Met behulp van snelle, robuuste Ethernet-connectors voor industriële communicatienetwerken

Het Industrial Internet of Things (IIoT), oftewel Industry 4.0, is de drijvende kracht achter de vraag naar communicatienetwerken die in staat zijn om in uitdagende omgevingen te opereren. Vaak is de zwakke schakel in deze netwerken de connectoren, omdat industriële omgevingen heet en vies zijn en gewoonlijk trilmachines bevatten, wat de mechanische verbindingen voortdurend onder druk zet en de betrouwbaarheid ondermijnt. Verergeren van de situatie zijn de gevolgen van een verbindingsfout in een moderne fabriek. Hoewel het financieel catastrofaal kan zijn met een verloren gegane productie die snel kan oplopen tot een groot dollarverlies, kan een mislukte veiligheidsverbinding ernstig letsel veroorzaken. Als zodanig is een alternatief voor de standaard RJ45-connector vereist.

Ontwerpers hebben Ethernet-connectors nodig die robuust genoeg zijn om te voldoen aan de huidige industriële normen en IP-codes (Ingress Protection), ongeacht waar ze in eerste instantie worden geplaatst. Ze moeten betrouwbaar kunnen presteren met Cat 6A Ethernet-snelheden tot 10 gigabit per seconde (Gbps), Power-over-Ethernet (PoE) ondersteunen en zo "future proof" mogelijk zijn, terwijl ze ook nog eens voldoen aan vaak krappe ontwerpbudgetten.

In dit artikel worden de eisen voor industriële communicatiesystemen en de juiste IP-niveaus onderzocht. Vervolgens wordt beschreven hoe de functies van industriële Ethernet-connectors aan deze eisen voldoen, voordat ze worden geïntroduceerd als voorbeelden van echte oplossingen van Amphenol om ingenieurs te laten zien hoe ze de connectoren voor nieuwe projecten kunnen gebruiken.

Industriële netwerkvereisten

De moderne industrie heeft de bedrade netwerken omarmd om "Industry 4.0" (beschreven als de "digitalisering van de productie") aan te drijven en voort te bouwen op de informatisering van de sector die zich eind jaren '70 en in de jaren '80 voordeed. Voor managers belooft Industry 4.0 een hogere productiviteit, een hogere kwaliteit van het product, lagere prijzen en meer veiligheid. Voor ingenieurs is het de taak om de robuuste netwerken te bouwen die de moderne productie ondersteunen.

De infrastructuur voor binnenlandse en commerciële Ethernet-netwerken is over het algemeen gebaseerd op goedkope kabels en standaard RJ45-connectors, maar die componenten zijn niet ontworpen voor fabriekstoepassingen. De fabrieksomgeving is uitdagender en bij de keuze van de kabels en connectors moet rekening worden gehouden met de volgende stressfactoren:

• Mechanisch: schokken, trillingen, verbrijzeling, verbuiging, verdraaiing
• Chemisch: water, oliën, oplosmiddelen, bijtende gassen
• Milieu: extreme temperaturen, luchtvochtigheid, zonnestraling
• Elektrisch: elektrostatische ontlading (ESD), elektromagnetische interferentie (EMI), hoogspanningstransiënten

Industriële bekabeling en connectoren moeten worden gespecificeerd om bestand te zijn tegen de zwaarste omstandigheden die over de hele levensduur van het netwerk worden verwacht. Het heeft bijvoorbeeld niet veel zin als een kabel wordt gespecificeerd voor normale omgevingstemperaturen als later de fabriek zodanig wordt aangepast dat de kabel nu in de buurt van procesovens loopt waar de temperatuur veel hoger is.

Industriële kabels zijn verkrijgbaar met hoogwaardige polyurethaan isolatie, die bestand is tegen slijtage, chemicaliën (inclusief olie) en brand. Terwijl isolators zoals polyvinylchloride (PVC) goedkoper zijn, kan het plastic worden aangetast door oliën en chemicaliën, en bros worden en barsten bij lage temperaturen.

