כיצד לעמוד בדרישות של Industry 4.0 לצפיפות גבוהה וחיבוריות חסונה

הצורך בחיבוריות Ethernet‏ מהירה ואמינה בצפיפות גבוהה הולך וגדל ביישומי Industry 4.0 כמו רובוטיקה, ראיית מכונה, בקרים, מגברי סרוו ושרתים. חיבורי Ethernet בהתקני Industry 4.0 צריכים לתמוך במהירויות תקשורת של עד 10 גיגה-ביט לשנייה (Gbits/s), להיות מוגנים מפני הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), לספק מנגנוני חיבור ונעילה מאובטחים למניעת הסרת כבלים שלא במתכוון, להיות מסוגלים לעמוד בפני תנאי רעידות חזקות, ובעלי אורכי מחזור חיבור/ניתוק ארוכים. מחברים אלה חייבים להיות קומפקטיים דיים כדי לתמוך בחיברורים ובצפיפויות מערכת הולכים וגדלים של יישומי Industry 4.0.

בעוד שמחברי RJ45 Ethernet מהדורות הקודמים יכולים לספק חלק מדרישות אלו, הם מגושמים יחסית ואינם מעניקים את גמישות ההתקנה הנדרשת עבור התכנים של היום.

כדי לעמוד באתגרים אלו המתכננים יכולים להשתמש במקום זאת במחברים תעשייתיים ix‏ עבור כבלי Ethernet במהירות גבוהה, כולל CAT5e‏ (Gbit/s‏ 1‏) ו-Cat6a‏ (Gbit/s‏ 10‏). מחברים אלה קטנים ב-75% ממחברי RJ45, מעניקים רמות גבוהות של הגנת EMI ותאימות אלקטרומגנטית (EMC) עבור העברת נתונים מאובטחת, ועומדים בדרישות IEC 61076-3-124.

מאמר זה מתחיל בהשוואה של אפשרויות מחברים תעשייתיים RJ45 ו-ix. iלאחר מכן הוא בוחן מחברי ix‏ סוג A וסוג B עבור חיבוריות Ethernet‏ ולא-Ethernet‏, וסוקר את מגוון אפשרויות התצורה הזמינות עבור מחברי ix, לצד כמה מחברים מייצגים של Hirose‏. הוא מסיים בהצגת כלים עבור הרכבה ובדיקה של כבלי ix כדי להבטיח מימוש נכון.

מחברי RJ45‏ לעומת ix‏

יישומי Industry 4.0 רבים זקוקים לחיבוריות מודולרית עבור הגדרת-תצורה ופריסה מהירות. מערכות אלו משלבות לעתים קרובות ציוד מהדורות הקודמים עם תכנים חדשים. הן משתמשות ב-Ethernet תעשייתי במהירות גבוהה ובפרוטוקולים אחרים הדורשים תפעוליות-בינית (Interoperability) וזמינות גבוהה. המחברים הנקראים Registered Jack‏ (RJ) נפוצים בציוד מהדורות הקודמים, עם מחברי RJ45 עם שמונה פינים ושמונה מגעים (8P8C) עבור חיבוריות Ethernet‏ בסיסית.

מערכות Industry 4.0 מתפתחות דורשות הגדלת צפיפויות החיברורים והגמישות. בנוסף להיותם קטנים ב-75% לעומת פתרונות RJ45, מחברי ix מאפשרים הרכבה מקבילה בפסיעה של 10 מילימטר (מ"מ), כאשר שישה מחברי ix יכולים להתאים לאותו מקום על לוח המעגלים המודפסים (לוח PCB‏) כמו שלושה מחברי RJ45 (איור 1).

איור 1: פסיעת ההרכבה שלהם של 10 מ"מ מאפשרת הרכבת שישה מחברי ix על אותו מקום על לוח ה-PCB‏ כמו שלושה מחברי RJ45. (מקור התמונה: Hirose)

חסונים ועמידים

IEC 61076-3-124 מספק את המפרטים המכניים, החשמליים, מאפייני ההולכה ודרישות הסביבה כמו גם את הממדים עבור מחברי ix‏. מחברי ix של Hirose עולים על תקן IEC 61076-3-124 ועומדים בדרישות של JIS E4031‏, התקן התעשייתי היפני לבדיקת זעזועים ורעידות של ציוד רכבות. הם גם עומדים בתקן ממשק המצלמה GigE Vision התומך בשימוש ב-Gigabit Ethernet עבור העברת תמונות מהירה באמצעות כבלים סטנדרטיים ארוכים ביותר ובעלות נמוכה. המגעים לזרם גבוה שלהם תומכים בשימוש ביישומי (Power over Ethernet (PoE ו-+PoE בהתאם למפרטי IEEE 802.3af ו-IEEE 802.3at.

