Använda snabba, robusta Ethernet-kontakter för industriella kommunikationsnät

Det industriella sakernas internet (IIoT), eller Industry 4.0, driver efterfrågan på kommunikationsnät som kan fungera i utmanande miljöer. Ofta är den svaga länken i dessa nätverk kontaktdonen, eftersom industriella miljöer är heta, smutsiga och vanligtvis innehåller vibrerande maskiner, som allt sätter ständig stress på mekaniska anslutningar och undergräver tillförlitligheten. Situationen förvärras ytterligare av konsekvenserna av ett hopkopplingsfel i en modern fabrik. Även om förlorad produktion snabbt kan leda till stora ekonomiska förluster, kan en misslyckad säkerhetsanslutning också orsaka allvarliga personskador. Därför krävs ett alternativ till RJ45-donet.

Konstruktörer kräver Ethernet-kontaktdon som är tillräckligt robusta för att uppfylla gällande industriella standarder och IP-klassningar (Ingress Protection), oavsett var de ska placeras initialt. De måste kunna prestera tillförlitligt med Cat 6A Ethernet-hastigheter på upp till 10 Gbps, ha support för Power-over-Ethernet (PoE) och vara så ”framtidssäkra” som möjligt, samtidigt som de måste hålla sig inom strama utvecklingsbudgetar.

Denna artikel undersöker kraven för industriella kommunikationssystem och lämpliga IP-nivåer. Den beskriver sedan hur funktionerna hos industriella Ethernet-kontaktdon uppfyller dessa krav och presenterar därpå några befintliga lösningar från Amfenol som exempel för att visa ingenjörer hur kontaktdonen kan användas i nya projekt.

Krav på industriella nätverk

Den moderna industrin har överlag anammat trådbundna nätverk för att driva "Industry 4.0" (beskrivs som "digitalisering av tillverkning") och bygga vidare på datoriseringen av den sektor som inträffade under slutet av 70-talet och under 80-talet. För industrialister utlovar Industry 4.0 ökad produktivitet, högre kvalitet, lägre priser och förbättrad säkerhet. För ingenjörer är uppgiften att bygga de robusta nätverken som bär upp modern tillverkningsindustri.

Infrastrukturen för interna och kommersiella Ethernet-nätverk är i allmänhet baserad på billiga kablar och standard RJ45-kontaktdon, men dessa komponenter är inte konstruerade för fabrikstillämpningar. Fabriksmiljön är mer utmanande och valet av kablar och kontaktdon måste ta hänsyn till följande belastningsfaktorer:

• Mekaniska: stötar, vibrationer, klämning, böjning, vridning
• Kemiska: vatten, oljor, lösningsmedel, frätande gaser
• Miljömässiga: extrema temperatur, fukt, solstrålning
• Elektriska: elektrostatiska urladdningar (ESD), elektromagnetiska störningar (EMI), högspänningstransienter

Industriella kablar och kontaktdon måste specificeras för att klara de tuffaste förhållandena som kan förväntas under nätverkets hela livslängd. Exempelvis är det inte mycket nytta om en kabel är specificerad för normala omgivningstemperaturer, om fabriken senare omorganiseras så att kabeln nu går nära processugnar där temperaturen är mycket högre.

Industrikablar finns med högkvalitativ polyuretanisolering, som är motståndskraftig mot nötning, kemikalier (inklusive olja) och brand. Isolatorer av polyvinylklorid (PVC) är billigare, men plasten kan angripas av oljor och kemikalier och blir spröd och spricker vid låga temperaturer.

Bygga ett industriellt Ethernet-nätverk

I miljöer med lågt brus kan oskärmade tvinnade kablar vara godtagbara. Men industriell utrustning som bågsvetsaggregat eller fabriksutrustning som kopplingsreläer, frekvensomriktare eller elektromagneter kan orsaka interferens och datastörningar i oskärmade kablar. Vid osäkerhet gör konstruktionsingenjörer klokt i att vara försiktiga och använda skärmade kablar för att förhindra potentiella dyra systemfel senare. När fabrikerna växer är det vanligt att styr- och kraftkablar använder kanaler som tidigare var dedikerade till Ethernet-kommunikation. Detta kan orsaka förvrängd data om oskärmade Ethernet-kablar har specificerats från början.

