שדרוג צפיפות נקודות-החיבור והאמינות של Ethernet תעשייתי עם מחברי ix Industrial‏

מפעלים חווים עלייה ביישומים עתירי נתונים כגון רובוטיקה, ראיית מכונה וטכניקות אינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT) התוצאה היא ביקוש גואה עבור תקשורת במהירות גבוהה. בעוד ש-Ethernet תעשייתי עזר, המתכננים חייבים לאפשר צפיפות נקודות-חיבור גבוהה, למזער הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) ולהבטיח חיבורים חסונים פיזית.

בגודל של רבע בלבד ממחבר RJ45 ועם סיכוך EMI משופר וחיבור חסון, מחבר ix Industrial‏ נוצר במיוחד כדי לתת מענה לדרישות אוטומציה במפעלים. מתוקנן לפי IEC 61076-3-124, המחבר מאפשר מגוון פתרונות ממספר ספקים ומציע חבילה של מאפיינים מפורטים כדי לשפר עוד יותר את יכולות המפעל החכם.

מאמר זה סוקר בקצרה את דרישות החיבוריות של אוטומציה במפעלים. לאחר מכן הוא מציג את מחברי ix Industrial‏ של Hirose‏ ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם כדי לעמוד בדרישות.

Ethernet תעשייתי והאתגרים של מחברי RJ45

ל-Ethernet תעשייתי יש שני מאפיינים עיקריים המתאימים עבור מפעלים חכמים: קצב נתונים של 10 גיגה-ביט לשנייה (Gbps‏ 10‏) ובסיס טכנולוגי של Ethernet. הוא משתמש באותו פרוטוקול TCP/IP, כבלי CAT5e ו-CAT6, ומחברי RJ45. יכולת פעולה-הדדית זו מקלה על שילוב התקני מפעל חכם זה עם זה ועם המערכות הארגוניות.

עם זאת, הסביבה התעשייתית מטילה מאמץ פיזי גדול יותר על מחברים, ועם צפיפות נקודות-חיבור גדלה, המתכננים זקוקים למחברים קטנים יותר שיכולים גם למזער עוד יותר את ה-EMI. כפי שמוצג באיור 1, מחבר ix Industrial מקטין את שטח ההתקנה ב-75% בהשוואה למחברי RJ45. יחד עם זאת הוא גם מציע עמידות וחסינות EMI משופרות במידה ניכרת (איור 2).

איור 1‏: מחבר ix Industrial‏ (משמאל) הוא קטן יותר ב-75% לעומת מחבר RJ45‏ המסורתי (מימין). (מקור התמונה: Automation World‏)

איור 2‏: מחברי ix Industrial‏ מציעים שיפורי ביצועים רבים לעמידה בדרישות אוטומציה במפעלים. (מקור התמונה: Hirose)

למרות ש-ix Industrial משתמש במחבר ייחודי, מעבר לכך הוא תואם ליתר מערכת Ethernet תעשייתית. לדוגמה, הוא תומך בכבלי CAT6A עד Gbps‏ 10‏ ו-Power over Ethernet‏ (PoE‏) ו-+PoE‏ עד 3 אמפר (A‏).

על בסיס תאימות זו, המחבר הממוזער תוקנן תחת IEC 61076-3-124, ומבטיח יכולת פעולה-הדדית בין ספקים המפשטת את תהליך התכנון ומעניקה למהנדסים חופש גדול יותר בבחירת מוצרים. לדוגמה, סדרת מחברי ix Industrial‏ של Hirose תואמת במלואה עם פתרונות של יצרנים אחרים.