מערכת מחברי ix תוכננה מלכתחילה תוך מחשבה על יישומים תעשייתיים, בעוד שמחבר ה-RJ45 פותח בתחילה עבור שימוש עם ציוד תקשורת לצרכנים ולעסקים ואחר-כך הותאם עבור שימוש בסביבות תעשייתיות. לדוגמה, למחברי ix יש שני ווי נעילה נצמדים עשויים מתכת המספקים משוב הן האפטי והן קולי כדי לאשר חיבור מאובטח בין התקע לשקע. למחברי RJ45 תעשייתיים יש וו נעילה יחיד.

תכן המעטפת של שקעי מחברי ix מעניק חסינות מכנית ומשפר את ביצועי EMC. לשקעים אלה יש חמש לשוניות ריתוק מסוג חור-עובר, שתיים בכל צד ואחת מאחור בין שתי קבוצות מגעי האותות, בעוד שלמחברי RJ45 יש רק שלוש לשוניות. הלשוניות בשקעי מחבר ix הן גם חזקות יותר בהשוואה ללשוניות בשקעי RJ45. כשהן מולחמות ללוח PCB‏, לשוניות שקע ix מגנות על מגעי האותות מפני מאמץ הן כאשר התקע מחובר והן כאשר הוא אינו מחובר. הן גם משפרות את יכולתו של השקע לעמוד בפני זעזועים ורעידות. הלשוניות המולחמות מתחברות ישירות להארקה בלוח ה-PCB‏, תוך שיפור הגנת EMI (איור 2).

איור 2: חמש לשוניות חור-עובר מגנות על מגעי האותות, משפרות את ביצועי זעזועים ורעידות ומשפרות את ביצועי EMC של מחברי ix. (מקור התמונה: Hirose)

השימוש במערכות מודולריות וניתנות-להגדרה משנה את הציפיות עבור ביצועי המחברים. המחברים אינם נותרים עוד במקומם למשך כל חיי ההתקנה. תחנות, כלים ורכיבי מערכת אחרים לייצור זקוקים ליכולת להיות מסודרים-מחדש לעתים קרובות כדי לתמוך בהתאמה-מיוחדת המונית שהיא מאפיין קריטי של Industry 4.0. כתוצאה מכך, מחבר עשוי להיות מחובר ומנתק מאות או אלפי פעמים במהלך חייו. מחברי ה-ix של Hirose תוכננו ונבדקו ל-5,000 מחזורי חיבור-ניתוק ועדיין לעמוד בכל דרישות הביצועים של IEC 61076-3-124.

חיבוריות שאינה-Ethernet‏

תקן IEC 61076-3-124 תומך בחיבוריות Ethernet‏ ושאינה-Ethernet‏. כדי למנוע חיבורים לא-תקינים משתמשים בצורות קידוד מכני שונות המסומנות 'A' ו-'B' עבור מחברי ix‏ Ethernet ושאינם-Ethernet, בהתאמה (איור 3):

• מחברי ix‏ סוג 'A' מסוגלים לטפל בקצבי העברה של עד Gbits/s‏ 10‏. הם יכולים לתמוך ב-PoE ו-+PoE, וניתן לזהותם באמצעות שיפוע קיטוב של 45° בפינה השמאלית התחתונה של השקע.
• מחברי ix‏ סוג 'B' מתוכננים עבור שימוש בכל היישומים שאינם Ethernet‏, כגון איתות ופרוטוקולי תקשורת תעשייתית טורית ואחרת. ניתן לזהות אותם על ידי שיפוע 45° הממוקם בפינה השמאלית העליונה של השקע.

