Come soddisfare i requisiti di connettività robusta e ad alta densità per Impresa 4.0

La necessità di una connettività Ethernet ad alta densità, veloce e affidabile è in crescita nelle applicazioni Impresa 4.0, tra cui robotica, visione artificiale, controller, servoamplificatori e server. Le connessioni Ethernet nei dispositivi Impresa 4.0 devono supportare velocità di comunicazione fino a 10 Gbps, essere protette dalle interferenze elettromagnetiche (EMI), fornire meccanismi di accoppiamento e di bloccaggio sicuri per evitare il distacco involontario dei cavi, essere in grado di resistere a condizioni di forti vibrazioni e avere una lunga durata di accoppiamento/disaccoppiamento. Questi connettori devono essere sufficientemente compatti per supportare le crescenti densità delle interconnessioni e dei sistemi delle applicazioni per Impresa 4.0.

I connettori Ethernet RJ45 tradizionali possono soddisfare alcuni di questi requisiti, ma sono relativamente ingombranti e non offrono la flessibilità di installazione richiesta dai progetti odierni.

Per affrontare queste sfide, i progettisti possono invece rivolgersi ai connettori industriali ix per cavi Ethernet ad alta velocità, tra cui Cat5e (1 Gbps) e Cat6a (10 Gbps). Questi connettori sono più piccoli del 75% rispetto ai connettori RJ45, offrono elevati livelli di protezione EMI e compatibilità elettromagnetica (EMC) per trasmissioni di dati sicure e sono conformi ai requisiti IEC 61076-3-124.

Questo articolo si apre con un confronto tra le opzioni dei connettori industriali RJ45 e ix. Fa quindi una disamina dei connettori ix di tipo A e B per la connettività Ethernet e non Ethernet e passa in rassegna la varietà di opzioni di configurazione disponibili per i connettori ix, insieme ad alcuni connettori rappresentativi di Hirose. Infine, presenta gli attrezzi per l'assemblaggio e il collaudo dei cavi ix, al fine di garantirne la corretta implementazione.

Connettori RJ45 e ix

Molte applicazioni per Impresa 4.0 necessitano di connettività modulare per una rapida implementazione e riconfigurazione. Questi sistemi spesso combinano apparecchiature esistenti e nuovi progetti. Utilizzano Industrial Ethernet ad alta velocità e altri protocolli che richiedono interoperabilità e alta disponibilità. I connettori cosiddetti "registered jack" (RJ) sono comuni nelle apparecchiature legacy, soprattutto i connettori RJ45 a otto pin e otto contatti (8P8C) per la connettività Ethernet di base.

I sistemi emergenti per Impresa 4.0 richiedono una maggiore densità di interconnessione e flessibilità. Oltre a essere più piccoli del 75% rispetto alle soluzioni RJ45, i connettori ix consentono il montaggio in parallelo con passo di 10 mm e sei connettori ix possono essere inseriti nello stesso spazio di una scheda CS di tre connettori RJ45 (Figura 1).

Figura 1: Il passo di montaggio di 10 mm consente di inserire sei connettori ix nello stesso spazio di tre connettori RJ45 su una scheda CS. (Immagine per gentile concessione di Hirose)

Robusto e resistente

Lo standard IEC 61076-3-124 delinea le specifiche relative a dimensioni, caratteristiche meccaniche, elettriche, di trasmissione e requisiti ambientali per i connettori ix. I connettori ix di Hirose vanno oltre i requisiti IEC 61076-3-124 e soddisfano i requisiti JIS E4031, lo standard giapponese per i test di urti e vibrazione delle apparecchiature con materiale rotabile ferroviario. Sono inoltre conformi allo standard di interfaccia per telecamere GigE Vision che supporta l'uso di Gigabit Ethernet per il trasferimento rapido delle immagini utilizzando cavi standard molto lunghi e a basso costo. I loro contatti ad alta corrente supportano l'uso di applicazioni Power over Ethernet (PoE) e PoE+ come specificato in IEEE 802.3af e IEEE 802.3at.

Il sistema di connettori ix è stato progettato fin dall'inizio per le applicazioni industriali, mentre il connettore RJ45 è stato inizialmente sviluppato per l'uso con apparecchiature di telecomunicazione consumer e d'impresa e solo in un secondo tempo è stato adattato agli ambienti industriali. Ad esempio, i connettori ix sono dotati di due ganci metallici di chiusura a scatto per un riscontro aptico e uditivo che conferma la sicurezza della connessione tra spina e presa. I connettori RJ45 industriali hanno un singolo gancio di chiusura.

