Hur man uppfyller kraven på hög densitet och robusta anslutningar för Industry 4.0

Behovet av snabba och tillförlitliga Ethernet-anslutningar med hög densitet ökar i tillämpningar med Industry 4.0 såsom robotteknik, maskinseende, styrenheter, servoförstärkare och servrar. Ethernet-anslutningar i Industry 4.0-enheter måste ha stöd för kommunikationshastigheter på upp till 10 Gbit/s, vara skyddade mot elektromagnetiska störningar (EMI), tillhandahålla säkra kopplings- och låsningsmekanismer för att förhindra oavsiktlig urkoppling av kablar, tåla höga vibrationer och klara många in-/urkopplingar. Kontakterna måste vara tillräckligt kompakta för att klara av den ökande sammankopplings- och systemtätheten i Industry 4.0-tillämpningar.

De gamla RJ45 Ethernet-kontakterna kan uppfylla några av dessa krav, men de är relativt skrymmande och ger inte den flexibilitet vid installation som dagens konstruktioner kräver.

För att klara utmaningarna kan konstruktörer istället använda sig av industriella ix-kontaktdon för Ethernet-kablar med hög hastighet, inklusive Cat5e (1 Gbit/s) och Cat6a (10 Gbit/s). Kontakterna är 75 % mindre än RJ45-kontakter, har hög nivå av EMI-skydd och elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) för säkra dataöverföringar och uppfyller kraven i IEC 61076-3-124.

Artikeln inleds med en jämförelse mellan kontaktdon för RJ45- och industriella ix-kontaktdon. Därefter beskrivs ix-kontaktdon av typ A och typ B för Ethernet-anslutningar och icke-Ethernet-anslutningar, och de många olika konfigurationsalternativ som finns för ix-kontakter, tillsammans med några representativa kontakter från Hirose. Avslutningsvis presenteras verktyg för montering och testning av ix-kablar för att säkerställa en korrekt implementering.

RJ45 jämfört med ix-kontaktdon

Många Industry 4.0-tillämpningar behöver modulära anslutningar för snabb installation och omkonfigurering. Systemen kombinerar ofta äldre utrustning med ny design. De använder industriell Ethernet och andra protokoll med hög hastighet, som kräver interoperabilitet och hög tillgänglighet. Så kallade RJ-kontakter (Registered Jack) är vanliga i äldre utrustning, där RJ45-kontakter med åtta stift och åtta kontakter (8P8C) används för grundläggande Ethernet-anslutning.

De kommande Industry 4.0-systemen kräver ökad täthet och flexibilitet när det gäller sammankopplingar. Förutom att ix-kontaktdonen är 75 % mindre än RJ45-lösningar, möjliggör de parallell montering med ett mellanrum på 10 mm, och sex ix-kontaktdon kan rymmas på samma plats på kretskortet som tre kontaktdon för RJ45 (figur 1).

Figur 1: Monteringsavståndet på 10 mm medför att sex ix-kontaktdon ryms på samma plats på kretskortet som tre kontaktdon för RJ45. (Bildkälla: Hirose)

Tåliga och robusta

IEC 61076-3-124 innehåller specifikationer för mått, mekanik, elektronik, överföring och miljökrav för ix-kontaktdon. ix-kontaktdonen från Hirose går längre än IEC 61076-3-124 och uppfyller kraven i JIS E4031, den japanska industristandarden för stöt- och vibrationstestning för rullande järnvägsutrustning. De uppfyller även standarden GigE Vision för kameragränssnitt med stöd för användning av Gigabit Ethernet för snabb bildöverföring med mycket långa och billiga standardkablar. Deras kontakter för hög ström har stöd för användning av Power over Ethernet (PoE) och PoE+-tillämpningar enligt IEEE 802.3af och IEEE 802.3at.

Kontaktdonssystemet ix utformades redan från början med industriella tillämpningar i åtanke, medan kontaktdonet RJ45 ursprungligen utvecklades för användning i telekommunikationsutrustning för konsument- och företag, och har anpassats för användning i industriella miljöer. ix-kontaktdonen har exempelvis två låshakar av metall som ger både haptisk och akustisk återkoppling för att bekräfta att anslutningen mellan kontaktdonet och uttaget är säker. Industriella kontaktdon för RJ45 har bara en låsspärr.

Höljets konstruktion på ix-uttag ger mekanisk robusthet och förbättrar EMC-prestanda. Uttagen har fem genomgående flikar, två på varje sida och en på baksidan mellan de två signalkontakterna, medan RJ45-uttag endast har tre flikar. Flikarna på ix-uttagen är även mer robusta jämfört med flikarna på uttagen för RJ45. När de löds fast på kretskortet skyddar ix-uttagets flikar signalkontakterna från påfrestningar då kontaktdonet sätts i eller kopplas ur. De ökar även uttagets förmåga att tåla stötar och vibrationer. De lödda flikarna ansluts direkt till jord på kretskortet, vilket förbättrar EMI-skyddet (figur 2).

