כיצד להשתמש בכבלי USB-C תעשייתיים כדי להבטיח יכולת עבודה הדדית (Interoperability), להקטין עלויות ולשפר אמינות

מתקנים תעשייתיים הם רשת חיווט מורכבת במידה הולכת וגדלה, כולל רשתות עבור צמתי אינטרנט של דברים (IoT) לצד חברור אלקטרוניקה דיגיטלית. בעוד רשתות דיגיטליות הן מתוקננות ומשתמשות בפרוטוקולים של חיווט כמו Ethernet‏ ו-BACnet‏ ובפרוטוקולים אלחוטיים כמו Wi-Fi‏ ו-Bluetooth‏, החברור הדיגיטלי בין מחשבי בקרה כמו מחשבי-לוח-יחיד (SBCs) או בקרים לוגיים ניתנים-לתכנות (PLCs‏) והתקנים היקפיים כמו חיישנים או מפעילים (Actuators‏), יכול להיות שונה במידה רבה.

כדי לבלבל דברים עוד יותר, החברורים יכולים להשתמש במגוון כבלים, מחברים ומערכי פינים שנראים דומים מאוד, אך הם לגמרי לא תואמים.

הנטל הוא על מתכנני מערכת להקטין אי התאמות אלו ולהבטיח יכולת עבודה הדדית (Interoperability), תוך כדי גם הקטנת עלויות, האצת הרכבה של מערכות ושיפור אמינות, למרות התנאים הקשים של הסביבה התעשייתית. דרך אחת להשיג את זה היא להשתמש במכלל כבל תקני USB-C‏ מדורג IP67‏ או IP68. זה יכול להפוך את החיים של טכנאי לקלים הרבה יותר על ידי שיפור תאימות מכלל כבל במגוון גדול של ציוד.

מאמר זה מתאר את הבעיות של חברור דיגיטלי ביישומים תעשייתיים וכיצד אימוץ הסטנדרט של כבלי ומחברי USB-C עבור חברור דיגיטלי פשוט יכול לפתור חלק גדול מבעיות אלו.‏ אחר כך, המאמר מציג‏ מגוון מחברים ומכללי כבל USB-C‏ עם מאפיינים ייחודיים, כולל תאימות IP67, מ-PEI-Genesis,‏ Amphenol LTW ו-Bulgin‏, לפני שדנים כיצד הם יכולים לספק חיבוריות נפוצה, אמינה ואיתנה עבור יישומי מחשב-לחיישן/מפעיל (Actuator).

חברור דיגיטלי באוטומציה תעשייתית

ציוד תעשייתי מנוהל על ידי מחשבי בקרה, שיכולים להיות‏ מחשב-לוח-יחיד (SBC)‏, בקר לוגי ניתן-לתכנות (PLC) או מחשב נייד‏ סמוך. מחשב הבקרה בדרך כלל מתחבר להתקנים קרובים הנדרשים על ידי הציוד, שיכולים להיות מוגדרים בהגדרה רחבה כחיישנים. אלה כוללים מתגים, חיישנים אופטיים וסביבתיים; ומפעילים (Actuators‏) כמו מנועים, סולנואידים או אורות. עבור מרבית הציוד התעשייתי הכבד, המתכננים אצל יצרן הציוד בוחרים את סוג המחבר בשימוש עבור קצוות הכבל ובוחרים בפרוטוקול החשמלי בו משתמשים. עבור‏ בקרה תעשייתית מותאמת-במיוחד, המהנדסים והטכנאים בוחרים ומתקינים את המחשב, המפעילים (Actuators‏), החיישנים, המחברים והכבלים. לאחר שסוג המחבר והפרוטוקול החשמלי נבחרו, לא ניתן לשנותם מאוחר יותר ללא תהליך שיפוץ ארוך ויקר. לכן, כאשר מתכננים את התפעול התעשייתי, חשוב להחליט מוקדם מאוד בתהליך התכנון באיזה סוג חברור דיגיטלי להשתמש עבור חיישנים ומפעילים (Actuators‏). כמו במקרה של כל מערכת העושה שימוש נרחב במערכות חברור דיגיטליות, ככל שהתפעול גדול יותר, כך ניתן לחסוך יותר זמן וכסף על ידי אימוץ סטנדרט של ציוד, כולל כבלים.