מחבר ix Industrial נבחר גם עבור פרוטוקולי Ethernet רבים, כולל PROFINET‏, CC-Link IE TSN‏ ו-GigE Vision‏:

• PROFINET הוא פרוטוקול Ethernet תעשייתי בשימוש נרחב המפוקח על ידי Profibus ו-Profinet International‏ (PI‏). הוא משמש עבור בקרי לוגיקה ניתנים-לתכנות (PLC), רובוטים, כוננים, וכניסה ויציאה (I/O‏) של חיישנים ומפעילים.
• CC-Link IE TSN הוא תקן של CC-Link Partner Association המשלב Gigabit Ethernet‏ עם רשתות רגישות-לזמן (TSN). הוא משמש בתעשיות מתקדמות כגון ייצור מוליכים-למחצה וייצור רכב.
• GigE Vision הוא תקן ממשק למצלמות תעשייתיות בעלות ביצועים גבוהים המנוהל על ידי Automated Image Association‏ (AIA‏). הוא משתמש ברשתות Ethernet כדי להשיג יתרונות כגון העברת נתונים מהירה, אורכי כבלים ארוכים יותר, עלות נמוכה ומדרגיות.

בנוסף להכרות רשמיות אלו, ניתן להשתמש במחברי ix Industrial עם פרוטוקולי Ethernet תעשייתיים רבים אחרים, כולל EtherCAT, Modbus TCP ו-Ethernet/IP. עם התמיכה שלו בפרוטוקולים אלה והמזעור החסון שלו, מחברי ix Industrial הם בחירה משכנעת עבור יישומי מפעל חכם רבים. אלה כוללים:

• ראיית מכונה: מצלמות ברזולוציה גבוהה מייצרות כמויות גדולות של נתוני תמונה לניתוח וקבלת החלטות בזמן-אמת. זה מנצל את קצב הנתונים הגבוה והגודל הקומפקטי של מחבר ix Industrial עבור מערכי מצלמות רבות.
• רובוטיקה: רובוטים שיתופיים ואוטונומיים מסתמכים על נתוני חיישנים בזמן-אמת ואותות בקרה לצורך פעולה בטוחה ויעילה. החוסן של מחבר ix Industrial והרגישות הנמוכה ל-EMI מבטיחים החלפת נתונים אמינה.
• תחזוקה מנבאת: הוספת חיישנים לציוד קריטי מאפשרת גילוי מוקדם של פוטנציאל תקלות, ומונעת זמן השבתה יקר. הפרופיל הנמוך והתכן החסון של מחבר ix Industrial הופכים אותו למתאים ביותר עבור חיישנים קטנים בתנאי פעולה קשים.

אפשרויות תכן חוסך-מקום בתקעים ושקעים

גם לשקעים וגם לתקעים של ix Industrial יש תכונות ראויות-לציון המשפרות את החיסכון-במקום. כמתואר באיור 3, השקעים זמינים במגוון של תצורות:

• שקעים זקופים, כגון IX61G-A-10P‏, ניתנים להרכבה במקביל עם פסיעה של 10 מילימטרים (מ"מ) בלבד עבור צפיפות נקודות-חיבור גבוהה. בתצורה זו, שישה מחברי ix Industrial יכולים להתאים לאותו המקום כמו שלושה מחברי RJ45, תוך הפחתה משמעותית של חתימת-השטח של מתגים, נתבים וציוד דומה.
• שקעים אופקיים בעלי פרופיל נמוך, כגון IX60G-A-10P‏, הם בעלי פרופיל של 5.7 מ"מ, שהוא פחות ממחצית גובהו של מחבר RJ45, מה שהופך אותם למתאימים עבור יישומים כגון חיישנים.
• שקעים אנכיים, כגון IX80G-A-10P‏, ניתנים לחיבור מלמעלה ומעניקים למתכננים גמישות נוספת.

איור 3‏: שקעים ix Industrial‏ הזמינים בגרסות זקופות, אנכיות ואופקיות (למעלה, משמאל ולמטה, בהתאמה). מחברי התקע מגיעים בתצורות ישרה וזווית ישרה. (מקור התמונה: Hirose)

התקעים זמינים עם כיווניות ישרה, כגון (IX40G-B-10S-CV(7.0‏, או בזווית ישרה, כגון (IX30G-A-10S-CVL2(7.0‏. אפשרויות זווית ישרה ראויות לציון במיוחד, שכן הן מקטינות את גובה החיבור ומקלות על ניתוב הכבל במקומות צרים. לדוגמה, תקעים אלה יכולים למזער בעיות הקשורות לרדיוס כיפוף הכבלים ולהקל על חיבור Daisy Chain בצפיפות גבוהה.