Figur 2: Fem flikar för genomgående hål på uttaget skyddar signalkontakterna, förbättrar stöt- och vibrationsegenskaperna och förbättrar ix-kontaktdonens EMC-egenskaper. (Bildkälla: Hirose)

Användning av modulära och omkonfigurerbara system förändrar förväntningarna på kontaktdonens prestanda. Kontaktdonen lämnas inte längre kvar under hela installationens livslängd. Produktionsstationer, verktyg och andra systemkomponenter måste kunna arrangeras om ofta för att stödja den massanpassning som är ett kännetecken för Industry 4.0. Därför kan ett kontaktdon kopplas i och ur hundra- eller tusentals gånger under sin livstid. Ix-kontaktdon från Hirose är konstruerade och testade för 5 000 sammankopplingscykler och uppfyller ändå alla prestandakrav enligt IEC 61076-3-124.

Anslutningar som inte är Ethernet-anslutningar

IEC 61076-3-124 har stöd för Ethernet-anslutningar och anslutningar som inte är Ethernet-anslutningar. För att förhindra felkopplingar används separata mekaniska kodningsscheman med beteckningarna "A" och "B" för ix-kontaktdon som är avsedda för Ethernet respektive andra anslutningar än Ethernet (figur 3):

• Ix-kontaktdon av typen A kan hantera överföringshastigheter på upp till 10 Gbits/s. De har stöd för PoE och PoE+ och kan identifieras på en 45° avfasning i uttagets nedre vänstra hörn.
• Ix-kontaktdon av typen B är utformade för användning i alla tillämpningar som inte är av Ethernet-typ, t.ex. signalering och olika protokoll för seriell och annan industriell kommunikation. De kan identifieras på en 45° avfasning i uttagets övre vänstra hörn.

Figur 3: ix-kontaktdonen finns med två mekaniska kodningskonstruktioner för att förhindra att en Ethernet-kontakt ansluts i ett uttag som inte är avsett för Ethernet och vice versa. (Bildkälla: Hirose)

Flexibilitet i integrationen

Kontakterna ökar även flexibiliteten i systemintegrationen. Kablar kan anslutas till ix-uttag genom lödning eller med hjälp av IDC-anslutningar (isolationsförskjutning). Lödförbindelser kan påskynda produktionen av färdigmonterade kablar i en fabriksmiljö. IDC-anslutningar används ofta för att tillverka färdigmonterade kablar på fältet och kan minska installationstiden med upp till 50 % tack vare att man slipper avlägsna trådar, vrida och löda. Det finns fyra motsvarande kopplingsfamiljer, 30, 31, 32 och 40. De tre första har stöd för olika IDC-kabelstorlekar, medan den fjärde används för lödanslutningar:

• 30: IDC som använder trådstorlekar 26-28 AWG (American wire gauge), med en ytterdiameter på isoleringen som varierar mellan 0,95 och 1,05 mm.
• 31: IDC som använder trådstorlekar 24-25 AWG med en ytterdiameter på isoleringen som varierar mellan 1,1 och 1,25 mm.
• 32: IDC som använder 22 AWG, med en ytterdiameter på isoleringen som varierar mellan 1,4 och 1,6 mm.
• 40: Handlödd

Hirose har även ix-kontaktdon med tre uttagskonfigurationer och tre kontaktkonfigurationer för att passa specifika tillämpningsbehov (figur 4). Uttagskonfigurationerna inkluderar:

• Uppåtriktad rätvinklad som kan monteras parallellt med ett avstånd på 10 mm för att spara plats på kretskortet i system med hög densitet.
• Vertikal modell som gör det möjligt att ansluta kontakten uppifrån.
• Den låga profilen för den rätvinkliga kontakten är 5,7 mm hög, vilket är mindre än hälften av höjden på en RJ45-kontakt.

Kontaktkonfigurationer inkluderar:

• Rak kabelförläggning
• Kabelförläggning i rät vinkel uppåt
• Kabelförläggning i rät vinkel neråt

Figur 4: Det finns tre olika typer av uttag, en annan typ visas för vart och ett av de tre kretskorten. Respektive kretskort innehåller de tre olika modellerna av ix-kontaktdon. (Bildkälla: Hirose)

Exempel på ix-kontaktdon

Förutom de konfigurationer och alternativ som beskrivs ovan erbjuder Hirose ett urval av guldplätering eller palladium-nickelplätering plus guldplätering på kontaktytorna, för konstruktörerna. Exempel på dussintals ix-kontaktdon från Hirose inkluderar:

IX80G-B-10P(01), vertikalt uttag typ B med 0,75 μm plätering av palladium-nickel och 0,05 μm guldplätering.

