Upgrade de dichtheid en betrouwbaarheid van industriële Ethernet-poorten met ix Industrial-connectors

Fabrieken ervaren een toename in gegevensintensieve toepassingen zoals robotica, machine vision en Industrial Internet of Things-technieken (IIoT). Het resultaat is een toenemende vraag naar hogesnelheidscommunicatie. Industrial Ethernet heeft geholpen, maar ontwerpers moeten een hoge poortdichtheid mogelijk maken, elektromagnetische interferentie (EMI) minimaliseren en zorgen voor fysiek robuuste verbindingen.

De ix Industrial-connector is slechts een kwart van de grootte van een RJ45-connector, heeft een verbeterde EMI-afscherming en is robuust gekoppeld, en is speciaal ontworpen om te voldoen aan de eisen van fabrieksautomatisering. De connector, die is gestandaardiseerd onder IEC 61076-3-124, maakt een reeks oplossingen van meerdere leveranciers mogelijk en biedt een reeks genuanceerde functies om de mogelijkheden van slimme fabriek verder te verbeteren.

Dit artikel geeft een kort overzicht van de connectiviteitsvereisten voor fabrieksautomatisering. Vervolgens worden de ix Industrial-connectors van Hirose geïntroduceerd en wordt getoond hoe ze kunnen worden gebruikt om aan de vereisten te voldoen.

Industrial Ethernet en de uitdagingen van RJ45-connectors

Industrial Ethernet heeft twee belangrijke kenmerken die geschikt zijn voor slimme fabrieken: een gegevenssnelheid van 10 gigabits per seconde (10 Gbps) en een technologische basis in Ethernet. Het maakt gebruik van hetzelfde TCP/IP-protocol, CAT5e- en CAT6-kabels en RJ45-connectors. Deze interoperabiliteit maakt de integratie van slimme fabrieksapparaten met elkaar en met bedrijfssystemen eenvoudiger.

De industriële omgeving zorgt echter voor een grotere fysieke belasting van connectoren en met de toenemende poortdichtheid hebben ontwerpers connectors met een kleinere voetafdruk nodig die EMI verder kunnen minimaliseren. Zoals Afbeelding 1 laat zien, neemt de ix Industrial-connector 75% minder installatieruimte in beslag dan RJ45-connectors. Tegelijkertijd biedt het een aanzienlijk verbeterde duurzaamheid en EMI-bestendigheid (Afbeelding 2).

Afbeelding 1: De ix Industrial-connector (links) is 75% kleiner dan de traditionele RJ45 (rechts). (Bron afbeelding: Automation World)

Afbeelding 2: ix Industrial-connectors bieden veel prestatieverbeteringen om te voldoen aan de eisen van fabrieksautomatisering. (Bron afbeelding: Hirose)

Hoewel ix Industrial een unieke connector gebruikt, is deze verder compatibel met de rest van het Industrial Ethernet-ecosysteem. Het ondersteunt bijvoorbeeld CAT6A-kabels tot 10 Gbps en Power over Ethernet (PoE) en PoE+ tot 3 ampère (A).

Voortbouwend op deze compatibiliteit is de geminiaturiseerde connector gestandaardiseerd onder IEC 61076-3-124. Dit zorgt voor interoperabiliteit tussen verschillende leveranciers, wat het ontwerpproces vereenvoudigt en ingenieurs meer vrijheid geeft bij het kiezen van producten. Hirose's ix Industrial-connectorserie is bijvoorbeeld volledig compatibel met oplossingen van andere fabrikanten.

