Hur man använder industriella USB-C-kablar för att säkerställa interoperabilitet, sänka kostnader och förbättra tillförlitligheten

Industrianläggningar är ett alltmer komplicerat nät av ledningar, inklusive nätverk för IoT-noder (Internet of Things) och sammankopplingar av digital elektronik. Digitala nätverk är standardiserade med hjälp av kabelanslutna protokoll som Ethernet eller BACnet och trådlösa nätverksprotokoll som Wi-Fi eller Bluetooth, men den digitala sammankopplingen mellan styrdatorer, t.ex. kretskortsdatorer (SBC) eller programmerbara styrsystem (PLC), och kringutrustning, såsom givare och ställdon, kan variera kraftigt.

För att göra saker och ting ännu mer förvirrande, kan kopplingarna använda en mängd olika kablar, kontaktdon och stiftlayouter som kan se väldigt lika ut, men är helt inkompatibla.

Det är systemkonstruktörerna som måste minska dessa inkompatibiliteter och garantera interoperabilitet, samtidigt som de sänker kostnaderna, gör monteringen av systemet snabbare och förbättrar tillförlitligheten, trots de hårda förhållandena i den industriella miljön. Ett sätt att åstadkomma detta är att använda en standardiserad IP67- eller IP68-klassad USB-C-kabel. Det kan göra livet mycket enklare för tekniker genom att förbättra kompatibiliteten för färdiga kablar i en mängd olika utrustningar.

Artikeln beskriver problemen med digital sammankoppling i industriella tillämpningar och hur standardisering av USB-C-kablar och -kontaktdon för enkel digital sammankoppling kan lösa många av dessa problem. Därefter presenteras en mängd olika USB-C-kontaktdon och färdiga kablar med unika egenskaper, inklusive IP67-klassificering, från PEI-Genesis, Amphenol LTW och Bulgin, innan man går igenom hur de kan ge ständigt tillgängliga, tillförlitliga och stabila anslutningar i tillämpningar med dator-till-givare/ställdon.

Digital sammankoppling inom industriell automation

Industriell utrustning hanteras av styrdatorer, som kan vara en SBC, en PLC eller en bärbar dator i närheten. Styrdatorn är ofta ansluten till närliggande enheter som utrustningen behöver, vilket i stort sett kan definieras som givare. Dessa inkluderar omkopplare, optiska givare och miljögivare, samt ställdon som motorer, solenoider och lampor. För de flesta tunga industriella utrustningar är det konstruktörerna hos utrustningstillverkaren som väljer vilken typ av kontaktdon som används i kabeländarna och vilket elektriskt protokoll som används. För en anpassad industriell styrning väljer och installerar ingenjörer och tekniker dator, ställdon, givare, kontakter och kablar. När typen av kontaktdon och det elektriska protokollet har valts, kan detta inte ändras senare utan en lång och dyr ombyggnadsprocess. När man planerar den industriella verksamheten är det därför viktigt att bestämma vilken typ av digital sammankoppling som ska användas för givare och ställdon väldigt tidigt i konstruktionsprocessen. Som med alla system som i stor utsträckning använder sig av sammankopplade digitala system, gäller att ju större verksamheten är, desto mer tid och pengar kan man spara genom att standardisera utrustning, inklusive kablar.

När tekniker installerar eller konfigurerar om utrustning måste de ha rätt kablage med kompatibel kontaktering lätt tillgängligt. Vid en första anblick kan två elektriskt inkompatibla färdiga kablar se likadana ut och till och med ha liknande kontaktdon som nästan ser ut att passa ihop, men som inte gör det. Denna icke uppenbara inkompatibilitet kan göra tekniker frustrerade och fördröja införandet av systemet. Även vid användning av rätt kablar kan det ta flera försök att få en en icke vändbar kontakt med nyckling på kabeln i korrekt riktning mot utrustningen för att garantera en stabil anslutning. I en miljö med svagt ljus eller där det är viktigt att det går snabbt att installera, minskar en standardiserad färdig kabel, frustrationen samtidigt som man säkerställer interoperabiliteten mellan maskinerna. Detta sparar inte bara tid utan även pengar eftersom kablarna kan köpas i stora mängder.

