שימוש במחברי Ethernet מהירות-גבוהה, מקשחים,‏ ‏עבור רשתות תקשורת תעשייתיות

האינטרנט-של-דברים התעשייתי (IIoT), או Industry 4.0, דוחק בדרישה לרשתות תקשורת המסוגלות לפעול בתנאי סביבה מאתגרים. לעיתים קרובות, החוליה החלשה ברשתות אלו הם המחברים מאחר ותנאי סביבה תעשייתיים הם חמים, מזוהמים ובדרך כלל כוללים מכונות רועדות, תנאים שכולם מציבים מאמצים רציפים על חיבורים מכניים ומערערים אמינות. התוצאות של תקלת חיבור במפעל מודרני מחריפות את המצב. בעוד המצב יכול להיות קטסטרופלי מבחינה פיננסית עם אבדן ייצור שמסתכם מהר בהפסד כספי גדול, תקלה בחיבור בטיחותי יכולה לגרום לפציעה רצינית. על כן, דרוש תחליף למחבר ה-RJ45 הסטנדרטי.

מתכננים דורשים מחברי Ethernet‏ קשיחים מספיק לעמוד בסטנדרטים תעשייתיים וקודים של הגנת חדירות (IP) נוכחיים, מבלי להתחשב היכן ימוקמו תחילה. הם חייבים להיות מסוגלים לעבוד עם אמינות במהירויות Cat 6A Ethernet‏ עד 10 גיגה-ביט לשנייה (Gbps‏), לתמוך באספקת-כוח-על-Ethernet ‏(PoE) ולהיות "מכוונים לעתיד" ככל האפשר,‏ כל זה יחד עם עמידה לעיתים קרובות בתקציבי תכנון מצומצמים.

מאמר זה בוחן את הדרישות של מערכות תקשורת תעשייתיות ואת רמות ה-IP המתאימות. לאחר מכן, המאמר מתאר כיצד המאפיינים של מחברי Ethernet תעשייתיים עומדים בדרישות אלו, לפני הצגת פתרונות של Amphenol‏ מהעולם האמיתי כדוגמאות למהנדסים כדי להראות כיצד להשתמש במחברים עבור פרויקטים חדשים.

דרישות רשת תעשייתית

תעשייה מודרנית אמצה באופן נרחב רשתות מחווטות כדי להניע “Industry 4.0” (מתואר כ“דיגיטציה של ייצור”) ולבנות על המחשוב של הסקטור שהתרחש בעבר, בשנות ה-70 המאוחרות ובמשך שנות ה-80. עבור מנהלים, Industry 4.0 מבטיח פריון מגדל, מוצר באיכות גבוהה יותר, מחירים נמוכים יותר ובטיחות משופרת. עבור מהנדסים, המשימה היא לבנות את הרשתות האיתנות התומכות בייצור מודרני.

התשתית עבור רשתות Ethernet ביתיות ומסחריות ‏מבוססת בדרך כלל על כבלים לא יקרים ועל מחברי RJ45 סטנדרטיים, אך רכיבים אלה אינם מתוכננים עבור יישומי מפעל. תנאי הסביבה של מפעל הם מאתגרים יותר והבחירה של כבלים ומחברים חייבת לקחת בחשבון את גורמי המאמץ הבאים:

• מכניים: מכות, רעידות, מעיכה, כיפוף, פיתול
• כימיים: מים, שמנים, ממיסים, גזים מאכלים
• סביבתיים: טמפרטורות קיצוניות, לחות, קרינה סולארית
• חשמליים: פריקה אלקטרוסטטית (ESD‏), הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), טרנזיינטים של מתח גבוה

חיווט ומחברים תעשייתיים חייבים להיות מוגדרים לעמוד בתנאים החמורים ביותר הנחזים לכל אורך חיי הרשת. לדוגמה, אין כל תועלת בכבל המדורג עבור טמפרטורות סביבה נורמליות, אם מאוחר יותר המפעל עובר ארגון מחדש כך שהכבל עובר כעת ליד תנורי עיבוד תרמי, היכן שהטמפרטורה היא גבוהה בהרבה.