בזמן הקמה או שינוי תצורה של ציוד, טכנאים חייבים שיהיו להם את הכבלים המתאימים זמינים עם סיומות מחבר מתאימות. במבט ראשון, שני מכללי כבל לא תואמים חשמלית יכולים להראות זהים ואפילו בעלי מחברים דומים הנראים כעשויים כמעט להתאים, אבל הם לא. התאמה לא-וודאית זו יכולה לתסכל טכנאים ולעכב פריסת מערכת. אפילו כשמשתמשים בכבלים נכונים, חיבור לציוד יכול לקחת מספר נסיונות כדי למצוא את האוריינטציה הנכונה של מחבר מקודד שלא ניתן להיפוך ולהבטיח חיבור יציב. בסביבת תאורה חלשה או היכן שמהירות פריסה היא חיונית, אימוץ סטנדרט אחד של מכלל כבל מפחית תסכול בעוד שגם מבטיח יכולת עבודה הדדית (Interoperability) בין מכונות. זה לא רק חוסך זמן אלא גם חוסך עלות מאחר וניתן לקנות את מכלל הכבל בכמויות גדולות.

יתרונות USB-C‏ עבור חברור דיגיטלי

כדי לטפל בבעית החברור הדיגיטלי הנפוץ, מכללי כבל USB-C מתאימים עבור מרבית היישומים בין ציוד תעשייתי. תקעי ושקעי USB-C‏ הם לא מקודדים, מחברי להב דו-צדדיים שהם סימטריים בסיבוב. זה מבטיח חיבור יציב בהחדרה ראשונה, דבר החוסך זמן ותסכול כיוון שטכנאים לא צריכים יותר לגשש כדי לכוון נכון מחבר מקודד. יתרון נוסף, כבלי USB-C‏ יכולים גם לספק הזנה לחיישן או מפעיל (Actuator)‏.

מתקן תעשייתי יכול לבחור בכבלי ומחברי USB-C סטנדרטיים עבור מרבית החברורים הדיגיטליים בין מחשבי בקרה והחיישנים והמפעילים, תוך פישוט מלאי מכללי הכבל ויכולת העבודה ההדדית (Interoperability) של מחברים. כבלי ומחברי USB-C תעשייתיים IP67‏ נועדו לעבודה מאומצת ויכולים לעמוד בחום, ממיסים ונוזלים המצויים בדרך כלל במתקנים תעשייתיים עם תנאי סביבה קשים. כבלי USB-C‏ תעשייתיים גם בנויים להקטין למינימום הפסדי הספק ואותות והם טולרנטיים יותר להתעללות של כוחות כיפוף ופיתול.

מחברי USB-C יכולים לתמוך ב-USB 2.0 ו-USB 3.1. תקן ה-USB-C‏ דורש שנקודות-חיבור ומכללי כבל USB 3.1‏ יהיו תואמים לאחור עם מהירויות USB 2.0‏ של 480 מגה-ביט לשניה (Mbits/s‏). זה מונע בעיות תאימות על ידי מתן אפשרות לנקודות-חיבור USB 2.0‏ להשתמש באותם מכללי כבל כמו USB 3.1‏. עם זאת, USB 3.1‏ מאפשר מהירויות הרבה יותר גבוהות. מכללי כבל USB 3.1 Gen 1‏ תומכים במהירויות של עד ‏5‏ גיגה-ביט לשניה (Gbits/s‏), בעוד מכללי כבל USB Gen 2‏ תומכים עד Gbits/s‏ 10‏. כדי לזהות את מהירות השידור, מכללי כבל עם מחברי USB-C‏ בשתי הקצוות נדרשים על ידי מפרט USB‏ שיהיה להם שבב e-marker משובץ בבית המחבר המזהה את ההספק המקסימלי ומהירות שידור הנתונים של מכלל הכבל. הנתונים בשבב ה-e-marker נקראים על ידי ה-USB המארח עם ההחדרה הראשונה ומודיעים ל-USB המארח מה מהירות השידור המקסימלית של הכבל, כדי להבטיח שה-USB המארח ישלח נתונים בהתאם.‏ מכללי כבל USB-C‏ שתומכים במהירויות USB 2.0‏ בלבד אינם נדרשים להכיל שבב e-marker, כך שאם לא נשלחים נתוני שבב, ה-USB המארח ישלח נתונים במהירות של 480‎ Mbits/s‏.

