Come utilizzare i cavi industriali USB-C per garantire l'interoperabilità, ridurre i costi e migliorare l'affidabilità

Gli impianti industriali sono una rete sempre più complessa di cablaggi, reti di nodi Internet delle cose (IoT) e interconnessioni di elettronica digitale. Mentre la connettività di rete digitale è standardizzata utilizzando protocolli cablati come Ethernet e BACnet e protocolli wireless come Wi-Fi e Bluetooth, l'interconnessione digitale tra i computer di controllo come i computer monoscheda (SBC) o i controller a logica programmabile (PLC) e le periferiche come sensori e attuatori, può variare ampiamente.

A confondere ulteriormente le cose, le interconnessioni possono usare una varietà di cavi, connettori e piedinature in apparenza molto simili, ma totalmente incompatibili tra loro.

Spetta ai progettisti di sistemi ridurre queste incompatibilità e garantire l'interoperabilità, abbassando i costi, accelerando l'assemblaggio del sistema e migliorandone l'affidabilità, nonostante le ostili condizioni dell'ambiente industriale. Un modo per ottenere tutto questo è di standardizzare su un cavo assemblato USB-C con grado di protezione IP67 o IP68. Questo può semplificare le cose ai tecnici, migliorando la compatibilità del cavo assemblato nelle apparecchiature.

Questo articolo descrive i problemi di interconnessione digitale nelle applicazioni industriali e come la standardizzazione di cavi e connettori USB-C per l'interconnessione digitale può risolvere molti di questi problemi. Presenta poi una varietà di connettori USB-C e cavi assemblati con caratteristiche uniche, tra cui la conformità IP67, di PEI-Genesis, Amphenol LTW e Bulgin, prima di discutere come possono fornire una connettività onnipresente, affidabile e robusta per applicazioni computer-sensore/attuatore.

Interconnessione digitale nell'automazione industriale

Le apparecchiature industriali sono gestite da computer di controllo, che possono essere un SBC, un PLC o un semplice laptop. Il computer di controllo spesso si collega ai dispositivi vicini necessari all'apparecchiatura, che possono essere definiti in generale come sensori. Questi includono interruttori, sensori ottici e ambientali e attuatori come motori, solenoidi o luci. Per la maggior parte delle apparecchiature industriali pesanti, i progettisti di apparecchiature selezionano il tipo di connettore utilizzato per le estremità dei cavi e il protocollo elettrico utilizzato. Per un controllo industriale personalizzato, gli ingegneri e i tecnici selezionano e installano il computer, gli attuatori, i sensori, i connettori e i cavi. Una volta che il tipo di connettore e il protocollo elettrico sono definiti, non possono essere cambiati in seguito se non dopo un processo lungo e costoso. Perciò, quando si pianifica il funzionamento industriale, è importante decidere quale tipo di interconnessione digitale utilizzare per i sensori e gli attuatori sin dalle prime fasi del processo di progettazione. Come per qualsiasi sistema che fa un ampio uso di sistemi digitali interconnessi, più grande è l'operazione, più tempo e denaro si può risparmiare standardizzando le apparecchiature, compresi i cavi.

Quando si installa o si riconfigura un'apparecchiatura, i tecnici devono avere a disposizione il cablaggio adeguato con terminazioni per connettori compatibili. A prima vista, due cavi assemblati elettricamente incompatibili possono sembrare uguali e possono anche avere connettori simili che sembrano quasi adatti, ma non lo sono. Questa compatibilità non ovvia può frustrare i tecnici e ritardare la distribuzione del sistema. Anche quando si usano cavi adeguati, possono essere necessari diversi tentativi per orientare correttamente un connettore non reversibile sul cavo all'apparecchiatura per assicurare un collegamento saldo. In un ambiente con poca luce o dove la velocità di distribuzione è essenziale, la standardizzazione di un cavo assemblato riduce la frustrazione e assicura anche l'interoperabilità tra le macchine. Questo non solo fa risparmiare tempo, ma anche costi, dato che il cavo assemblato può essere acquistato sfuso.