כבלים תעשייתיים זמינים עם בידוד פוליאוריתן דרגה-גבוהה, שחסין לשחיקה, כימיקלים (כולל שמן) ואש. בעוד מבדדים כמו פוליוויניל כלוריד (PVC) הם זולים יותר, הפלסטיק יכול להיות מותקף על ידי שמנים וכימיקלים ולהפוך לפריך וסדוק בטמפרטורות נמוכות.

בניית רשת Ethernet תעשייתית

בסביבות של רעש חשמלי נמוך, כבלים לא-מסוככים העשויים מזוגות חוטים שזורים (Twisted Pair) יכולים להיות קבילים. אולם, התקנים תעשייתיים כמו רתכת קשת חשמלית או ציוד חשמלי של מפעל כגון ממסרי מיתוג, דוחפי AC או סולנואידים עלולים לגרום להפרעה ושיבוש נתונים בכבלים לא-מסוככים. כאשר בספק, על המהנדס לבחור בצעד של זהירות ולהשתמש בכבל מסוכך כדי למנוע שגיאות מערכת יקרות אפשריות מאוחר יותר. עם הגידול של מפעלים, מקובל להעביר כבלי בקרה וכוח בתעלות שיועדו לפני כן לתקשורת Ethernet. אם הוגדרו במקור כבלי Ethernet לא-מסוככים, הדבר יכול לגרום להשחתת נתונים.

תכן סיכוך כפול המשתמש ברדיד כמו גם במקלעת נחושת הוא הפתרון היעיל ביותר עבור מניעת השחתה של נתונים. כדי להבטיח שהסיכוך עובד כראוי, המהנדס חייב גם להשתמש במחברים מסוככים ולחבר סיומת הארקה לסיכוך. אם סיכוך נשאר ללא סיומת, הוא עלול למעשה להחמיר את בעיית ההפרעות על ידי מילוי תפקיד של אנטנה.

אפילו עם כבלים מסוככים, אותות עוברים הגרעה בעברם מרחקים ארוכים. כבלים עם מוליכים חד-גידיים (solid) ביצועיהם טובים יותר ויכולים לתת ריצה מקסימלית של עד 100 מטר (m), אבל הם נוטים יותר להינזק מכיפוף או פיתול. כבלים עם מוליכים רב-גידיים שזורים מטפלים טוב יותר בפיתול וכיפוף אך אין להשתמש בהם עבור ריצות ארוכות יותר מ-85 מ' (איור 1).

איור 1: יש להגביל את האורך של כבלי Ethernet בעלי חוטים חד-גידיים (solid conductor) ל-‎100 m ואת האורך של גרסאות רב-גידיות שזורות ל-85‎ m. (מקור תמונה: Amphenol)

בבניית הרשת, רדיוס העיקול הסטטי המינימלי הוא ארבע פעמים הקוטר החיצוני (OD) של הכבל. זה תופס לגבי כבלים עם מוליכים חד או רב-גידיים שזורים, מסוככים או לא מסוככים. היכן שנדרש כיפוף, אין להשתמש בכבלים עם מוליכים חד-גידיים. גיליונות הנתונים עבור כבלים רב-גידיים שזורים מציינים בדרך-כלל את מספר מחזורי הכיפוף (flex cycles) המקסימלי, שהוא בדרך כלל בין 1 מיליון ל-10 מיליון, תלוי ברדיוס הכיפוף.

יש לקשור את הכבלים עם אזיקוני כבלים כך שהקשרים ישארו רפויים מספיק כדי שהכבלים ינועו חופשי תחת הקשרים. הידוק יתר ייצור נקודות מאמץ שעלולות לגרום לתקלת הולכה. יש לשמור על כבלים רפויים בתוך אזיקוני הכבל גם כשאורזים יחד מספר כבלים.