איור 3: מחברי ix זמינים עם שני תכני קידוד מכני כדי למנוע הכנסת תקע Ethernet לשקע שאינו-Ethernet ולהיפך. (מקור התמונה: Hirose)

גמישות בשילוב

מחברים אלה גם משפרים את הגמישות של שילוב המערכת. ניתן לחבר כבלים לשקעי מחבר ix על ידי הלחמה או באמצעות חיבורי דחיקת בידוד (IDC‏). חיבורים בהלחמה יכולים להאיץ את הייצור של מכללי כבלים בסביבת מפעל. חיבורי IDC משמשים לעתים קרובות לייצור מכללי כבלים בשטח ויכולים להפחית את זמן ההתקנה בעד 50% הודות להפחתה בחשיפת החוטים, הפיתול וההלחמה. ישנן ארבע משפחות מחברים המזוהות כ-30, 31, 32 ו-40. שלושת הראשונות תומכות בגדלים שונים של כבלי IDC, כאשר הרביעית משמשת לחיבורים בהלחמה:

• 30: IDC המשתמש בגודלי חוט American Wire Gauge‏ (AWG‏) של 26 עד 28, כשהקוטר החיצוני של המבודד הוא בין 0.95 ל-1.05 מ"מ
• 31: IDC המשתמש בגודלי חוט AWG‏ של 24 עד 25, כשהקוטר החיצוני של המבודד הוא בין 1.1 ל-1.25 מ"מ
• 32: IDC המשתמש בגודל חוט AWG‏ של 22, כשהקוטר החיצוני של המבודד הוא בין 1.4 ל-1.6 מ"מ
• 40: הלחמה ידנית

Hirose גם מציעה מחברי ix עם שלוש תצורות שקע ושלוש תצורות תקע כדי להתאים לצורכי יישום ספציפיים (איור 4). תצורות השקעים כוללות:

• זקוף בזווית ישרה הניתן להרכבה במקביל עם מרחק פסיעה של 10 מ"מ כדי לחסוך מקום על לוח ה-PCB‏ במערכות בצפיפות גבוהה
• סוג אנכי המאפשר למחבר חיבור מלמעלה
• השקע בזווית ישרה ובפרופיל נמוך הוא בגובה של 5.7 מ"מ, פחות מחצי מהגובה של מחבר RJ45‏

תצורות התקע כוללות:

• כבלים ישרים
• כבלים בזווית ישרה כלפי מעלה
• כבלים בזווית ישרה כלפי מטה

איור 4: השקעים זמינים בשלושה סגנונות; סגנון שונה מוצג בכל אחד משלושת לוחות המעגלים. כל לוח מעגלים כולל את שלושת הסגנונות של תקעי מחברי ix‏. (מקור התמונה: Hirose)

דוגמאות של מחברי ix‏

בנוסף לתצורות ולאפשרויות המפורטות לעיל, Hirose מציעה למתכננים בחירה בין ציפוי זהב או ציפוי פאלאדיום-ניקל ובנוסף ציפוי זהב על משטחי המגעים. הדוגמאות מתוך עשרות מחברי ix של Hirose כוללות:

(IX80G-B-10P(01, שקע אנכי Type B עם ציפוי פאלאדיום-ניקל של 0.75 מיקרומטר (μm‏) ובנוסף ציפוי זהב של μm‏ 0.05

(IX80G-A-10P(01, שקע אנכי Type A‏ עם ציפוי פאלאדיום-ניקל של 0.75 מיקרומטר (μm‏) ובנוסף ציפוי זהב של μm‏ 0.05