Het bouwen van een industrieel Ethernet-netwerk

In omgevingen met weinig elektrische ruis kunnen onafgeschermde twisted-pair-kabels aanvaardbaar zijn. Industriële apparaten zoals booglassers of elektrische apparatuur in de fabriek, zoals schakelrelais, frequentieregelaars of solenoïden, kunnen echter interferentie en gegevensverstoring veroorzaken in niet-afgeschermde kabels. In geval van twijfel moet de ingenieur voorzichtig zijn en afgeschermde kabel gebruiken om mogelijke dure systeemfouten later te voorkomen. Naarmate fabrieken groeien, is het gebruikelijk dat besturings- en voedingskabels gebruik maken van kanalen die voorheen bestemd waren voor ethernetcommunicatie. Dit kan leiden tot gegevenscorruptie als er oorspronkelijk niet-afgeschermde ethernetkabels werden gespecificeerd.

Een ontwerp met dubbele afscherming, waarbij gebruik wordt gemaakt van zowel folie als een koperen vlecht, is de meest effectieve oplossing om datacorruptie te voorkomen. Om ervoor te zorgen dat de afscherming goed werkt, moet de ingenieur ook afgeschermde connectors gebruiken en de afscherming naar de aarde leiden. Als een schild ongemoeid wordt gelaten, kan het de storingsproblemen verergeren door als een antenne te fungeren.

Zelfs bij afgeschermde kabels worden de signalen afgebroken als ze over lange afstanden lopen. Kabels met massieve geleiders presteren beter en kunnen een maximale doorloopsnelheid van 100 meter (m) hebben, maar ze zijn meer vatbaar voor schade door buigen of verdraaien. Gestrengelde kabels kunnen beter worden verdraaid en gebogen, maar moeten niet worden gebruikt voor een lengte van meer dan 85 m (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Solid conductor Ethernet-kabels moeten beperkt zijn tot 100 m lengte, terwijl de versies met gestrande kabels beperkt moeten zijn tot 85 m. (Bron afbeelding: Amphenol)

Bij de aanleg van het netwerk is de minimale statische buigradius vier keer de buitendiameter (OD) van de kabel. Dit geldt voor gestrande of massieve, al dan niet afgeschermde kabels. Wanneer buiging nodig is, mogen geen massieve geleiderkabels worden gebruikt. De databladen voor gestrande kabels specificeren doorgaans de maximale flexcycli, die meestal tussen een miljoen en 10 miljoen liggen, afhankelijk van de buigradius.

De kabels moeten worden vastgezet met bundelbanden die los genoeg zijn om de kabels vrij onder de bundelband te kunnen bewegen. Overtightening zal stresspunten creëren die kunnen leiden tot het falen van de geleider. De kabels moeten ook los in de bundelbanden worden gehouden als er meerdere kabels worden gebundeld.

Omdat het overgrote deel van de inbedrijfstellingsfouten te wijten is aan de veldbekabeling (omdat het onderhoud van de getwiste paren en het correct afsluiten van de afscherming een moeilijk en tijdrovend karwei is), wordt het gebruik van in de fabriek gemonteerde gegoten connectoren geadviseerd.

Ontwerpen voor de toekomst

Hoewel bekabelde netwerken belangrijke voordelen met zich meebrengen (zoals snelheid, signaalintegriteit en veiligheid), zijn ze duur om te installeren en te onderhouden. De ontwerper die belast is met het specificeren van het netwerk moet daarom een oogje op de toekomst hebben om ervoor te zorgen dat de infrastructuur zo lang mogelijk meegaat en zo min mogelijk reparaties nodig heeft.

De geschiedenis van Ethernet heeft de netwerksnelheden onverbiddelijk zien stijgen. In de toekomst zullen industriële netwerken waarschijnlijk worden gedomineerd door optische infrastructuur die tarieven van 400 Gbps of zelfs terabits per seconde (Tbps) biedt. Voor de huidige koperdraadinstallaties moet een zorgvuldige selectie van hoogwaardige twisted-pair-kabels en connectoren ervoor zorgen dat het netwerk niet alleen de huidige 1 Gbps-snelheden aankan, maar ook de komende 10 Gbps-aansluitingen (Tabel 1).

Tabel 1: Snelheden van de ethernetkabel en de bijbehorende ethernetbedrijfsfrequentie, die over het algemeen in verhouding staat tot de doorvoer. (Bron afbeelding: DigiKey)

Fabrieksnetwerken beginnen ook te profiteren van PoE, een technologie die gebruik maakt van ethernetbekabeling om stroom te leveren aan aangesloten apparatuur. PoE maakt gebruik van een enkele standaard Ethernet-infrastructuur terwijl het vermogen in de tientallen watt wordt verwerkt. Door de gecentraliseerde en flexibele aard van de technologie is er geen lokale stroomvoorziening nodig voor elk aangedreven apparaat op het netwerk, zodat de aangedreven apparaten overal kunnen worden geplaatst en later gemakkelijk kunnen worden verplaatst als dat nodig is.