Vantaggi di USB-C per l'interconnessione digitale

Per affrontare il problema dell'interconnessione digitale onnipresente, i cavi assemblati USB-C sono adatti alla maggior parte delle applicazioni tra apparecchiature industriali. Le spine e le prese USB-C non sono codificate, hanno connettori a lamelle sui due lati, simmetrici in senso rotatorio. Questo assicura un collegamento saldo al primo inserimento, risparmiando tempo e frustrazione, in modo che i tecnici non debbano più armeggiare per orientare correttamente il connettore. I cavi USB-C possono anche fornire alimentazione al sensore o all'attuatore, un ulteriore vantaggio.

Un impianto industriale può standardizzare il cablaggio e i connettori USB-C per la maggior parte delle interconnessioni digitali tra i computer di controllo e i sensori e gli attuatori, semplificando l'inventario e l'interoperabilità dei connettori. I cavi e i connettori USB-C industriali IP67 sono resistenti e possono sopportare il calore, i solventi e i liquidi tipici delle strutture industriali difficili. I cavi industriali USB-C sono anche concepiti per ridurre al minimo la perdita di potenza e di segnale e sono più tolleranti agli abusi delle forze di flessione e torsione.

I connettori USB-C possono supportare USB 2.0 e USB 3.1. Lo standard USB-C richiede che le porte e i cavi USB 3.1 siano retrocompatibili con le velocità USB 2.0 di 480 Mbps. Questo previene i problemi di compatibilità permettendo alle porte USB 2.0 di utilizzare gli stessi cavi assemblati dell'USB 3.1. Tuttavia, l'USB 3.1 permette velocità molto più elevate. I cavi USB 3.1 Gen 1 supportano fino a 5 Gbps, mentre i cavi USB Gen 2 supportano fino a 10 Gbps. Per identificare la velocità di trasmissione, i cavi assemblati con connettori USB-C su ciascuna estremità ai sensi della specifica USB devono avere un chip e-marker incorporato nell'alloggiamento che identifica la potenza massima del cavo assemblato e la velocità di trasmissione dati. I dati nel chip e-marker vengono letti dall'host USB al primo inserimento e informano l'host USB sulla velocità massima di trasmissione del cavo, assicurando che l'host USB invii i dati in modo appropriato. I cavi assemblati USB-C che supportano solo le velocità USB 2.0 non devono avere un chip e-marker, quindi se non vengono inviati dati dal chip, l'host USB invierà dati a 480 Mbps.

Lo standard USB-C permette una potenza massima di 3 A a 5 V c.c. per un totale di 15 W di potenza. Questo è lo standard per i comuni cavi assemblati USB. Tuttavia, la specifica per USB 3.1 Gen 1 e successivi permette 5 A a 20 V per 100 W di potenza. I cavi assemblati USB-C progettati per l'alimentazione USB 3.1 devono contenere un chip e-marker che identifica la capacità di alimentazione o l'host USB sarà predefinito a 15 W. Questo migliora la sicurezza prevenendo condizioni di sovraccarico di potenza che potrebbero distruggere il cavo.

Se l'attenzione qui è posta sulla standardizzazione dei cavi assemblati USB-C per l'interconnessione digitale, è importante riconoscere le tre capacità di montaggio dei cavi:

1. Modalità USB 2.0: nessun e-marker, può fornire 15 W di potenza e 480 Mbps di dati
2. USB 3.1 Gen 1: e-marker, fornisce 100 W di potenza e 5 Gbps di dati
3. USB 3.1 Gen 2: e-marker, fornisce 100 W di potenza e 10 Gbps di dati