כושר התאוששות מכנית וחשמלית

מתוכנן לעמוד בתנאים תעשייתיים, מחבר ix Industrial כולל מבנה חסון החסין בפני רעידות, פגיעות ו-EMI. מעטה השקע מורכב אל לוח המעגלים המודפסים (לוח pc) באמצעות חמש רגלי הלחמה חור-עובר. זה יוצר חיבור פיזי מוצק חסין מפני פיתול ומשיכה, ומגן על מגעי האותות. הוא גם מעניק חיבור חסון בין מעטפת השקע לבין משטח ההארקה של הלוח.

מעטה התקע מורכבת מיחידת סיומת חוט משולבת ומהדק כבל (איור 4). זה מונע מהחלק המחבר של מכלל הכבלים להיות מושפע מהעומס על הכבל. המעטה נלחץ יחד ובא במגע ישיר עם קפיץ ההארקה של השקע, וכך נוצר סיכוך רצוף של °‏360‏ נגד EMI.

איור 4: תקע ix Industrial עוטף את יחידת סיומת החוט בתוך מעטה המגן מפני נזק פיזי ו-EMI. (מקור התמונה: Hirose)

המחברים כוללים גם מנגנון נעילה חסון בהצמדה (Snap-in‏) המספק קליק נשמע וטקטילי. מנגנון נעילה פוזיטיבית זה מבטיח חיבור מאובטח גם בסביבות עם רעידות חזקות ומסייע למחבר לעמוד ב-5,000 מחזורי חיבור-ניתוק.

Hirose מציעה גם גרסות של מחברי ה-ix Industrial שלה עם מגעי פאלאדיום-ניקל. לדוגמה, תקע (IX30G-A-10S-CV(7.0)(01‏ משתמש במגעים עם ציפוי פלדיום-ניקל של 0.75 מיקרומטר (מיקרומטר) ובנוסף 0.05 מיקרומטר של ציפוי זהב. מגעים אלה עמידים יותר ממגעי זהב סטנדרטיים והם רבי-ערך עבור יישומים עם מחזורי חיבור-ניתוק תכופים.

מפשטים את ההרכבה והבדיקה

Hirose ממליצה להשתמש בכבלים עם גודלי חוטים בין 22 ל-28‏ American Wire Gauge‏ (AWG‏) כדי להבטיח חיבור באיכות-גבוהה. על החוטים ניתן להרכיב סיומות בהלחמה או עם חיבורי דחיקת בידוד (IDC), כאשר IDC מומלצת עבור תקעים שהסיומות שלהן מורכבות בשטח. שיטת סיומת זו משתמשת בכלי לחיצה כגון HT803/IXG-8/10S-63-72‏ כדי לחתוך דרך בידוד החוטים ולהתחבר בתנועה אחת.

עבור סיומות באיכות גבוהה והעמידות ביותר, עדיפה הלחמה. Hirose מציעה תקעים רבים, כמו (IX40G-A-10S-CV(7.0‏, התומכים בשיטת סיומת זו.

כדי לבדוק כבלים ומכללים, Hirose מציעה את DSX-CHA-5-IX-S‏, סט של מתאמים עבור ה-DSX CableAnalyzer‏ של Amprobe‏ (חברה של Fluke Networks‏). באמצעות אנאלייזר זה, הטכנאים יכולים להבטיח פעולה תקינה ולפשט את האבחון של כל בעיה.

סיכום

המתכננים יכולים להשתמש במחברי ix Industrial כדי להשיג צפיפות יציאות ואמינות גבוהות ביישומי מפעלים חכמים. עם התקינה שלהם לפי IEC 61076-3-124, מובטחת למתכננים יכולת פעולה-הדדית בין יצרנים. המגוון של אפשרויות התקע והשקע מאפשר למתכננים לבחור כיווני הרכבה וניתוב כבלים כדי להקטין את חתימת-השטח של הציוד שלהם, למנוע מאמצים על הכבלים ולהשיג רוחב-פס גבוה עם סיכון מינימלי להפרעות.

קריאה מומלצת

1. כיצד לעמוד בדרישות לחיבוריות חסונה וצפיפות גבוהה של Industry 4.0