מאחר ומרבית שגיאות הזיווד מתרחשות בשל חיווט בשטח (כי שמירה על זוגות שזורים וחיבור נכון של סיכוך לסיומת היא משימה קשה וצורכת-זמן), מומלץ השימוש במחברים יצוקים, מורכבים במפעל.

תכנון עבור העתיד

בעוד שרשתות מחווטות מביאות יתרונות חשובים (כמו מהירות, שלמות האות (Signal Integrity) והגנה), הן יקרות להתקנה ולתחזוקה. המתכנן, עליו מוטלת המשימה להגדיר את הרשת, צריך על כן להסתכל עם עין אחת אל העתיד כדי להבטיח שהתשתית תחזיק מעמד לתקופה ארוכה ככל האפשר ותדרוש תיקונים מינימליים.

ההיסטוריה של Ethernet‏ מראה שמהירויות הרשת עולות ללא הפסקה. בעתיד, סביר להניח שרשתות תעשייתיות יהיו תחת שליטה של תשתית אופטית המציעה קצבים של 400‎ Gbps‏ או אפילו טרה-ביטים לשנייה (Tbps). עבור התקנות חוט נחושת של היום, בחירה זהירה של כבל זוגות-חוטים-שזורים ומחברים בדרגה גבוהה אמורה להבטיח שהרשת מתמודדת לא רק עם קצבי ה-1‎ Gbps הנוכחיים, אלא גם עם חיבורי 10‎ Gbps הממשמשים ובאים (טבלה 1).

טבלה 1: מהירויות כבל Ethernet‏ ותדר העבודה Ethernet הקשור‏, שהוא בדרך כלל פרופורציונלי לקצב ההעברה. (מקור תמונה: DigiKey)

רשתות של מפעל גם כן מתחילות להפיק תועלת מ-PoE, טכנולוגיה המשתמשת בחווט Ethernet‏ כדי לספק כוח לציוד מחובר. אספקת-כוח-על-Ethernet ‏(PoE) משתמש‏ת בתשתית Ethernet‏ סטנדרטית יחידה תוך טיפול בהספק של עשרות וואט‏. האופי הריכוזי והגמיש של הטכנולוגיה מבטל את הצורך בספק-כוח מקומי עבור כל התקן מוזן ברשת, מאפשר להתקנים מוזנים להיות ממוקמים בכל מקום ולהעתיק את מקומם מאוחר יותר.

גרסת PoE משופרת, שנקראת +PoE, יכולה לספק עד 25.5 וואט DC להתקן המחובר ומאפשרת חיבור של ציוד מושך הספק-גבוה כמו מצלמות אבטחה. (ראה את המאמר הטכני של DigiKey, “אספקת-כוח-על-Ethernet מותאמת לעמידה בדרישה גבוהה יותר”.)

כפי שעל כבלים ומחברים להיות מותאמים להתנגדות שווה למאמצים מכניים, כימיים, סביבתיים וחשמליים, כך הם גם צריכים להיות מותאמים לביצועים פונקציונליים. מאפיינים תפקודיים מקסימליים יוכתבו על ידי הרכיב עם היכולות הנמוכות ביותר ברשת; לדוגמה, אם כבלי Cat 6a מותאמים עם מחברי Cat 6, המערכת תהיה בעלת קצב העברה מקסימלי של 1‎ Gbps ולא קצב ההעברה המקסימלי הנומינלי של הכבלים של ‎10 Gbps.

מחברים עבור רשתות תעשייתיות

בעוד שחשוב שהמתכן ישקול בקפדנות בחירת כבל, ניתובו ותדר Ethernet כשהוא בונה רשתות תעשייתיות, המחברים הם אתגרי התכנון הגדולים ביותר ברשת Ethernet. זה מפני שהם מהווים את החוליה החלשה ביותר; לא רק שהמחברים מציעים פוטנציאל חדירה של מים ולכלוך, הם גם כוללים ריצות קצרות בהן זוגות Ethernet אינם שזורים ולכן הם פגיעים יותר לרעש חשמלי.