De ix Industrial-connector is ook geselecteerd voor meerdere Ethernet-protocollen, waaronder PROFINET, CC-Link IE TSN en GigE Vision:

• PROFINET is een veelgebruikt Industrial Ethernet-protocol onder toezicht van Profibus en Profinet International (PI). Het wordt gebruikt voor programmeerbare logische controllers (PLC's), robots, aandrijvingen en sensor- en actuatoringangen en -uitgangen (I/O).
• CC-Link IE TSN is een standaard van de CC-Link Partner Association die gigabit Ethernet combineert met Time-Sensitive Networking (TSN). Het wordt aangetroffen in geavanceerde industrieën zoals de halfgeleider- en autoproductie.
• GigE Vision is een interfacenorm voor krachtige industriële camera's die wordt beheerd door de Automated Image Association (AIA). Het maakt gebruik van Ethernet-netwerken om voordelen te behalen zoals snelle gegevensoverdracht, langere kabellengte, lage kosten en schaalbaarheid.

Naast deze officiële erkenningen kunnen ix Industrial-connectors worden gebruikt met vele andere industriële Ethernet-protocollen, waaronder EtherCAT, Modbus TCP en Ethernet/IP. Dankzij de ondersteuning voor deze protocollen en de robuuste miniaturisatie zijn ix Industrial-connectors een overtuigende keuze voor veel toepassingen in smart factory. Dit zijn:

• Machine vision: Hoge-resolutiecamera's genereren grote hoeveelheden beeldgegevens voor real-time analyse en besluitvorming. Dit maakt gebruik van de hoge gegevenssnelheid en het compacte formaat van de ix Industrial-connector voor opstellingen met meerdere camera's.
• Robotica: Samenwerkende en autonome robots vertrouwen op realtime sensorgegevens en besturingssignalen voor een veilige en efficiënte werking. De robuustheid en lage EMI-gevoeligheid van de ix Industrial-connector zorgen voor een betrouwbare gegevensuitwisseling.
• Voorspellend onderhoud: Door sensors toe te voegen aan kritieke apparatuur kunnen potentiële storingen vroegtijdig worden opgespoord, waardoor kostbare stilstand wordt voorkomen. Dankzij het lage profiel en het robuuste ontwerp van de ix Industrial-connector is deze uitstekend geschikt voor kleine sensors onder zware bedrijfsomstandigheden.

Ruimtebesparende ontwerpopties voor plugs en receptacles

Beide ix Industrial-receptacles en -plugs hebben opmerkelijke eigenschappen die ruimtebesparing bevorderen. Zoals geïllustreerd in Afbeelding 3, zijn de receptacles verkrijgbaar in verschillende configuraties:

• Rechtopstaande receptacles, zoals de IX61G-A-10P, kunnen parallel worden gemonteerd met een pitchafstand van slechts 10 millimeter (mm) voor hoge poortdichtheden. In deze configuratie passen zes ix Industrial-connectors in dezelfde ruimte als drie RJ45-connectors, waardoor er aanzienlijk minder ruimte nodig is voor switches, routers en soortgelijke apparatuur.
• Horizontale receptacles met een laag profiel, zoals de IX60G-A-10P, hebben een profiel van 5,7 mm, wat minder is dan de helft van de hoogte van een RJ45-connector, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen zoals sensors.
• Verticale receptacles, zoals de IX80G-A-10P, kunnen vanaf de bovenkant worden gekoppeld, wat ontwerpers extra flexibiliteit biedt.

Afbeelding 3: ix Industrial-receptacles zijn verkrijgbaar in staande, verticale en horizontale varianten (respectievelijk boven, links en onder). De plugverbindingen zijn verkrijgbaar in rechte en haakse configuraties. (Bron afbeelding: Hirose)

De plugs zijn verkrijgbaar in een rechte oriëntatie, zoals de IX40G-B-10S-CV(7.0), of een haakse oriëntatie, zoals de IX30G-A-10S-CVL2(7.0). De haakse opties zijn bijzonder opmerkelijk, omdat ze de hoogte van de aansluiting verkleinen en het gemakkelijker maken om de kabel in krappe ruimtes te leggen. Deze plugs kunnen bijvoorbeeld problemen met betrekking tot de buigradius van kabels minimaliseren en serieschakeling met hoge dichtheid vergemakkelijken.