Il design a guscio degli zoccoli di connessione ix garantisce la robustezza meccanica e migliora le prestazioni EMC. Queste prese hanno cinque linguette di ritegno a foro passante, due per lato e una sul retro tra le due serie di contatti di segnale, mentre i connettori RJ45 hanno solo tre linguette. Le linguette degli zoccoli di connessione ix sono inoltre più robuste rispetto a quelle delle prese RJ45. Quando sono saldate a una scheda CS, le linguette dello zoccolo ix proteggono i contatti di segnale dalle sollecitazioni quando la spina viene accoppiata o disaccoppiata. Inoltre, aumentano la capacità dello zoccolo di resistere agli urti e alle vibrazioni. Le linguette saldate si collegano direttamente alla massa della scheda CS, migliorando la protezione EMI (Figura 2).

Figura 2: Cinque linguette a foro passante sullo zoccolo proteggono i contatti di segnale, migliorano le prestazioni EMC e per urti e vibrazioni dei connettori ix. (Immagine per gentile concessione di Hirose)

L'uso di sistemi modulari e riconfigurabili sta cambiando le aspettative sulle prestazioni dei connettori. I connettori non sono più lasciati in posizione per tutta la durata dell'installazione. Le stazioni di produzione, gli attrezzi e gli altri componenti di un sistema devono poter essere riorganizzati di frequente per supportare la personalizzazione di massa, una caratteristica distintiva di Impresa 4.0. Di conseguenza, un connettore può essere collegato e scollegato centinaia o migliaia di volte nel corso della sua vita utile. I connettori ix di Hirose sono progettati e testati per 5.000 cicli di accoppiamento e soddisfano comunque tutti i requisiti prestazionali IEC 61076-3-124.

Connessioni non Ethernet

IEC 61076-3-124 supporta la connettività Ethernet e non Ethernet. Per evitare collegamenti errati, per i connettori Ethernet e non Ethernet ix sono utilizzati schemi di codifica meccanica distinti, contrassegnati rispettivamente da "A" e "B" (Figura 3):

• I connettori ix di tipo 'A' sono in grado di gestire velocità di trasmissione fino a 10 Gbps. Possono supportare PoE e PoE+ e sono identificabili da uno smusso di polarizzazione a 45° nell'angolo inferiore sinistro dello zoccolo.
• I connettori ix di tipo 'B' sono progettati per l'uso in tutte le applicazioni non Ethernet, come la segnalazione e vari protocolli di comunicazione seriale e industriale. Sono riconoscibili da uno smusso a 45° posto nell'angolo superiore sinistro dello zoccolo.

Figura 3: I connettori ix sono disponibili con due tipi di codifica meccanica per evitare di inserire una spina Ethernet in una presa non Ethernet e viceversa. (Immagine per gentile concessione di Hirose)

Flessibilità di integrazione

Questi connettori migliorano anche la flessibilità di integrazione del sistema. I cavi possono essere collegati agli zoccoli di connessione ix mediante saldatura o utilizzando connettori a perforazione di isolante (IDC). I collegamenti a saldare possono accelerare la produzione di cavi assemblati in un ambiente industriale. Le connessioni IDC sono spesso utilizzate per produrre cavi assemblati sul campo e possono ridurre i tempi di installazione fino al 50% perché velocizzano le operazioni di spellatura, binatura e saldatura dei fili. Ci sono quattro famiglie di connettori corrispondenti, identificati da 30, 31, 32 e 40. I primi tre supportano cavi IDC di dimensioni diverse, mentre il quarto è utilizzato per le connessioni a saldare:

• 30: IDC per fili di dimensioni da 26 a 28 AWG, con un diametro esterno dell'isolante compreso tra 0,95 e 1,05 mm
• 31: IDC per fili di dimensioni da 24 a 25 AWG, con un diametro esterno dell'isolante compreso tra 1,1 e 1,25 mm
• 32: IDC per fili di dimensioni da 22 AWG, con un diametro esterno dell'isolante compreso tra 1,4 e 1,6 mm
• 40: saldatura a mano

Hirose offre anche connettori ix con tre configurazioni di prese e tre di spine per soddisfare le esigenze di applicazioni specifiche (Figura 4). Le configurazioni delle prese includono:

• Angolo retto, montabile in parallelo con una distanza di passo di 10 mm per risparmiare spazio sulla scheda CS nei sistemi ad alta densità.
• Il tipo verticale consente l'accoppiamento del connettore dall'alto
• La presa ad angolo retto a profilo ribassato è alta 5,7 mm, meno della metà dell'altezza di un connettore RJ45.