IX61G-B-10P‏, שקע Type B‏ בזווית ישרה כלפי מעלה עם ציפוי זהב של μm‏ 0.2

IX60G-A-10P, שקע Type A‏ בזווית ישרה עם ציפוי זהב של μm‏ 0.2

(IX31G-A-10S-CV(7.0, תקע Type A‏ ישר עם ציפוי זהב של μm‏ 0.2

(IX30G-A-10S-CVL2(7.0, תקע Type A‏ בזווית ישרה כלפי מעלה עם ציפוי זהב של μm‏ 0.2

(IX30G-B-10S-CVL1(7.0, תקע Type B‏ בזווית ישרה כלפי מטה עם ציפוי זהב של μm‏ 0.2

הרכבה בשטח

זמינות גבוהה נדרשת ביישומי Ethernet תעשייתיים, והרכבת כבלים בשטח יכולה להיות שיקול חשוב. זה יכול להאיץ את התקנת הציוד, במיוחד בארכיטקטורות מודולריות, כדי להקל על החלפה מהירה של מכללי כבלים שנשחקו או ניזוקו. כדי לענות על הצורך של הרכבה בשטח, Hirose מציעה את כלי הרכבת הכבלים HT803/IXG-8/10S-63-72 שניתן להשתמש בו עם מחברי ix‏ IDC‏ IX30G‏, IX31G ו-IX32G (איור 5). זהו כלי משולב ללחיצת הכבל והתקע ביחד והטבעה (Swaging‏) של הבית המגן על המכלל. במקרה של מחברים בהלחמה IX40G, הוא משמש רק להטבעה.

איור 5: כלי ידני זה מאפשר ייצור בשטח של מכללי כבלי ix. (מקור התמונה: Hirose Electric)

כלי הרכבת כבלים זה מיועד לעבוד עם כבלים מסוככים מ-AWG‏ 28‏ עד AWG‏ 22 עם חוטי נחושת מחושלים עם שזירה של שבעה עם קוטר בידוד חיצוני בין 6.3 ל-7.2 מ"מ. הפעולה היא מהירה ופשוטה.

לחיצה: מקמו את התקע בתוך הכלי כאשר זיז הקידוד פונה כלפי מעלה והכניסו את הכבל לתוך התקע. סגרו את הידית כדי להשלים את הלחיצה. הכלי כולל מנגנון ראצ'ט כדי להבטיח שהוא לא ייפתח עד שהופעל די לחץ כדי ליצור חיבור הדוק וטוב. הראצ'ט משתחרר אוטומטית כאשר הלחץ הנדרש הושג.

טביעה (Swaging‏): מקמו את מעטה הסיכוך והתיבה בתוך הכלי (קיים מיפתח מיוחד כדי להבטיח מיקום נכון). כמו בתהליך הלחיצה, מקמו את התקע בתוך הכלי כאשר זיז הקידוד פונה כלפי מעלה. לחצו על הידית עד שהראצ'ט ישתחרר כדי להשלים את ההטבעה.

בדיקות הן חשובות

יכולות להיות מספר סיבות לבדיקת כבלי Ethernet בשטח. במהלך פריסה ראשונית של ציוד או החלפת כבלים קיימים, בדיקה יכולה לאשר שהכבל עומד בכל דרישות הביצועים. בדיקת כבלים היא שימושית גם בעת פתרון בעיות בהתקנות כדי לאתר במדויק את מקור הבעיה. יכולים להיות מקורות רבים לתקלות ברשת Ethernet, כולל מחברים פגומים, שבירות כבלים או סיכוכים, ורגישות מוגברת ל-EMI.

ה-DSX-CHA-5-IX-S של Hirose הוא סט של שני מתאמים הממוטבים עבור זירוז בדיקות בשטח של מחברים ומכללי כבלים ix‏ (איור 6). הם מתוכננים עבור שימוש עם בודקי DSX CableAnalyzer של Fluke Networks. בדיקה מקיפה לפי מפרטי IEEE 802.3 באמצעות מתאמים אלה יכולה לספק תוצאות עובר/נכשל, ביחד עם דיאגנוסטיקה מקיפה כדי להאיץ את הזיהוי של כל בעיה.

איור 6: סט המתאמים DSX-CHA-5-IX-S מזרז את הבדיקה בשטח של מחברים ומכללי כבלים ix‏. (מקור התמונה: Fluke‏)

סיכום

המתכננים יכולים להשתמש במחברי ix כדי לתמוך בצורך במערכות Industry 4.0 עבור חיבוריות חסונה בצפיפות גבוהה. מחברים אלה זמינים בתצורות Ethernet ובתצורות שאינן-Ethernet, עם תצורות מכניות שונות לתמיכה במגוון צורכי תכנון המערכת. ניתן להשתמש בחיבורים בהלחמה במערכי ייצור בכמויות גדולות, בעוד שדגמי IDC מאפשרים ייצור מכללי כבלים בשטח. קיימים גם כלים ובודקים כדי להבטיח שמכללי הכבלים המתקבלים עומדים בכל דרישות ביצועי ix.

קריאה מומלצת

1. (Power over Ethernet (PoE באוטומציה תעשייתית