Mechanische en elektrische veerkracht

De ix Industrial-connector is ontworpen om industriële omstandigheden te weerstaan en heeft een robuuste constructie die bestand is tegen trillingen, schokken en EMI. Het omhulsel van de receptacle wordt op de printplaat gemonteerd via vijf soldeerboutjes met doorlopende gaten. Dit zorgt voor een stevige fysieke verbinding die bestand is tegen wringen en trekken, waardoor de signaalcontacten worden beschermd. Het zorgt ook voor een stevige verbinding tussen het omhulsel van de receptacle en de massaplaat van de printplaat.

De plugbehuizing bevat een geïntegreerde draadaansluitingsunit en kabelklem (Afbeelding 4). Dit voorkomt dat het verbindingsgedeelte van de kabel wordt beïnvloed door de belasting op de kabel. Het omhulsel wordt samengeperst en komt in direct contact met de aardingsveer van de receptacle, waardoor een doorlopende afscherming van 360˚ tegen EMI ontstaat.

Afbeelding 4: De ix Industrial-plug omhult de draadaansluitingsunit met een omhulsel dat bescherming biedt tegen fysieke schade en EMI. (Bron afbeelding: Hirose)

De connectors hebben ook een robuust klikvergrendelingsmechanisme dat een hoorbare en voelbare klik biedt. Dit positieve vergrendelmechanisme zorgt voor een veilige verbinding, zelfs in omgevingen met zware trillingen, en helpt de connector 5000 paringscycli te weerstaan.

Hirose biedt ook varianten van de ix Industrial-connectors met palladium-nikkelcontacten. De IX30G-A-10S-CV(7.0)(01)-plug gebruikt bijvoorbeeld contacten met 0,75 micrometer (μm) palladium-nikkel plus 0,05 μm vergulde laag. Deze contacten zijn duurzamer dan de standaard gouden contacten en zijn van onschatbare waarde voor toepassingen met frequente paringscycli.

Montage en testen vereenvoudigen

Hirose raadt aan kabels te gebruiken met draadmaten tussen 22 en 28 American Wire Gauge (AWG) om een verbinding van hoge kwaliteit te garanderen. De draden kunnen worden afgesloten door solderen of isolatieverplaatsingsverbindingen (IDC), waarbij IDC wordt aanbevolen voor plugs met veldaansluiting. Bij deze afsluitmethode wordt een krimptang zoals de HT803/IXG-8/10S-63-72 gebruikt om de draadisolators door te knippen en in één beweging aan te sluiten.

Voor de meest duurzame en hoogwaardige afsluiting wordt de voorkeur gegeven aan solderen. Hirose biedt diverse plugs, zoals de IX40G-A-10S-CV(7.0), die deze afsluitmethode ondersteunen.

Om kabels en assemblages te testen, biedt Hirose de DSX-CHA-5-IX-S, een set adapters voor de Amprobe (een bedrijf van Fluke Networks ) DSX CableAnalyzer. Met behulp van deze analyzer kunnen technici een goede werking garanderen en de diagnose van eventuele problemen vereenvoudigen.

Conclusie

Ontwerpers kunnen ix Industrial-connectors gebruiken om een hoge poortdichtheid en betrouwbaarheid te bereiken in slimme fabriekstoepassingen. Met hun standaardisatie onder IEC 61076-3-124 zijn ontwerpers verzekerd van interoperabiliteit tussen fabrikanten. Dankzij de verschillende opties voor plugs en receptacles kunnen ontwerpers montage- en kabelroutingoriëntaties kiezen om de voetafdruk van hun apparatuur te verkleinen, kabels te vermijden en een hoge bandbreedte te bereiken met een minimaal risico op interferentie.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Hoe te voldoen aan de Industry 4.0 vereisten voor hoge dichtheid en robuuste connectiviteit