IX80G-A-10P(01), vertikalt uttag av typ A med 0,75 μm plätering av palladium-nickel och 0,05 μm guldplätering.

IX61G-B-10P, typ B, uppåtriktat rätvinklat uttag med 0,2 μm guldplätering

IX60G-A-10P, typ B, rätvinklat uttag med 0,2 μm guldplätering

IX31G-A-10S-CV(7.0), rakt kontaktdon av typ A med 0,2 μm guldplätering

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), uppåtriktat rätvinklat kontaktdon av typ A med 0,2 μm guldplätering

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), neråtriktat rätvinklat kontaktdon av typ B med 0,2 μm guldplätering

Fältmontering

Hög tillgänglighet krävs i industriella Ethernet-tillämpningar, och fältmontering av kablage kan vara en viktig faktor. Det kan påskynda installationen av utrustning, särskilt i modulära arkitekturer för att underlätta ett snabbt utbyte av kablage som har blivit slitet eller skadat. För att tillgodose behovet av fältmontering finns kabelmonteringsverktyget HT803/IXG-8/10S-63-72 från Hirose som kan användas med IDC ix-kontakterna IX30G, IX31G och IX32G (figur 5). Det är ett kombinerat verktyg för att krimpa ihop kabeln och kontakten samtidigt som skyddshöljet pressas fast på enheten. När det gäller lödda IX40G-kontakter används den endast för sammanpressning.

Figur 5: Handverktyget gör det möjligt att tillverka färdiga ix-kablage på fältet. (Bildkälla: Hirose Electric)

Kabelmonteringsverktyget är konstruerat för att arbeta med skärmade kablar från 22 till 28 AWG med sju-trådiga förtenta koppartrådar med en yttre isoleringsdiameter från 6,3 till 7,2 mm. Användningen är snabb och enkel.

Krimpning: Placera kontakten i verktyget med kodnyckeln uppåt och för in kabeln i kontakten. Tryck ihop handtaget för att slutföra pressningen. Verktyget har en spärrmekanism för att säkerställa att det inte öppnas förrän tillräckligt tryck har applicerats för att skapa en bra, krimpanslutning. Spärren släpper automatiskt när det önskade trycket har uppnåtts.

Sammanpressning: Placera ett kontaktskal och ett hölje i verktyget (en särskild skåra finns för att garantera korrekt placering). Precis som vid krimpningsprocessen måste du placera kontakten i verktyget med kodnyckeln uppåt. Tryck ihop handtaget tills spärren släpper för att slutföra pressningen.

Testning är viktigt

Det kan finnas många skäl till att testa Ethernet-kablar i fält. Vid första installationen av utrustning eller utbyte av befintlig kabeldragning kan testning intyga att kabeln uppfyller alla prestandakrav. Kabeltestning är även användbart vid felsökning av installationer för att lokalisera källan till ett problem. Det kan finnas många felkällor i ett Ethernet-nätverk, bland annat trasiga kontakter, kabel- eller skärmavbrott eller ökad känslighet för EMI.

DSX-CHA-5-IX-S från Hirose är en uppsättning med två adaptrar som är optimerade för att påskynda fältprovningen av ix-kontaktdon och färdigmonterade kablar (figur 6). Den är utformad för användning med testverktyget DSX CableAnalyzer från Fluke Networks. Grundlig testning enligt specifikationerna för IEEE 802.3 med hjälp av dessa adaptrar kan ge resultat som är godkända/misslyckade, tillsammans med omfattande diagnostik för att snabbare identifiera eventuella problem.

Figur 6: Adaptersatsen DSX-CHA-5-IX-S påskyndar fälttestningen av ix-kontaktdon och färdigmonterade kablar. (Bildkälla: Fluke)

Sammanfattning

Konstruktörer kan använda ix-kontaktdon för att tillgodose behovet av hög densitet och robusta anslutningar i system för Industry 4.0. Kontaktdonen finns i konfigurationer för Ethernet och för icke-Ethernet, med en mängd olika mekaniska konfigurationer för att stödja en rad olika behov i systemkonstruktionen. Lödförbindelser kan användas i högvolymproduktion, medan IDC-modeller finns tillgängliga för att tillverka färdiga kablar på fältet. Verktyg och testverktyg finns också lätt tillgängliga för att garantera att de färdigmonterade kablarna uppfyller alla prestandakrav för ix-kontaktdon.

Rekommenderad läsning

1. Power over Ethernet (PoE) inom industriautomation