En dubbelskärmand konstruktion som använder både folie och kopparfläta, är den mest effektiva lösningen för att förhindra att data förvrängs. För att säkerställa att skärmningen fungerar ordentligt, måste ingenjören också använda skärmade kontakter och jorda skärmningen. Om en skärmning lämnas ojordad kan den faktiskt förvärra störningsproblemen genom att fungera som en antenn.

Även med skärmade kablar försämras signalerna när de färdas över långa avstånd. Kablar med solida ledare fungerar bättre och kan fungera över avstånd upp till 100 m, men de är mer benägna att skadas från böjning och vridning. Trådade kablar hanterar vridning och böjning bättre men bör inte användas på längre avstånd än 85 m (figur 1).

Figur 1: Ethernet-kablar med fasta ledare bör begränsas till 100 m längd, medan trådbaserade ledare bör begränsas till 85 m. (Bildkälla: Amphenol)

När nätverket ska konstrueras, ska den minsta statiska böjningsradien vara fyra gånger kabelns ytterdiameter (OD). Detta gäller lika för trådbaserade, solida, skärmade och oskärmade kablar. Där böjning krävs bör solida kablar inte användas. Databladen för trådade kablar anger vanligtvis maximalt antal flexcykler, vilka vanligtvis ligger mellan en miljon och 10 miljoner, beroende på böjningsradien.

Kablarna ska fixeras med kabelbuntband som är tillräckligt lösa för att kablarna ska kunna röra sig fritt under detsamma. Överåtdragning kommer att skapa spänningspunkter som kan orsaka fel på ledaren. Kablarna ska också hållas lösa i kabeluntbanden när flera kablar buntas ihop.

Eftersom de allra flesta driftsättningsfel uppstår till följd av ledningsdragning ute på fältet (eftersom det är ett svårt och tidskrävande jobb att underhålla de tvinnade paren och att jorda skärmen ordentligt) rekommenderas användning av fabriksmonterade gjutna kontaktdon.

Konstruera för framtiden

Trådbundna nätverk ger en del viktiga fördelar (som hastighet, signalintegritet och säkerhet), men de är dyra att installera och underhålla. Konstruktören som har till uppgift att specificera nätverket bör därför hålla ett öga på framtiden för att säkerställa att infrastrukturen håller så länge som möjligt och behöver minimalt med reparationer.

Ethernet-historien har sett ständigt stigande nätverkshastigheter. I framtiden kommer industriella nätverk sannolikt att domineras av optisk infrastruktur som erbjuder hastigheter upp till 400 Gbps eller till och med terabit per sekund (Tbps). För dagens koppartrådsinstallationer bör ett noggrant urval av högkvalitativa tvinnade kablar och kontakter få nätverket att klara inte bara dagens 1 Gbps-hastigheter utan kommande 10 Gbps-anslutningar (Tabell 1).

Tabell 1: Ethernet-kabelhastigheter och tillhörande Ethernet-driftfrekvens, vilken i allmänhet är proportionell mot hastigheten. (Bildkälla: DigiKey)

Fabriksnätverk börjar också dra nytta av PoE, en teknik som använder Ethernet-kablar för att leverera ström till ansluten utrustning. PoE använder en enda standard-Ethernet-infrastruktur för att hantera strömmar på tiotals watt. Teknologins centraliserade och flexibla karaktär eliminerar behovet av en lokal strömförsörjning för varje strömdriven enhet i nätverket, vilket gör att sådana enheter kan placeras var som helst och enkelt flyttas senare vid behov.