Fördelar med USB-C för digital sammankoppling

För att lösa problemet med ständigt tillgängliga digitala förbindelser är färdiga USB-C-kablar lämpliga för de flesta tillämpningar mellan industriell utrustning. USB-C-kontakter är nyckellösa, dubbelsidiga bladkontakter som är rotationssymmetriska. Detta garanterar en stabil anslutning vid den första anslutningen, vilket sparar tid och frustration så att tekniker inte längre behöver fumla för att sätta i ett kontaktdon med nyckling korrekt. USB-C-kablar kan även strömförsörja givaren eller ställdonet, vilket är en ytterligare fördel.

En industrianläggning kan använda standardiserade USB-C-kablar och kontaktdon för de flesta digitala kopplingar mellan styrdatorer och givare eller ställdon, vilket förenklar lagerhanteringen av kablar och interoperabiliteten mellan kontaktdonen. Industriella IP67-klassificerade USB-C-kablar och -kontaktdon är kraftiga och tål värme, lösningsmedel och vätskor som ofta förekommer i industrianläggningar. Industriella USB-C-kablar är även tillverkade för att minimera ström- och signalförluster och är mer toleranta mot böjnings- och vridningskrafter.

USB-C-kontakterna har stöd för USB 2.0 och USB 3.1. Standarden USB-C kräver att USB 3.1-portar och färdiga kablar är bakåtkompatibla med hastigheten i USB 2.0 på 480 Mbits/s. Detta förhindrar kompatibilitetsproblem genom att USB 2.0-portar kan använda samma kablar som USB 3.1. USB 3.1 möjliggör dock mycket högre hastigheter. Färdiga kablar för USB 3.1 Gen 1 har stöd för upp till 5 Gbit/s, medan färdiga kablar för USB Gen 2 har stöd för upp till 10 Gbit/s. För att identifiera överföringshastigheten krävs enligt USB-specifikationen att färdiga kablar med USB-C-kontakter i varje ände har en krets för elektronisk märkning inbyggd i kontaktdonets hölje som identifierar den färdiga kabelns maximala strömförsörjning och maximala dataöverföringshastighet. Uppgifterna i den elektroniska märkningskretsen avläses av USB-värden vid den första anslutningen och informerar USB-värden om kabelns maximala överföringshastighet, vilket garanterar att USB-värden skickar data på rätt sätt. Färdiga USB-C-kablar som endast har stöd för USB 2.0-hastigheter behöver inte ha en elektronisk märkningskrets, så om ingen kretsinformation skickas kommer USB-värden att skicka data med 480 Mbits/s.

Standarden USB-C tillåter en maximal strömförsörjning på 3 A vid 5 V DC, vilket ger en total effekt på 15 W. Detta är standarden för vanliga USB-kablar. Specifikationen för USB 3.1 Gen 1 och senare tillåter dock 5 A vid 20 V vilket ger en total effekt på 100 W. Färdiga USB-C-kablar som är utformade för strömförsörjning enligt USB 3.1 måste innehålla en elektronisk märkningskrets som identifierar strömförsörjningskapaciteten, annars kommer USB-värden att använda 15 W som standard. Detta förbättrar säkerheten genom att förhindra överbelastningar som kan förstöra kabeln.

Även om fokus här ligger på standardisering av färdiga USB-C-kablar för digital sammankoppling är det viktigt att vara medveten om att det finns tre olika kapaciteter på färdiga kablar:

1. USB 2.0-läge: ingen elektronisk märkningskrets, kan ge en effekt på 15 W watt och data med 480 Mbit/s
2. USB 3.1 Gen 1: elektronisk märkningskrets, ger en effekt på 100 W och data med 5 Gbit/s
3. USB 3.1 Gen 2: elektronisk märkningskrets, ger en effekt på 100 W och data med 10 Gbit/s