Een verbeterde vorm van PoE, PoE+ genaamd, kan tot 25,5 Watt DC leveren aan het aangesloten apparaat en maakt het mogelijk om hoog vermogen trekapparatuur, zoals beveiligingscamera's, aan te sluiten. (Zie het technische artikel van DigiKey, "Power-over-Ethernet past zich aan om aan de hogere vraag te voldoen")

Net zoals kabels en connectors moeten worden afgestemd op gelijke weerstand tegen mechanische, chemische, milieu- en elektrische belasting, zo moeten ze ook worden afgestemd op de functionele prestaties. De maximale operationele kenmerken worden gedicteerd door de minst capabele component in het netwerk; als bijvoorbeeld Cat 6a-kabels worden gematched met Cat 6-connectors, zal het systeem een maximale doorvoercapaciteit van 1 Gbps hebben in plaats van de nominale maximale doorvoercapaciteit van de kabels van 10 Gbps.

Connectors voor industriële netwerken

Hoewel het belangrijk is dat de ontwerper bij het bouwen van industriële netwerken zorgvuldig rekening houdt met de kabelkeuze, de routing en de Ethernet-frequentie, vormen de connectors de grootste ontwerpuitdaging binnen een Ethernet-netwerk. Dit komt omdat ze de zwakste schakel vormen; niet alleen bieden connectors potentiële toegang tot water en vuil, maar ze bevatten ook korte runs waar ethernetparen ongedraaide zijn en dus vatbaarder zijn voor elektrische ruis.

De ontwerper moet overwegen waar de connectors zullen worden gebruikt, aangezien de fabrieksomgeving sterk verschilt. Zo classificeert de door de IEC-norm 60529 bepaalde IP-code de beschermingsgraad van de mechanische behuizingen en de elektrische behuizingen die de connector vormen. Het eerste cijfer van de code geeft de mate van bescherming van vaste deeltjes aan (variërend van 0 (geen bescherming) tot 6 (stofdicht)), terwijl het tweede cijfer de mate van bescherming tegen het binnendringen van vloeistoffen aangeeft (variërend van 0 (geen bescherming) tot 9K (krachtige, hoge temperatuur waterstralen)).

Een classificatie van IP20 (bescherming tegen vingers en soortgelijke voorwerpen, geen bescherming tegen vocht) voor connectoren die worden gebruikt in schone, droge fabrieksomgevingen is gebruikelijk voor veel industriële connectoren. De ix Industrial IP20-connectors van Amphenol bijvoorbeeld zijn snelle, robuuste, 10-positie componenten die worden geleverd in een pakket dat 70 procent kleiner is dan een typische RJ45.

Connector-makers bieden doorgaans opties voor een hogere bescherming voor gebruik in steeds vuilere en nattere omgevingen, en Amphenol is daarop geen uitzondering. De ix Industrial IP20-lijn strekt zich uit van IP20 voor het standaardproduct tot IP67 (stofdicht, onderdompeling tot 1 m diepte) voor niet-standaard producten.

De netwerkontwerper moet ernaar streven het aantal aansluitingen te minimaliseren, met name snoeren met mannelijke connectors aan beide uiteinden. Deze zijn voor niet-technisch personeel te gemakkelijk uit te breiden, met nadelige gevolgen voor de prestaties van de rest van het netwerk. Bovendien is het gebruikelijk dat alle vaste connectors van het vrouwelijke type zijn.

Net als andere fabrikanten zijn de Amphenol-connectors verkrijgbaar in mannelijke vormfactoren voor kabels en drie soorten vrouwelijke vormfactoren voor vaste installaties: verticale houders voor schotten, rechthoekige verticale(ND9AS1200) en horizontale(ND9BS3200) houders voor printplaatmontage (Afbeelding 2). De printplaatbevestigingsvarianten zijn verkrijgbaar in de oppervlaktemontagetechniek (SMT) of in doorlopende vormfactoren voor eenvoudig solderen op het substraat.

Afbeelding 2: Amphenol's ix industriële connectors zijn verkrijgbaar in een verscheidenheid aan plugs en aansluitingen voor kabel-, bulkhead- en printplaattoepassingen. (Bron afbeelding: Amphenol)

De mannelijke versie kan afzonderlijk worden geleverd(ND9AP5200) of als onderdeel van een kabelset(ND9ACB250A) met een lengte van 500 tot 2000 millimeter (mm).