המתכן חייב לשקול היכן יהיה שימוש במחברים מאחר ותנאי הסביבה במפעל משתנים משמעותית. לדוגמה, קוד ה-IP — שנקבע על ידי תקן IEC 60529 — מדרג את דרגת ההגנה המסופקת על ידי המארזים המכניים והעטיפות החשמליות שיוצרים את המחבר. הספרה הראשונה של הקוד מצביעה על דרגת ההגנה מפני מוצקים (בתחום מ-0 (ללא הגנה) עד 6 (אטימות לאבק)), בעוד השנייה מצביעה על דרגת ההגנה מפני חדירת נוזל (בתחום מ-0 (ללא הגנה) עד 9K (סילוני מים חזקים בטמפרטורה גבוהה)).

דרוג של IP20 (הגנה מפני אצבעות ועצמים דומים, ללא הגנה מפני רטיבות) עבור מחברים המשמשים בתנאי סביבה נקיים ויבשים של מפעל הוא נפוץ עבור מחברים תעשייתיים רבים. לדוגמה, מחברי ix Industrial IP20 של Amphenol הם רכיבים של 10-מגעים, מהירות-גבוהה, מוקשחים, שבאים במארז קטן ב-70 אחוז מ-RJ45 טיפוסי.

יצרני מחברים מספקים בדרך כלל אופציות להגנה גבוהה יותר עבור שימוש בסביבות מלוכלכות ולחות יותר ויותר, ו-Amphenol איננה חריגה. קו ה-ix Industrial IP20 משתרע מ-IP20 עבור המוצר הסטנדרטי, עד IP67 (אטימות לאבק, שקיעה בנוזל עד לעומק של 1 מ') עבור מוצרים לא-סטנדרטיים.

על מתכנן הרשת לשאוף להקטין למינימום את מספר החיבורים, במיוחד של כבלי חשמל עם מחברים זכריים בשתי הקצוות. כבלים אלה הם קלים מדי להארכה על ידי אנשים לא מקצועיים - עם תוצאות מזיקות לביצועי שאר הרשת. יתר על כן, זהו מנהג סטנדרטי שכל המחברים הקבועים הם מסוג נקבה.

כמקובל גם אצל יצרנים אחרים, מחברי Amphenol זמינים עם גורמי צורה זכריים עבור כבלים, ושלושה סוגים של גורמי צורה נקביים עבור התקנות קבועות: שקעים אנכיים עבור דפנות ומחיצות (Bulkheads), אנכיים בזווית ישרה (ND9AS1200) ושקעים אופקיים (ND9BS3200) עבור הרכבה על לוח מעגל מודפס (איור 2). גרסאות ההרכבה על לוח מעגל מודפס באות בטכנולוגיית הרכבה משטחית (SMT) או בגורמי צורה חור-עובר עבור הלחמה קלה למצע.

איור 2: מחברי ix Industrial של Amphenol זמינים עם מגוון תקעים ושקעים עבור יישומי כבל, דפנות ומחיצות (Bulkhead) ולוח מעגל מודפס. (מקור תמונה: Amphenol)

הגרסה הזכרית ניתנת לאספקה פרטנית (ND9AP5200) או כחלק מערכת כבל (ND9ACB250A) במידות אורך מ-500 עד 2000 מילימטרים (mm).

עצה שימושית לאיכות מחבר היא לבדוק אם הוא עומד בדרישות של תקנים כמו IEC 60512 ו-IEC 61076. תקן IEC 60512 מפרט את הבדיקות המכניות והחשמליות, כמו גם את תנאי הסף בהם על‏ המחבר לעמוד כשמשמש בציוד חשמלי ואלקטרוני. התקן מכסה גורמים מכניים כגון כוח החדרה ושליפה, התנגדות לרעידות ואת המספר המקסימלי של מחזורי חיבור-ניתוק, כמו גם גורמים חשמליים כגון התנגדות מגע, סיכוך ובידוד.