Se un cavo USB-C di capacità inferiore viene utilizzato con host e dispositivi USB-C di capacità superiore correttamente configurati, l'host USB regolerà l'alimentazione e i dati alla capacità inferiore. Questo aumenta la sicurezza prevenendo un sovraccarico di potenza sul cavo, mentre migliora l'affidabilità assicurando velocità di dati compatibili. Un impianto può semplificare ulteriormente le cose utilizzando solo lo standard che fornisce la potenza e velocità dati massime richieste. A meno che un impianto di automazione industriale non esegua operazioni di dati elevati come lo streaming di video dal vivo, standardizzare i cavi assemblati USB 3.1 Gen 1 può essere una scelta sicura. In genere, i cavi USB 3.1 Gen 1 da 5 Gbps sono specificati per un massimo di 2 metri, una distanza sufficiente per i computer di controllo per connettersi a sensori e attuatori vicini. Se c'è la necessità di inviare dati a 10 Gbps in modo affidabile, i cavi USB 3.1 Gen 2 sono specificati per un massimo di 1 m, poiché l'invio di 10 Gbps attraverso cavi più lunghi può causare perdite lungo il cavo a causa della riflessione o dell'attenuazione del segnale.

Cavi assemblati USB-C

Per i progettisti che si aspettano di inviare dati ad alta velocità in un ambiente difficile, esistono alcune soluzioni robuste e affidabili. Ad esempio, PEI-Genesis fornisce il cavo assemblato IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 Gen 2 (Figura 1). Il cavo è lungo 1 m ed è classificato per il funzionamento da -20 a +85 °C, adatto alla maggior parte degli ambienti industriali difficili. Il rivestimento del cavo è una resina di polivinilcloruro (PVC) che ha un'eccellente resistenza all'acqua e tolleranza ai raggi ultravioletti (UV). Le guaine commerciali possono incrinarsi o scolorire sotto l'esposizione prolungata alla luce solare.

Figura 1: Sure Seal IPUSB-31WPC-1M è un cavo assemblato USB-C da 1 m realizzato per applicazioni industriali. Il connettore con la guarnizione per controdado fornisce una connessione sicura impermeabile IP67 a un sensore o attuatore. Le dimensioni indicate sono in millimetri. (Immagine per gentile concessione di PEI-Genesis)

IPUSB-31WPCPC-1M ha un connettore USB-C standard su un'estremità in resina PVC stampata con una spina USB-C in acciaio inossidabile. Questa estremità si collega a un connettore USB host sull'SBC o sul PLC. L'altra estremità ha un tappo stampato e sigillato con un dado in nylon e una guarnizione in gomma. Questo assicura una tenuta solida e sicura IP67 al sensore o all'attuatore.

Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M contiene un chip e-marker incorporato che identifica la sua capacità all'apparecchiatura collegata. Il chip e-marker funziona su tutto l'intervallo da -20 a +85 °C del cavo assemblato. Questo assicura la corretta identificazione del cavo anche quando l'apparecchiatura è accesa in entrambi gli estremi dell'intervallo di temperatura.

Connettività USB-C in ambienti estremi

Per gli ambienti estremamente difficili, Amphenol LTW offre il cavo assemblato USB-C da un metro UC30FL-NCML-SC01 (Figura 2). L'intera lunghezza del cavo è avvolta in una guaina in plastica polipropilenica (PP) che fornisce una protezione aggiuntiva contro urti, forze di taglio e sollecitazioni derivanti dalla piegatura. La guaina fornisce anche una protezione al cavo chiuso quando è sottoposto a vibrazioni estreme. La guaina è incollata alle estremità del cavo e non può essere rimossa.

Figura 2: Il cavo assemblato USB-C UC30FL-NCML-SC01 è racchiuso in una guaina in PP che lo protegge da urti e vibrazioni. Le dimensioni sono in millimetri. (Immagine per gentile concessione di Amphenol LTW)

Il cavo assemblato ha un connettore USB-C host comune su un'estremità che si inserisce nell'host USB. L'altra estremità ha un connettore circolare per impieghi gravosi con uno scarico della trazione rinforzato. Ha un tappo stampato sigillato con una guarnizione in silicone fissata da un dado in nylon. Questo fornisce una tenuta impermeabile, ermetica e resistente alla maggior parte dei prodotti chimici. Il cavo e il connettore circolare sono classificati IP67, sia accoppiati che non accoppiati, proteggendo in tal modo la spina circolare USB-C dall'ambiente anche quando non è collegata.