Le configurazioni delle spine includono:

• Cablaggio diritto
• Cablaggio ad angolo retto verso l'alto
• Cablaggio ad angolo retto verso il basso

Figura 4: Le prese sono disponibili in tre stili; uno stile diverso è mostrato su ciascuno dei tre circuiti stampati. Ogni circuito stampato comprende i tre stili di connettori ix. (Immagine per gentile concessione di Hirose)

Esempi di connettori ix

Oltre alle configurazioni e alle opzioni sopra descritte, Hirose offre ai progettisti la possibilità di scegliere tra placcatura in oro o in palladio-nichel più doratura sulle superfici di contatto. Tra gli esempi delle decine di connettori ix di Hirose si ricordano:

IX80G-B-10P(01), presa verticale di tipo B con 0,75 μm di placcatura in palladio-nichel più 0,05 μm in oro

IX80G-A-10P(01), presa verticale di tipo A con 0,75 μm di placcatura in palladio-nichel più 0,05 μm in oro

IX61G-B-10P, presa ad angolo retto verso l'alto di tipo B con 0,2 μm di placcatura in oro

IX60G-A-10P, presa ad angolo retto di tipo A con 0,2 μm di placcatura in oro

IX31G-A-10S-CV(7.0), spina diritta di tipo A con 0,2 μm di placcatura in oro

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), spina di tipo A ad angolo retto verso l'alto con 0,2 μm di placcatura in oro

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), spina ad angolo retto di tipo B con 0,2 μm di placcatura in oro

Assemblaggio sul campo

Nelle applicazioni Industrial Ethernet è richiesta un'elevata disponibilità e l'assemblaggio sul campo può essere un fattore importante. Ciò può velocizzare l'installazione delle apparecchiature, soprattutto nelle architetture modulari, per facilitare la rapida sostituzione dei cavi assemblati usurati o danneggiati. Per soddisfare le esigenze di assemblaggio sul campo, Hirose offre l'attrezzo HT803/IXG-8/10S-63-72 che può essere utilizzato con i connettori ix IDC modelli IX30G, IX31G e IX32G (Figura 5). Si tratta di un attrezzo combinato per crimpare il cavo e la spina e per fissare l'alloggiamento protettivo sul gruppo. Nel caso dei connettori a saldare IX40G, viene utilizzato solo per il fissaggio.

Figura 5: Questo attrezzo a mano consente la fabbricazione sul campo di cavi assemblati ix. (Immagine per gentile concessione di Hirose Electric)

Questo attrezzo per l'assemblaggio dei cavi è destinato all'uso per cavi schermati da 22 a 28 AWG con fili di rame ricotto a sette trefoli con un diametro esterno dell'isolante da 6,3 a 7,2 mm. Il funzionamento è semplice e veloce.

Crimpatura: posizionare la spina nell'attrezzo con la chiave di codifica rivolta verso l'alto e inserire il cavo nella spina. Premere l'impugnatura per completare la crimpatura. L'attrezzo è dotato di un meccanismo a cricchetto per garantire che non si apra fino a quando non è stata applicata una pressione sufficiente a produrre un buon collegamento a crimpare. Il cricchetto si sgancia automaticamente una volta raggiunta la pressione desiderata.

Binatura: posizionare il guscio e la custodia nell'attrezzo (per garantire un posizionamento corretto è previsto un apposito intaglio). Come per il processo di crimpatura, inserire il connettore nell'attrezzo con la chiave di codifica rivolta verso l'alto. Premere l'impugnatura finché il cricchetto non si sgancia per completare l'operazione.

I test sono importanti

Le ragioni per cui si devono testare i cavi Ethernet sul campo possono essere molteplici. Durante l'implementazione iniziale di un'apparecchiatura o la sostituzione del cablaggio esistente, i test possono certificare che il cavo soddisfi tutti i requisiti di prestazione. Il test dei cavi è utile anche per risolvere i problemi delle installazioni, per individuare l'origine del problema. I motivi di guasto in una rete Ethernet possono essere numerosi, da connettori difettosi, a cavi o schermature danneggiati e una maggiore suscettibilità alle EMI.

DSX-CHA-5-IX-S di Hirose è un set di due adattatori ottimizzati per velocizzare i test sul campo dei connettori e dei cavi assemblati ix (Figura 6). È progettato per l'uso con i tester DSX CableAnalyzer di Fluke Networks. Test approfonditi secondo le specifiche IEEE 802.3 utilizzando questi adattatori possono fornire il risultato (superamento/non superamento), oltre a una diagnostica completa per accelerare l'identificazione di eventuali problemi.

Figura 6: Il set di adattatori DSX-CHA-5-IX-S velocizza i test sul campo di connettori e cavi ix. (Immagine per gentile concessione di Fluke)

Conclusione

I progettisti possono utilizzare i connettori ix per supportare l'esigenza di connettività robusta e ad alta densità nei sistemi per Impresa 4.0. Questi connettori sono disponibili in configurazioni Ethernet e non Ethernet, in varie configurazioni meccaniche per supportare molteplici esigenze di progettazione del sistema. Le connessioni a saldare possono essere utilizzate in ambienti di produzione ad alto volume, mentre i modelli IDC sono disponibili per la realizzazione di cavi assemblati sul campo. Sono inoltre disponibili attrezzi e tester per garantire che i cavi risultanti soddisfino tutti i requisiti prestazionali.

Letture consigliate

1. Power over Ethernet (PoE) nell'automazione industriale