מחברי ה-Amphenol ix Industrial מתוכננים לספק ממשק ‏Ethernet איתן וממוזער‏ (תואם עם תקני ה-IEC הרלוונטיים) עם חיסכון מקום של עד 75% בהשוואה למחברי RJ45 סטנדרטיים. עם גובה מחבר של 10 מ"מ ונעילה מתכתית איתנה של שתי נקודות, המחברים מציעים ביצועי Cat 6a‏ עבור תקשורת Ethernet עד 10‎ Gbps, יכולת +PoE/PoE וסיכוך של 360°‏ עבור חסינות EMI.

המחברים של לוח מעגל מודפס כוללים לשוניות הלחמה עומס-גבוה כדי לקבע אותם והם איתנים מספיק כדי לעמוד במכות ורעידות תוך שמירה על חיבור אמין. הם יכולים לעמוד ב-5000 מחזורי חיבור-ניתוק.

טבלאות 2 ו-3 מפרטות את הביצועים של סדרת ה-ix Industrial מבחינת ההיבטים העיקריים של תקן IEC 60512.

טבלה 2: מבחינה חשמלית, מחברי ה-ix Industrial Ethernet יכולים לטפל בזרמים של עד A‏ 1.5‏ ולעמוד בדרישות IEC 60512. (מקור תמונה: DigiKey)

טבלה 3: הביצועים המכניים של מחברי ix Industrial מאפשרים להם לעמוד בדרישות IEC 60512 ו-60068. (מקור תמונה: DigiKey)

תקן IEC 61076 הוא יותר ממוקד, מכסה מחברים מלבניים חופשיים ומקובעים של 10-מגעים, מסוככים, עבור תמסורת נתונים בתדרים עד 500 מגה-הרץ (MHz‏). המסמך מציין את הממדים הנפוצים, את המאפיינים המכניים, החשמליים ומאפייני התמסורת, כמו גם את הדרישות הסביבתיות עבור רשתות תעשייתיות.

באופן מיוחד, תקן IEC 61076 מציין את הקידוד הקובע את המיקום של מפתח הקיטוב (polarization key) ואת חור-מפתח הקיטוב (keyway) של המחבר. מחברי סוג A מיועדים עבור תקשורת Ethernet של 100 מגה-ביט לשנייה (Mbps‏) עד ‎10 Gbps. מחברי סוג B מיועדים עבור כל יישומי הלא-Ethernet‏ האחרים כגון איתות, מערכות תקשורת אפיק נתונים תעשייתי טורי או אחר (איורים 3(a) ו-(b)).

איור 3: IEC 61076 מציין את הקיטוב וחור-המפתח (keyway) עבור מחברי תמסורת נתונים. סוג A ‏(a) משתמש בפינה של 45° הממוקמת בפינה הנמוכה הימנית של הקולטן (עם המבט אל פן החיבור). עבור סוג B‏ (b), הפינה החתוכה 45° ממוקמת בפינה העליונה השמאלית של הקולטן. (מקור תמונה: Amphenol)

מסקנה

מפעלים מודרניים נבנים עם יכולת להפוך ייצור לדיגיטלי עבור פרודוקטיביות גדולה יותר ועלויות נמוכות יותר. המחברים והכבלים המרכיבים רשתות אלו חייבים להיות לא רק איתנים מספיק לעמוד בתנאי סביבה תעשייתיים קשים, אלא גם להתמודד עם תקשורת מהירות-גבוהה ודרישות PoE עתידיות.

קיימים פתרונות מחברות כמו Amphenol המציעים כבלים ומחברים בדרוג תעשייה המתוכננים לעמוד בדיוק באתגרים אלה ובתקציבי מפעל. הם דבקים בסטנדרטים קפדניים של מחבר תעשייתי וכוללים מאפיינים התומכים בביצועים גבוהים של רשת, אורך חיים מורחב, ודורשים תחזוקה מינימלית. אולם, כפי שהראינו, מתכננים חייבים להבין את הסטנדרטים הישימים והמגבלות החשמליות כמו גם המכניות של המחברים כדי להחיל אותם באופן הולם בתכן רשת IIoT או Industry 4.0 מוצלח.