Om en USB-C-kabel med lägre kapacitet används med korrekt konfigurerade USB-C-värdar och enheter med högre kapacitet, kommer USB-värden att sänka strömmen och överföringshastigheten till den lägre kapaciteten. Detta ökar säkerheten genom att förhindra överbelastning av kabeln och förbättrar tillförlitligheten genom att säkerställa kompatibla datahastigheter. En anläggning kan förenkla detta ytterligare genom att endast använda den standard som ger den maximalt erforderliga strömförsörjningen och dataöverföringen. Om en industriell automationsanläggning inte behöver dataöverföring med hög hastighet, som t.ex. strömning av video i realtid, kan det vara ett säkert val att standardisera med färdiga USB 3.1 Gen 1-kablar. Vanligtvis specificeras USB 3.1 Gen 1-kablar med 5 Gbit/s för högst 2 meter, vilket är tillräckligt för att styrdatorer ska kunna ansluta till närliggande givare och ställdon. Om det finns ett behov av att skicka information med 10 Gbit/s på ett tillförlitligt sätt är USB 3.1 Gen 2-kablar specificerade för högst 1 m, eftersom 10 Gbit/s via längre kablar kan orsaka dataförluster längs kabellängden på grund av signalreflektion eller dämpning.

Färdiga USB-C-kablar

För konstruktörer som ska skicka information med hög hastighet i en tuff miljö finns det ett antal stabila och tillförlitliga lösningar. PEI-Genesis levererar den färdiga kabeln IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 för USB 3.1 Gen 2 (figur 1). Kabeln är 1 m lång och avsedd för drift vid -20 till +85 °C, vilket är lämpligt för de flesta tuffa industriella miljöer. Kabelmanteln är tillverkad av polyvinylkloridharts (PVC) som har en utmärkt vattenbeständighet och tolerans mot ultraviolett (UV) ljus. Kommersiella mantlar kan spricka eller missfärgas vid långvarig exponering för solljus.

Figur 1: Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M är en färdig USB-C-kabel på 1 m för industriella tillämpningar. Kontaktdonet med en packning för låsmuttern ger en säker IP67-klassificerad vattentät anslutning till en givare eller ett ställdon. De mått som visas anges i millimeter. (Bildkälla: PEI-Genesis)

IPUSB-31WPCPC-1M har en vanlig USB-C-kontakt i ena änden som är tillverkad av gjuten PVC-harts med en USB-C-kontakt i rostfritt stål. Denna ände ansluts till en USB-värdkontakt på SBC:n eller PLC:n. Den andra änden har en förseglad gjuten plugg med en låsmutter av nylon och en gummipackning. Det ger en stabil och säker IP67-tätning för givaren eller ställdonet.

Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M har en inbyggd elektronisk märkningskrets som identifierar dess kapacitet för den anslutna utrustningen. Den elektroniska märkningskretsen fungerar i den färdiga kabelns hela intervall från -20 till +85 °C. Detta garanterar att kabeln kan identifieras korrekt även när utrustningen slås på inom temperaturintervallet.

USB-C-anslutning i extrema miljöer

För extremt tuffa miljöer erbjuder Amphenol LTW, den färdiga USB-C-kabeln UC30FL-NCML-SC01 på en meter (figur 2). Hela kabellängden är omgiven av en slang av polypropylenplast (PP) som ger ytterligare skydd mot stötar, skärande krafter och påfrestningar vid böjningar runt hörn. Slangen skyddar även den inneslutna kabeln vid extrema vibrationer. Slangen limmas fast i varje ände av kabeln och kan inte avlägsnas.

Figur 2: USB-C-kabeln UC30FL-NCML-SC01 är omgiven av en PP-slang som skyddar den inneslutna kabeln från stötar och hårda vibrationer. De mått som visas anges i millimeter. (Bildkälla: Amphenol LTW)

Den färdiga kabeln har en vanlig USB-C-värdkontakt i den ände som ansluts till USB-värden. Den andra änden har en kraftig cirkulär kontakt med förstärkt dragavlastning. Den har en förseglad gjuten kontakt med en silikonpackning som låses av en nylonmutter. Detta ger en vattentät, lufttät försegling som är beständig mot de flesta kemikalier. Kabeln och den cirkulära kontakten är IP67-klassificerade, både i och urkopplade, vilket skyddar den cirkulära USB-C-kontakten från miljön även när den inte är ansluten.