Een nuttige leidraad voor de kwaliteit van een connector is om te controleren of deze voldoet aan de eisen van normen als IEC 60512 en IEC 61076. In IEC 60512 worden de mechanische en elektrische testen beschreven, evenals de drempelwaarden waaraan een connector moet voldoen bij gebruik van elektrische en elektronische apparatuur. De norm omvat mechanische factoren zoals insteek- en uittrekkracht, trillingsbestendigheid en het maximale aantal paringscycli, maar ook elektrische factoren zoals weerstand door contact, afscherming en isolatie.

De Amphenol ix industriële connectors zijn ontworpen om een robuuste, geminiaturiseerde Ethernet-interface te bieden (conform de relevante IEC-standaarden) met tot 75% ruimtebesparing ten opzichte van standaard RJ45-connectors. Met een connectorafstand van 10 mm en een robuuste metalen tweepuntsvergrendeling bieden de connectors Cat 6a-prestaties voor maximaal 10 Gbps Ethernet-communicatie, PoE/PoE+-mogelijkheden en een 360°-afscherming voor EMI-immuniteit.

De printplaatconnectors zijn voorzien van heavy-duty soldeertabs om ze te beveiligen en zijn robuust genoeg om schokken en trillingen te verdragen met behoud van een betrouwbare verbinding. Ze kunnen tot 5000 paringscycli aan.

De tabellen 2 en 3 geven aan hoe de ix Industrial-serie presteert ten opzichte van de belangrijkste aspecten van de IEC 60512-norm.

Tabel 2: Vanuit elektrisch oogpunt kunnen de ix industriële Ethernet-connectors stromen tot 1,5 A aan en voldoen ze aan de IEC 60512-eisen. (Bron afbeelding: DigiKey)

Tabel 3: De mechanische prestaties van de ix industriële connector maken het mogelijk om te voldoen aan de IEC 60512 en 60068 eisen. (Bron afbeelding: DigiKey)

IEC 61076 is meer gefocust op 10-wegs, afgeschermde, vrije en vaste rechthoekige connectors voor datatransmissie met frequenties tot 500 megahertz (MHz). Het document specificeert de gemeenschappelijke afmetingen, de mechanische, elektrische en transmissiekarakteristieken, evenals de milieueisen voor industriële netwerken.

In het bijzonder identificeert IEC 61076 de coderingen die de positie van de polarisatiesleutel en het pingat van de connectors bepalen. Type A-connectors zijn bedoeld voor 100 megabit per seconde (Mbps) tot 10 Gbps Ethernet-communicatie. Type B-connectors zijn bedoeld voor alle andere niet-ethernettoepassingen, zoals signalerings-, seriële of andere industriële buscommunicatiesystemen (Afbeelding 3, onder a) en b)).

Afbeelding 3: IEC 61076 specificeert de polarisatie en pingat voor connectors voor gegevensoverdracht. Type A (a) maakt gebruik van een hoek van 45° rechtsonder op de receptor (gezien in het gezicht van de paring). Voor type B (b) bevindt zich de 45° snijhoek in de linkerbovenhoek van de receptor. (Bron afbeelding: Amphenol)

Conclusie

Moderne fabrieken worden gebouwd met communicatienetwerken om de productie te digitaliseren voor een grotere productiviteit en lagere kosten. De connectors en kabels waaruit deze netwerken bestaan, moeten niet alleen robuust genoeg zijn om bestand te zijn tegen zware industriële omgevingen, maar ook om aan de toekomstige hogesnelheidscommunicatie en PoE-eisen te kunnen voldoen.

Er zijn oplossingen van bedrijven zoals Amphenol die kabels en connectors van industriële kwaliteit aanbieden die zijn ontworpen om precies aan deze uitdagingen en fabrieksbudgetten te voldoen. Ze voldoen aan strenge normen voor industriële connectoren en bevatten functies die hoge netwerkprestaties ondersteunen, een langere levensduur hebben en minimaal onderhoud vergen. Zoals getoond, moeten ontwerpers de toepasselijke normen en zowel de elektrische als mechanische beperkingen van de connectors begrijpen om ze op de juiste manier toe te passen op een succesvol IIoT- of Industrie 4.0-netwerkontwerp.