En förbättrad form av PoE, kallad PoE +, kan mata upp till 25,5 watt DC till den anslutna enheten och möjliggör anslutning av strömförbrukande utrustning som säkerhetskameror. (Se Digi-Keys tekniska artikel Power-over-Ethernet anpassar sig för att klara högre strömkrav.)

Precis som kablar och kontaktdon måste matchas för att vara lika motståndskraftiga mot mekaniska, kemiska, miljömässiga och elektriska påfrestningar, så bör de också matchas med avseende på funktionell prestanda. Den maximala driftprestandan begränsas av den minst kapabla komponenten i nätverket. Om exempelvis Cat 6a-kablar matchas med Cat 6-kontakter, kommer systemet att ha ett maximalt genomflöde på 1 Gbps snarare än kablarnas nominella maximala genomflöde på 10 Gbps.

Kontaktdon för industriella nätverk

Även om det är viktigt att konstruktören noga överväger kabelval, kabeldragning och Ethernet-frekvens när industriella nätverk ska byggas, är kontaktdonen den största konstruktionsutmaningen i ett Ethernet-nätverk. Detta beror på att de representerar den svagaste länken: kontaktdonen är inte bara potentiella intrångspunkter för vatten och smuts, utan de inkluderar även korta sträckor där Ethernet-par tvinnas upp och därför blir mer mottagliga för elektriska störningar.

Konstruktören måste fundera på var kontaktdonen ska användas, eftersom fabriksmiljöer varierar kraftigt. IP-koden - såsom den definieras enligt IEC-standarden 60529 - klassificerar exempelvis graden av skydd som ges av de mekaniska och elektriska höljen som bildar kontaktdonet. Den första siffran i koden anger graden av skydd för fasta partiklar (allt från 0 (inget skydd) till 6 (dammtätt)), medan den andra anger graden av skydd mot vätskeintrång (från 0 (inget skydd) till 9K (kraftfulla vattenstrålar vid hög temperatur)).

Klassningen IP20 (skydd mot fingrar och liknande föremål, inget skydd mot fukt) för kontakter som används i rena, torra fabriksmiljöer är vanlig för många industriella kontaktdon. Exempelvis är Amphenols ix Industrial IP20-kontaktdon robusta 10-positionskomponenter för höga hastigheter som är inrymda i ett hölje som är 70 procent mindre än en typisk RJ45.

Kontaktdonstillverkarna erbjuder oftast alternativ för bättre skydd för användning i olika grader av smutsigare och våtare miljöer, och Amphenol är inget undantag. Ix Industrial IP20-sortimentet sträcker sig från IP20 för standardprodukten till IP67 (dammtät, vattentät ned till 1 m djup) för specialprodukter.

Nätverkskonstruktörer bör eftersträva att minimera antalet anslutningar, särskilt kablar med hankontakter i båda ändar. Dessa är alltför lätta för icke-tekniker att förlänga - med negativa konsekvenser för resten av nätverkets prestanda. Därutöver är det praxis att alla fasta kontaktdon är av hontyp.

I likhet med andra tillverkare finns Amphenol-kontaktdonen i han-utförande för kablar och tre typer av hon-utföranden för fasta installationer: vertikala uttag för genomföringar, rätvinkliga vertikala (ND9AS1200) och horisontella (ND9BS3200) uttag för kretskortsmontering (Figur 2). De kretskortsmonterade utförandena finns som ytmonterade eller hålmonterade komponenter, för enkel lödning på mönsterkortet.

Bild 2: Amphenols ix Industrial-kontaktdon finns med en mängd olika stickdon och uttag för tillämpningar med kablar, genomföringar och kretskort. (Bildkälla: Amphenol)

Han-utförandet kan levereras individuellt (ND9AP5200) eller som en del av en kabelsats (ND9ACB250A) som mäter från 500 till 2000 mm i längd.