UC30FL-NCML-SC01 är brandsäker enligt UL94V-0, vilket innebär att PP-kabeln tål flammor i upp till 10 sekunder. PP-kabeln är även beständig mot olja, bensin och de flesta lösningsmedel. Respektive kontakt kan användas i temperaturer mellan -40 och +85 °C, medan nylonmuttern och PP-slangen klarar högre temperaturer, från -40 till +115 °C. Detta gör den färdiga kabeln särskilt lämplig för anslutning till givare och ställdon i industriella bensinmotorer och generatorer.

Den inbyggda elektroniska märkningskretsen identifierar att kabeln har stöd för dataöverföringar på 5 Gbit/s, vilket är lämpligt för bensingeneratorer med hög hastighet, som ständigt måste övervaka motorns funktion för att maximera effektiviteten.

USB-givare i marina tillämpningar

I vissa fall har utrustningens styrdator en USB-A-kontakt men behöver anslutas till en USB-C-kontakt. Detta kräver en kabel som den färdiga USB-A till USB-C-kabeln PXP4040/C/A/2M00 från Bulgin (figur 3). Kabeln har en USB-A-kontakt i ena änden och en rund USB-C-kontakt i den andra och fungerar i temperaturer mellan -40 och +80 °C. USB-C-kontakten och kabeln kan fungera när den är nedsänkt i tio meter vatten i två veckor. Den är även beständig mot saltvatten, vilket gör den lämplig för marin utrustning, inklusive industrimaskiner ombord på tank- och lastfartyg. Den färdiga kabeln är IP68-klassificerad, förutom USB-A-kontakten som är klassificerad för IP66.

Figur 3: PXP4040/C/A/2M00 har en USB-A-kontakt i ena änden och en USB-C-kontakt i den andra. Den är beständig mot saltvatten och USB-C-kontakten tål att ligga i tio meter vatten i upp till två veckor. (Bildkälla: Bulgin)

PXP4040/C/A/2M00 från Bulgin, har även en brandklassificering enligt UL94V-0. Kabelmanteln är tillverkad av PVC-harts, vilket gör den lämplig för marina tillämpningar på däck.

USB-C-kabelns hölje är tillverkat av polykarbonat-polybutylentereftalat (PC/PBT), ett material med hög hållfasthet som ofta används i stötfångare för bilar. PC/PBT-kontaktens hölje har hög beständighet mot kemikalier och är tillräckligt flexibelt för att tåla kraftiga stötar i kalla temperaturer ned till -40 °C. Även när den träffas med stor kraft brister inte kontakten utan spricker bara en aning. Detta ger sabotageskydd för USB-säkerhetsgivare, inklusive nerfrysningsattacker där man snabbt fryser ned en kontakt och sedan slår på den med en hammare.

Specifikationen USB-C tillåter inte att en elektronisk märkningskrets placeras i en kabel som har en USB-A-kontakt i en ände. Kabeln är specificerad för att ge upp till 5 A och stödja en datahastighet på upp till 5 Gbit/s över dess längd på 2 meter, även om viss kringutrustning med USB-C kan notera avsaknaden av en elektronisk märkningskrets och använda standardvärdet 480 Mbits/s.

Sammanfattning

Standardisering av färdiga USB-C-kablar för digital sammankoppling i industriella miljöer förenklar lagerhållningen av kablar, och ger en snabb och enkel anslutning tack vare den rotationssymmetriska utformningen av kontakten och uttaget. USB-C-kablar kan identifiera sin strömförsörjnings- och dataöverföringskapacitet till värddatorn för att förhindra dataförluster och farliga överbelastningsförhållanden. Rätt val och användning av en lämplig färdig USB-C-kabel i industriella system kan även förbättra tillförlitligheten, minska underhållet och sänka den totala kostnaden.