תקן ה-USB-C‏ מאפשר העברת הספק‏ מקסימלי של 3 אמפר (A) במתח של ‏5‏ וולט DC‏, סה"כ הספק של 15 ואט. זהו הסטנדרט עבור מכללי כבל USB נפוצים. עם זאת, המפרט עבור USB 3.1 Gen 1‏ ומאוחר יותר מאפשר A‏ 5‏ ב-‏20‏ וולט, סה"כ הספק של 100 ואט‏. מכללי כבל USB-C‏ המתוכננים עבור אספקת-כוח USB 3.1‏ חייבים להכיל שבב e-marker המציין את יכולת העברת ההספק, או ה-USB המארח יבחר את ברירת-המחדל של עד 15 ואט‏. זה משפר בטיחות על ידי מניעת תנאי העמסת-יתר הספק שעלולים להרוס את הכבל.

בעוד המיקוד כאן הוא על סטנדרטיזציה של מכללי כבל USB-C‏ עבור חברור דיגיטלי, חשוב להיות מודע לכך שישנן שלוש יכולות אפשריות למכלל כבל:

1. שיטת USB 2.0‏: ללא e-marker, יכולה לספק 15 ואט הספק ו-480‎ Mbits/s‏ נתונים
2. USB 3.1 Gen 1‏: e-marker, מספק 100 ואט‏ הספק ו-‏‏‎ 5 Gbits/s‏נתונים
3. USB 3.1 Gen 2:‏ e-marker, מספק 100 ואט‏ הספק ו-‏‏‎ 10 Gbits/s‏נתונים

אם משתמשים בכבל USB-C‏ בעל יכולת נמוכה יותר עם מארחי USB-C‏ והתקנים בעלי יכולת גבוהה יותר ומוגדרי תצורה בהתאם, מארח ה-USB‏ ישניק את ההספק והנתונים ליכולת הנמוכה יותר. זה מגדיל בטיחות על ידי מניעת העמסת-יתר הספק על הכבל, תוך כדי שיפור אמינות על ידי הבטחת קצבי נתונים תואמים. ‏מתקן יכול לפשט את זה יותר על ידי שימוש בתקן המספק את ההספק וקצב הנתונים המקסימליים הדרושים. אלא אם מתקן‏ אוטומציה תעשייתית מבצע העברת נתונים בקצב גבוה כגון הזרמה חייה של ווידאו, אימוץ סטנדרט מכללי כבל USB 3.1 Gen 1 יכול להיות בחירה בטוחה. בדרך כלל, מפרט כבלי ‏5‎ Gbit/s USB 3.1 Gen 1‏ מוגבל לאורך כבל מקסימלי של 2 מטר (m), שהוא מספיק עבור מחשבי בקרה כדי להתחבר לחיישנים ומפעילים (Actuators‏) קרובים. אם יש צורך לשלוח באמינות נתונים של 10‎ Gbit/s, מפרט כבלי USB 3.1 Gen 2‏ מוגבל לאורך כבל מקסימלי של 1 מ', כי העברת נתונים של Gbits/s‏ 10‏ דרך כבלים ארוכים יותר יכולה לגרום לאבדן נתונים לאורך הכבל בשל החזרת אותות או הנחתה.