Ett bra tips angående kvaliteten på ett kontaktdon är att kontrollera om det uppfyller kraven i standarder som IEC 60512 och IEC 61076. IEC 60512 beskriver de mekaniska och elektriska testerna samt trösklarna som ett kontaktdon ska klara när det används med elektrisk och elektronisk utrustning. Standarden täcker mekaniska faktorer som isättnings- och utdragningskraft, vibrationsmotstånd och maximalt antal hopkopplingscykler, samt elektriska faktorer som övergångsresistans i kontakten, skärmning och isolering.

Amphenol ix Industrial-donen är designade för att vara ett robust, miniatyriserat Ethernet-gränssnitt (som uppfyller relevanta IEC-standarder) med upp till 75 % utrymmesbesparing jämfört med konventionella RJ45-don. Med 10 mm kontaktdonsavstånd och stadig 2-punkters metallspärr erbjuder kontaktdonen Cat 6a-prestanda för upp till 10 Gbps Ethernet-kommunikation, PoE/PoE+-funktionalitet och 360° skärmning för EMI-immunitet.

Kretskortskontakterna har kraftiga lödflikar för att säkra dem och är tillräckligt robusta för att uthärda stötar och vibrationer samtidigt som en tillförlitlig anslutning bibehålls. De tål upp till 5000 hopkopplingscykler.

Tabellerna 2 och 3 beskriver hur ix Industrial-serien fungerar relativt viktiga aspekter av IEC 60512-standarden.

Tabell 2: Ur ett elektriskt perspektiv kan ix Industrial Ethernet-kontaktdonen hantera strömmar upp till 1,5 A och uppfylla IEC 60512-kraven. (Bildkälla: DigiKey)

Tabell 3: ix Industrial-kontaktdonenens mekaniska prestanda gör att de kan uppfylla kraven i IEC 60512 och 60068. (Bildkälla: DigiKey)

IEC 61076 är mer fokuserad och täcker skärmade, fria och fasta rektangulära kontaktdon med upp till 10 ledare för dataöverföring vid frekvenser upp till 500 MHz. Dokumentet specificerar de vanliga dimensionerna, de mekaniska, el- och transmissionsmässiga egenskaperna, samt miljökraven för industriella nätverk.

Mer specifikt identifierar IEC 61076 koderna som bestämmer positionen för kontaktdonens polarisationsformation och motsvarande hålighet. Typ A-kontaktdon är avsedda för 100 Mbps till 10 Gbps Ethernet-kommunikation. Typ B-kontaktdon är avsedda för alla andra tillämpningar än Ethernet, såsom signalsystem samt seriella eller andra industriella busskommunikationssystem (figur 3 (a) och (b)).

Figur 3: IEC 61076 specificerar polarisering och håligheter för dataöverföringskontaktdon Typ A (a) använder ett 45°-hörn i nedre högra hörnet av uttaget (vy in i hopkopplingsytan). För typ B (b) ligger det avskurna 45°-hörnet i det övre vänstra hörnet av uttaget. (Bildkälla: Amphenol)

Slutsats

Moderna fabriker byggs med kommunikationsnät för att digitalisera tillverkningen för högre produktivitet och lägre kostnader. De kontakter och kablar som utgör dessa nätverk behöver inte bara vara tillräckligt robusta för att stå emot hårda industriella miljöer, utan också klara framtida krav på snabb kommunikation och PoE.

Det finns lösningar från företag som Amphenol som erbjuder kablar och kontaktdon av industriell kvalitet, som är utformade för att uppfylla just dessa utmaningar och fabriksbudgetar. De följer krävande standarder för industriella kontaktdon och innehåller funktioner som stödjer hög nätverksprestanda, längre livslängd och kräver minimalt underhåll. Som framgått måste dock konstruktörerna vara insatta i relevanta standarder och både de elektriska och mekaniska begränsningarna för kontaktdonen för att tillämpa dem på rätt sätt i en lyckad IIoT- eller Industry 4.0-nätverkskonstruktion.