UC30FL-NCML-SC01 è resistente al fuoco secondo la norma UL94V-0, il che significa che il cavo PP può sopportare fino a 10 secondi di fiamma. Il cavo PP è anche resistente all'olio, alla benzina e alla maggior parte dei solventi. Ogni spina può funzionare da -40 a +85 °C, mentre il dado di bloccaggio in nylon e la guaina in PP possono resistere a temperature più elevate, da -40 a +115 °C. Ciò lo rende particolarmente adatto per la connessione a sensori e attuatori in motori a benzina e generatori industriali.

Il chip e-marker incorporato identifica il cavo come supporto per trasferimenti di dati a 5 Gbps, appropriato per i generatori a benzina ad alta velocità che devono monitorare costantemente il funzionamento del motore per massimizzare l'efficienza.

Sensori USB in applicazioni marine

In alcuni casi, il computer di controllo dell'apparecchiatura ha un connettore USB-A ma ha bisogno di collegarsi a un connettore USB-C. Questo richiede un cavo come PXP4040/C/A/2M00 di Bulgin da USB-A a USB-C (Figura 3). Questo cavo ha una spina USB-A su un'estremità e una spina circolare USB-C sull'altra e funziona da -40 a +80 °C. Il connettore e il cavo USB-C possono funzionare se immersi sotto 10 m d'acqua per due settimane. È anche resistente all'acqua salata, il che lo rende appropriato per le apparecchiature marine, compresi i macchinari industriali a bordo di petroliere e navi da carico. Il cavo assemblato è classificato IP68, ad eccezione del connettore USB-A, classificato IP66.

Figura 3: PXP4040/C/A/2M00 ha una spina USB-A su un'estremità e una USB-C sull'altra. È resistente all'acqua salata e la spina USB-C può sopportare l'immersione in 10 m d'acqua fino a due settimane. (Immagine per gentile concessione di Bulgin)

PXP4040/C/A/2M00 di Bulgin ha anche una classificazione di infiammabilità UL94V-0. Il rivestimento del cavo è in resina PVC, il che lo rende adatto ad applicazioni su ponti marini.

Il guscio del cavo USB-C è in policarbonato-polibutilentereftalato (PC/PBT), un materiale ad alta resistenza spesso usato per i paraurti delle auto. L'alloggiamento del connettore PC/PBT ha un'alta resistenza agli agenti chimici e ha abbastanza flessibilità per tollerare alti impatti in temperature estreme fino a -40 °C. Anche se soggetto a forza elevata, il connettore resiste alla frattura e si spacca con grazia. Questo fornisce resistenza alle manomissioni per i sensori di sicurezza USB, compresi gli attacchi in cui un connettore viene congelato velocemente e poi colpito con un martello per frantumarlo.

La specifica USB-C non permette che un chip e-marker sia incorporato in un cavo dotato di una spina USB-A ad un'estremità. Questo cavo assemblato è specificato per fornire fino a 5 A e supportare una velocità dati fino a 5 Gbps sulla sua lunghezza di 2 m, anche se alcune periferiche USB-C possono notare l'assenza di un chip e-marker e applicare automaticamente 480 Mbps.

Conclusione

La standardizzazione dei cavi assemblati USB-C per l'interconnessione digitale in un ambiente industriale semplifica l'inventario e fornisce una connettività facile e veloce grazie alla concezione simmetrica di rotazione della spina e della presa. I cavi USB-C possono identificare la loro potenza e la capacità di trasferimento dati al computer di controllo host per prevenire la perdita di dati e pericolose condizioni di sovraccarico di potenza. La corretta selezione e l'uso di un adeguato cavo assemblato USB-C nei sistemi industriali può anche migliorare l'affidabilità, ridurre la manutenzione e il costo complessivo.