Uppgradera tätheten och tillförlitligheten för Industrial Ethernet-portar med kontaktdonet ix Industrial

Fabriker upplever en kraftig ökning av dataintensiva tillämpningar som t.ex. robotteknik, maskinseende och IIoT-teknik (Industrial Internet of Things). Resultatet är en ökande efterfrågan på höghastighetskommunikation. Även om Industriellt Ethernet har underlättat, måste konstruktörer möjliggöra hög porttäthet, minimera elektromagnetiska störningar (EMI) och garantera fysiskt robusta anslutningar.

ix Industrial är bara en fjärdedel så stor som en RJ45-kontakt men har förbättrad EMI-skärmning och stabil hopkoppling. Kontaktdonet ix Industrial är särskilt framtaget för att uppfylla kraven inom fabriksautomation. Kontaktdonet är standardiserat enligt IEC 61076-3-124, möjliggör lösningar från flera leverantörer och erbjuder en rad nyanserade funktioner för att ytterligare förbättra kapaciteten i smarta fabriker.

Artikeln ger en kort översikt över anslutningsbehoven inom fabriksautomation. Därefter introduceras kontaktdonet ix Industrial från Hirose och hur det kan användas för att uppfylla kraven.

Industriellt Ethernet och utmaningarna med kontaktdonet RJ45

Industriellt Ethernet har två viktiga egenskaper som passar i smarta fabriker: en datahastighet på 10 Gbit/s och en teknisk grund i Ethernet. De använder samma TCP/IP-protokoll, CAT5e- och CAT6-kablar samt RJ45-kontakter. Denna kompatibilitet gör det lättare att integrera smarta fabriksenheter med varandra och företagssystem.

I industriella miljöer utsätts dock kontaktdon för större fysiska påfrestningar, och med ökande porttäthet behöver konstruktörer kontaktdon i mindre format som dessutom kan minimera de elektromagnetiska störningarna ytterligare. Som framgår av figur 1 minskar kontaktdonet ix Industrial installationsutrymmet med 75 % jämfört med kontaktdonet RJ45. Det har samtidigt en avsevärt förbättrad hållbarhet och tålighet mot elektromagnetiska störningar (bild 2).

Figur 1: Kontaktdonet ix Industrial (vänster) är 75 % mindre än det traditionella kontaktdonet RJ45 (höger). (Bildkälla: Automation World)

Figur 2: Kontaktdonet ix Industrial erbjuder många prestandaförbättringar för att uppfylla kraven inom fabriksautomation. (Bildkälla: Hirose)

Även om ix Industrial använder ett unikt kontaktdon är den i övrigt kompatibel med resten av ekosystemet för Industrial Ethernet. Den har stöd för t.ex. CAT6A-kablar med upp till 10 Gbit/s och Power over Ethernet (PoE) eller PoE+ med upp till 3 A.

Med utgångspunkt i denna kompatibilitet har det miniatyriserade kontaktdonet standardiserats enligt IEC 61076-3-124, vilket garanterar kompatibilitet mellan olika leverantörer vilket förenklar konstruktionsprocessen och ger ingenjörer större frihet i valet av produkter. Kontaktdonsserien ix Industrial från Hirose är exempelvis helt kompatibel med lösningar från andra tillverkare.

Kontaktdonet Ix Industrial har även valts för flera Ethernet-protokoll, inklusive PROFINET, CC-Link IE TSN och GigE Vision:

• PROFINET är ett allmänt använt protokoll för Industriellt Ethernet som övervakas av Profibus och Profinet International (PI). Det används för programmerbara logiska styrenheter (PLC), robotar, drivenheter samt in- och utmatning (I/O) av sensorer och ställdon.
• CC-Link IE TSN är en standard från CC-Link Partner Association som kombinerar Gigabit Ethernet med Time-Sensitive Networking (TSN). Det återfinns inom avancerade industrier som halvledar- och fordonstillverkning.
• GigE Vision är en gränssnittsstandard för högeffektiva industriella kameror som förvaltas av Automated Image Association (AIA). Det använder Ethernet-nätverk för att uppnå fördelar så som snabb dataöverföring, utökad kabellängd, låg kostnad och skalbarhet.

Förutom dessa officiella erkännanden kan kontaktdonet ix Industrial användas med många andra industriella Ethernet-protokoll, inklusive EtherCAT, Modbus TCP och Ethernet/IP. Med sitt stöd för dessa protokoll och sin robusta miniatyrisering är kontaktdonet ix Industrial ett tvingande val i många smarta fabrikstillämpningar. Dessa omfattar:

• Maskinseende: Högupplösta kameror genererar stora mängder bilddata för analys och beslutsfattande i realtid. De drar nytta av den höga datahastigheten och kompakta storleken hos kontaktdonet ix Industrial i konfigurationer med många kameror.
• Robotteknik: Samverkande och autonoma robotar är beroende av sensordata och styrsignaler i realtid för säker och effektiv drift. Robustheten och den låga känsligheten för elektromagnetiska störningar hos kontaktdonet ix Industrial garanterar ett tillförlitligt datautbyte.
• Förebyggande underhåll: Genom att lägga till sensorer i viktig utrustning kan man tidigt upptäcka potentiella fel och förhindra kostsamma driftstopp. Den låga profilen och robusta designen gör kontaktdonet ix Industrial till ett utmärkt val för små sensorer vid tuffa driftsförhållanden.

