten apparatuur kenbaar maakt. De e-markerchip werkt over het volledige bereik van -20 °C tot +85 °C van de kabelassemblage. Dit zorgt ervoor dat de kabel correct kan worden geïdentificeerd, zelfs wanneer de apparatuur bij beide extreme temperaturen wordt ingeschakeld.

USB-C-connectiviteit in extreme omgevingen

Voor extreem zware omstandigheden biedt Amphenol LTW de UC30FL-NCML-SC01 USB-C-kabelassemblage van één meter (Afbeelding 2). De gehele kabellengte is omgeven door een polypropyleen kunststof (PP) buis die extra bescherming biedt tegen schokken, snijkrachten en belasting door het buigen om hoeken. De buis biedt ook bescherming voor de ingesloten kabel wanneer deze aan extreme trillingen wordt blootgesteld. De mantelbuis is aan elk uiteinde van de kabel gelijmd en kan niet worden verwijderd.

Afbeelding 2: De UC30FL-NCML-SC01 USB-C-kabelassemblage is ingesloten in een PP-kabelgoot die de ingesloten kabel beschermt tegen schokken en hevige trillingen. Afmetingen zijn in millimeters. (Bron afbeelding: Amphenol LTW)

De kabelassemblage heeft een gemeenschappelijke USB-C hostconnector aan één uiteinde die op de USB-host wordt aangesloten. Het andere uiteinde heeft een robuuste ronde connector met een versterkte trekontlasting. Het heeft een afgedichte gegoten plug met een siliconen pakking, vastgezet met een nylon borgmoer. Dit zorgt voor een waterdichte, luchtdichte afdichting die bestand is tegen de meeste chemicaliën. De kabel en ronde connector zijn IP67-gewaardeerd, zowel gekoppeld als losgekoppeld, waardoor de ronde USB-C-plug wordt beschermd tegen de omgeving, zelfs als deze niet is aangesloten.

De UC30FL-NCML-SC01 is brandbestendig volgens UL94V-0, wat betekent dat de PP-kabel tot 10 seconden vlammen kan weerstaan. De PP-kabel is ook bestand tegen olie, benzine en de meeste oplosmiddelen. Elke plug kan werken bij -40 °C tot +85 °C, terwijl de nylon borgmoer en de PP-slang bestand zijn tegen hogere temperaturen, van -40° C tot +115 °C. Dit maakt deze kabelassemblage bijzonder geschikt voor aansluiting op sensoren en actuatoren in industriële benzinemotoren en generatoren.

De ingebedde e-markerchip identificeert de kabel als een kabel die 5 Gbit/s gegevensoverdracht ondersteunt, geschikt voor snelle benzinegeneratoren die voortdurend de werking van de motor moeten controleren om de efficiëntie te maximaliseren.

USB-sensoren in mariene toepassingen

In sommige gevallen heeft de besturingscomputer voor de apparatuur een USB-A-aansluiting, maar moet deze worden aangesloten op een USB-C-connector. Hiervoor is een kabel nodig zoals de PXP4040/C/A/2M00 USB-A naar USB-C kabelassemblage van Bulgin (Afbeelding 3). Deze kabel heeft een USB-A-stekker aan het ene uiteinde en een ronde USB-C-plug aan het andere uiteinde en werkt bij -40 °C tot +80 °C. De USB-C-connector en -kabel werken wanneer ze twee weken ondergedompeld worden onder 10 m water. Het is ook bestand tegen zout water, waardoor het geschikt is voor maritieme uitrusting, met inbegrip van industriële machines aan boord van tankers en vrachtschepen. De kabel is geschikt voor IP68, met uitzondering van de USB-A-connector, die geschikt is voor IP66.

Afbeelding 3: De PXP4040/C/A/2M00 heeft aan de ene kant een USB-A-plug en aan de andere kant een USB-C-plug. Hij is bestand tegen zoutwater en de USB-C-plug kan tot twee weken lang in 10 m water worden ondergedompeld. (Bron foto: Bulgin)

De Bulgin PXP4040/C/A/2M00 heeft ook een ontvlambaarheidsklasse van UL94V-0. De kabelmantel is gemaakt van PVC-hars, waardoor hij geschikt is voor toepassingen op het zeedek.

De behuizing van de USB-C-kabel is gemaakt van polycarbonaat-polybutyleentereftalaat (PC/PBT), een zeer sterk materiaal dat vaak wordt gebruikt voor autobumpers. De behuizing van de PC/PBT-connector is zeer goed bestand tegen chemicaliën en heeft voldoende flexibiliteit om grote schokken bij koude temperaturen tot -40 °C te kunnen verdragen. Zelfs wanneer er met grote kracht op wordt geslagen, is de connector bestand tegen breuk en zal hij sierlijk barsten. Dit biedt weerstand tegen sabotage voor USB-beveiligingssensoren, waaronder bevriezingsaanvallen waarbij een connector snel wordt bevroren en vervolgens met een hamer wordt ingeslagen.

De USB-C-specificatie staat niet toe dat een e-markerchip wordt ingebouwd in een kabel met aan één uiteinde een USB-A-plug. Deze kabelassemblage is gespecificeerd om tot 5 A te leveren en een datasnelheid tot 5 Gbit/s te ondersteunen over zijn lengte van 2 m, hoewel sommige USB-C-randapparaten de afwezigheid van een e-marker chip kunnen opmerken en standaard op 480 Mbits/s gaan.

Conclusie

Standaardiseren op USB-C-kabelassemblages voor digitale interconnectie in een industriële omgeving vereenvoudigt de kabelinventaris en biedt snelle en gemakkelijke connectiviteit dankzij het rotatiesymmetrische ontwerp van de plug en de receptacle. USB-C-kabels kunnen hun stroom- en gegevensoverdrachtscapaciteit kenbaar maken aan de hostbesturingscomputer om gegevensverlies en gevaarlijke stroomoverbelasting te voorkomen. De juiste keuze en het gebruik van een geschikte USB-C-kabelassemblage in industriële systemen kan ook de betrouwbaarheid verbeteren, het onderhoud verminderen en de totale kosten verlagen.