מכללי כבל USB-C‏

עבור מתכננים המצפים לשלוח נתוני מהירות-גבוהה בתנאי סביבה קשים, ישנם מספר פתרונות קשיחים ואמינים. לדוגמה, PEI-Genesis מספקת את מכלל הכבל IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 Gen 2 (איור 1). הכבל הוא באורך 1 מ' ומדורג עבור עבודה בתחום טמפרטורות 20°C- עד 85‎°C+, מתאים עבור מרבית הסביבות התעשייתיות הקשות. מעטה הכבל עשוי משרף פוליוויניל כלוריד (PVC‏) בעל חסינות מים וטולרנס קרינת אולטרה-סגול (UV) מצוינים. מעטי כבל מסחריים יכולים להיסדק או לדהות תחת חשיפה ממושכת לאור שמש.

איור 1: ה-Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M הוא מכלל כבל USB-C באורך 1 מ', עשוי עבור יישומים תעשייתיים. המחבר עם אטם האום הנועלת מספק חיבור אטום למים IP67 לחיישן או מפעיל (Actuator) . המידות המוצגות הן במילימטרים. (מקור תמונה: PEI-Genesis)

בקצה אחד של ה-IPUSB-31WPCPC-1M יש מחבר תקע ‏USB-C סטנדרטי עשוי משרף PVC‏ יצוק עם תקע ‏USB-C‏ מפלב"ם. קצה זה מתחבר למחבר USB מארח על ה-SBC‏ או PLC. בקצה השני יש תקע אטום יצוק עם אום נועלת מניילון ואטם‏ גומי. תקע זה מספק איטום IP67 קשיח ובטוח לחיישן או מפעיל (Actuator).

ה-Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M מכיל שבב ‏e-marker משובץ המאפשר לציוד מחובר לזהות את יכולותיו. שבב ה-e-marker עובד בתחום טמפרטורות מלא של מכלל הכבל, ‎20°C- עד 85‎°C+. זה מבטיח שהכבל ניתן לזיהוי כהלכה אפילו כשהציוד מופעל בטמפרטורות קיצוניות.

חיבוריות USB-C‏ בסביבות קיצוניות

עבור תנאי סביבה קשים ביותר, Amphenol LTW‏ מציעה את מכלל כבל ה-USBC מטר אחד UC30FL-NCML-SC01 (איור 2‏). הכבל מוקף לכל אורכו על ידי שרוול פוליפרופילן פלסטיק (PP‏) המעניק הגנה נוספת מפני זעזועים, כוחות חיתוך ומאמץ מכיפוף סביב פינות. השרוול גם מעניק הגנה לכבל העטוף כשנמצא תחת רעידות קיצוניות. השרוול מודבק לשני קצוות הכבל ולא ניתן להסירו.

איור 2‏: מכלל הכבל UC30FL-NCML-SC01 USB-C עטוף בשרוול‏ PP‏ המגן על הכבל מפני זעזועים ורעידות חזקות. המידות הן במילימטרים. (מקור תמונה: Amphenol LTW)

בקצה אחד של מכלל הכבל יש מחבר מארח ‏USB-C‏ פשוט שנתקע בתוך ה-USB המארח. בקצה השני יש מחבר עגול לעבודה מאומצת עם מעצור מתיחה (strain relief‏) מחוזק. מחבר זה הוא בעל תקע אטום יצוק עם אטם סיליקון מאובטח על ידי אום נועלת מניילון. זה מספק איטום ‏בלתי חדיר חסין-מים וחסין למרבית הכימיקלים. הכבל והמחבר העגול מדורגים IP67‏, במצבים מחובר ולא-מחובר, דרוג המגן על תקע ה-USB-C‏ העגול מפני הסביבה אפילו כשלא מחובר.

ה-UC30FL-NCML-SC01 הוא חסין-אש לפי UL94V-0, זה אומר שכבל ה-PP‏ יכול לעמוד בלהבת אש עד 10 שניות. כבל ה-PP גם חסין שמן, ‏בנזין ומרבית הממיסים. כל תקע יכול לעבוד בתחום טמפרטורות ‎40°C- עד ‎85°C+, בעוד שהאום הנועלת העשויה מניילון ושרוול ה-PP יכולים לעמוד בטמפרטורות גבוהות יותר, מ-40°C- עד ‎115°C+. תכונה זו עושה מכלל כבל זה מתאים במיוחד עבור חיבור לחיישנים ומפעילים (Actuators‏) בגנרטורים ומנועי בנזין תעשייתיים.