Utrymmesbesparande konstruktionsalternativ för kontakter och uttag

Både kontakter och uttag för ix Industrial har anmärkningsvärda egenskaper som gör det lättare att spara utrymme. Som framgår av figur 3 finns uttagen i en mängd olika modeller:

• Uppåtriktade uttag, som IX61G-A-10P, kan monteras parallellt med ett inbördes avstånd på endast 10 mm för hög porttäthet. I den här konfigurationen får sex ix Industrial-kontaktdon plats på samma yta som tre RJ45-kontaktdon, vilket avsevärt minskar formatet för switchar, routrar och liknande utrustning.
• Horisontella kontaktdon med låg profil, som IX60G-A-10P, har en profil på 5,7 mm, vilket är mindre än hälften av höjden på ett RJ45-kontaktdon, vilket gör dem lämpliga för tillämpningar i t.ex. sensorer.
• Vertikala uttag, som IX80G-A-10P, kan anslutas uppifrån, vilket ger konstruktörer ökad flexibilitet.

Bild 3: Uttag för ix Industrial finns i stående, vertikala och horisontella modeller (överst, vänster respektive underst). Kontakterna finns som raka och rätvinklade modeller. (Bildkälla: Hirose)

Kontakterna finns antingen i rakt utförande, som t.ex. IX40G-B-10S-CV(7.0), eller rätvinklade, som t.ex. IX30G-A-10S-CVL2(7.0). De rätvinklade alternativen är särskilt anmärkningsvärda, eftersom de minskar anslutningens höjd och gör det lättare att förlägga kabeln i trånga utrymmen. Kontakterna kan exempelvis minimera problem med kabelns böjningsradie och underlätta seriekoppling med hög täthet.

Mekanisk och elektrisk tålighet

Kontaktdonet ix Industrial är konstruerat för att hantera industriella förhållanden, och har en robust konstruktion som tål vibrationer, stötar och elektromagnetiska störningar. Hylsans hölje monteras på kretskortet med fem genomgående lödstift. Detta skapar en stabil fysisk anslutning som tål att vridas och dras, för att skydda signalkontakterna. Den ger även en stabil anslutning mellan uttagets hölje och kretskortets jordplan.

Kontaktens hölje består av en integrerad kabelanslutningsdel och och en kabelklämma (figur 4). Detta förhindrar att den anslutande delen av kabeln påverkas av kabelns belastning. Höljet krimpas ihop och kommer i direkt kontakt med uttagets jordfjäder, vilket skapar en kontinuerlig 360˚ skärm mot elektromagnetiska störningar.

Bild 4: Kontaktdonet ix Industrial omsluter trådanslutningsenheten med ett hölje som skyddar mot fysiska skador och elektromagnetiska störningar. (Bildkälla: Hirose)

Kontaktdonen har även en stabil låsningsmekanism som ger ett hörbart och taktilt klick. Den positiva låsmekanismen garanterar en säker anslutning även i miljöer med kraftiga vibrationer och gör att kontaktdonet klarar 5 000 hopkopplingscykler.

Hirose erbjuder även varianter av sina kontaktdon för ix Industrial med kontakter av palladium-nickel. Kontakten IX30G-A-10S-CV(7.0)(01) använder exempelvis kontakter med 0,75 μm palladium-nickel samt 0,05 μm guldplätering. Kontaktdonen är hållbarare än vanliga guldkontakter och är ovärderliga i tillämpningar med täta hopkopplingscykler.

Förenklar montering och testning

Hirose rekommenderar att man använder kablar med trådstorlekar mellan 0,08 och 0,34 mm² för att garantera en högkvalitativ anslutning. Ledningarna kan anslutas genom lödning eller IDC (insulation displacement connections), där IDC rekommenderas för kontakter som ansluts på fältet. Vid denna metod används ett pressverktyg, som t.ex. HT803/IXG-8/10S-63-72, för att skära igenom trådledarnas isolering och skapa anslutningen i en enda rörelse.

Lödning är att föredra för att skapa den hållbaraste och mest högkvalitativa anslutningen. Hirose erbjuder många kontakter, som t.ex. IX40G-A-10S-CV(7.0), med stöd för denna anslutningsmetod.

För att testa kablar och färdigmonterade enheter erbjuder Hirose DSX-CHA-5-IX-S, en uppsättning adaptrar för DSX CableAnalyzer från Amprobe (ett Fluke Networks-företag). Med denna analysator kan tekniker garantera korrekt funktion och förenkla diagnostiken vid eventuella problem.

Sammanfattning

Konstruktörer kan använda kontaktdonet ix Industrial för att uppnå hög porttäthet och tillförlitlighet i smarta fabrikstillämpningar. Med standardisering enligt IEC 61076-3-124 garanteras konstruktörer kompatibilitet mellan tillverkare. De många olika alternativen av kontakter och uttag gör att konstruktörer kan välja monteringsriktning och kabelförläggning för att minska utrustningens format, undvika kabelpåfrestningar och uppnå en hög bandbredd med minimal risk för störningar.

Rekommenderad läsning

1. Hur man uppfyller kraven på hög täthet och robusta anslutningar i Industry 4.0