שבב ה-e-marker המשובץ מזהה את הכבל כתומך בהעברת נתונים של ‏‎5 Gbit/s, קצב העברה מתאים עבור גנרטורים של בנזין מהירות-גבוהה שחייבים לנטר באופן קבוע עבודת מנוע כדי למקסם יעילות.

חיישני USB‏ ביישומים ימיים

במקרים מסוימים, מחשב הבקרה עבור הציוד הוא בעל מחבר USB-A‏ אבל צריך להתחבר למחבר‏ USB-C‏. זה דורש‏ כבל כמו ה-PXP4040/C/A/2M00 של Bulgin, מכלל כבל‏ USB-A ל-USB-C‏ (איור 3‏). לכבל זה יש תקע‏ USB-A‏ בקצה האחד ותקע עגול USB-C‏ בקצה השני, ועובד בתחום טמפרטורות מ-‎40°C- עד 80°C‏+. מחבר וכבל ה-USB-C‏ יכולים לעבוד כששקועים בעומק של ‏10 מטר במים במשך שבועיים. הם גם חסינים למים מלוחים, דבר העושה אותם מתאימים עבור ציוד ימי, כולל מכונות תעשייתיות על מכליות ואוניות מטען. מכלל הכבל מדורג IP68‏, פרט למחבר ה-USB-A, שמדורג IP66.

איור 3: ה-PXP4040/C/A/2M00 הוא בעל תקע‏ USB-A‏ בקצה האחד ותקע USB-C‏ בקצה השני. הוא חסין למים מלוחים ותקע ה-USB-C‏ יכול לעמוד בשיקוע בעומק של 10 מ' מים עד שבועיים. (מקור תמונה: Bulgin)

ה-Bulgin PXP4040/C/A/2M00 הוא גם בעל‏ דרוג דליקות UL94V-0. מעטה הכבל עשוי משרף PVC, דבר העושה אותו מתאים עבור יישומי סיפון ימי.

מעטה מחבר ה-‏USB-C עשוי מפוליקרבונט-פוליבו טרפתלט (PC/PBT), ‏חומר בעל חוזק גבוה המשמש לעתים קרובות עבור פגושי מכוניות. בית מחבר ה-PC/PBT הוא בעל חסינות גבוהה לכימיקלים וגמישות מספקת כדי לספוג מכות חזקות בטמפרטורות קרות, מטה עד C‏°‏40‏-. אפילו בעת חבטה בכוח רב, המחבר לא ישבר ויסדק במעט. זה מספק חסינות מפני חבלה עבור חיישני אבטחה USB,‏ כולל התקפות הקפאה‏ בהן מחבר מוקפא במהירות ואחר כך מוכה בפטיש.

מפרט ה-USB-C‏ אינו מרשה שיבוץ של שבב e-marker בכבל בעל תקע USB-A‏ בקצה אחד. מכלל כבל זה מוגדר לספק עד ‎5 A ולתמוך בקצב נתונים של עד ‎ 5 Gbit/s לאורך אורכו של 2 מ', למרות שמספר התקנים היקפיים USB-C עלולים להבחין בהעדר שבב ה-e-marker ולהשתמש כברירת מחדל ב-480‎ Mbits/s.

מסקנה

אימוץ סטנדרט מכללי כבל USB-C‏ עבור חברור דיגיטלי בסביבה תעשייתית מפשט מלאי כבלים ומספק חיבוריות מהירה וקלה הודות לתכן הסימטרי הסיבובי של התקע והשקע. כבלי USB-C‏ יכולים להזדהות כבעלי הספק מסוים ויכולת העברת נתונים מסוימת למחשב הבקרה המארח כדי למנוע איבוד נתונים ותנאים מסוכנים של עומס-יתר הספק . הבחירה והשימוש הנכונים במכלל כבל USB-C‏ מתאים במערכות תעשייתיות יכולים גם לשפר אמינות, להפחית תחזוקה ולהקטין עלות כוללת.