Erfüllen der Anforderungen von Industrie 4.0 an hohe Packungsdichte und robuste Verbindungen

Von Jeff Shepard

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von DigiKey

Der Bedarf an hochkompakten, schnellen und zuverlässigen Ethernet-Verbindungen wächst in Industrie-4.0-Anwendungen wie Robotik, maschineller Bilderfassung, Steuerungen, Servoverstärkern und Servern. Ethernet-Verbindungen in Geräten für Industrie 4.0 müssen Kommunikationsgeschwindigkeiten von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde (Gbits/s) unterstützen, vor elektromagnetischen Störungen (EMI) geschützt sein, sichere Steck- und Verriegelungsmechanismen bieten, um ein unbeabsichtigtes Abziehen des Kabels zu verhindern, starken Vibrationen standhalten und eine lange Lebensdauer beim Stecken und Trennen vorweisen. Die Steckverbinder müssen kompakt genug sein, um die zunehmende Verbindungs- und Systemdichte von Anwendungen für Industrie 4.0 zu unterstützen.

Die herkömmlichen RJ45-Ethernet-Steckverbinder können zwar einige dieser Anforderungen erfüllen, sind jedoch relativ sperrig und bieten nicht die für moderne Designs erforderliche Installationsflexibilität.

Um diese Herausforderungen zu meistern, können Entwickler stattdessen auf ix-Industriesteckverbinder für Highspeed-Ethernet-Kabel zurückgreifen, einschließlich Cat5e (1 Gbit/s) und Cat6a (10 Gbit/s). Diese Steckverbinder sind 75 % kleiner als RJ45-Steckverbinder, bieten ein hohes Maß an EMI-Schutz und elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) für sichere Datenübertragungen und entsprechen den Anforderungen der IEC 61076-3-124.

Dieser Artikel beginnt mit einem Vergleich der RJ45- und ix-Industriesteckverbinder. Anschließend werden ix-Steckverbinder der Typen A und B für Ethernet- und Nicht-Ethernet-Verbindungen vorgestellt und die verschiedenen Konfigurationsmöglichkeiten für ix-Steckverbinder sowie einige repräsentative Steckverbinder von Hirose erläutert. Abschließend werden Werkzeuge für die Montage und Prüfung von ix-Kabeln vorgestellt, um eine korrekte Implementierung zu gewährleisten.

RJ45- gegenüber ix-Anschlüssen

Viele Industrie-4.0-Anwendungen benötigen eine modulare Verbindungtechnik für eine schnelle Bereitstellung und Neukonfiguration. Bei diesen Systemen werden häufig alte Geräte mit neuen Designs kombiniert. Sie verwenden industrielles Highspeed-Ethernet und andere Protokolle, die Interoperabilität und hohe Verfügbarkeit erfordern. Sogenannte registrierte Steckbuchsen (RJ) sind in älteren Geräten üblich. Sie bieten achtpolige RJ45-Stecker mit acht Kontakten (8P8C) für grundlegende Ethernet-Verbindungen.

Aufkommende Industrie-4.0-Systeme erfordern eine höhere Verbindungsdichte und Flexibilität. Die ix-Steckverbinder sind nicht nur 75 % kleiner als RJ45-Lösungen, sondern ermöglichen auch eine parallele Montage im Raster von 10 Millimetern (mm). Sechs ix-Steckverbinder passen auf die gleiche Leiterplattenfläche wie drei RJ45-Steckverbinder (Abbildung 1).

Bild: Sechs ix-Steckverbinder nehmen denselben Platz auf der Leiterplatte ein, wie drei RJ45-SteckverbinderAbbildung 1: Dank des 10mm-Rasters passen sechs ix-Steckverbinder auf die gleiche Leiterplattenfläche wie drei RJ45-Steckverbinder. (Bildquelle: Hirose)

Widerstandsfähig und stabil

Die IEC 61076-3-124 enthält die Spezifikationen für die Abmessungen, die mechanischen und elektrischen Eigenschaften, die Übertragungseigenschaften und die Umweltanforderungen für ix-Steckverbinder. Die ix-Steckverbinder von Hirose gehen über die IEC 61076-3-124 hinaus und erfüllen die Anforderungen von JIS E4031, dem japanischen Industriestandard für Schock- und Vibrationstests von Schienenfahrzeugausrüstungen. Sie entsprechen auch dem Kameraschnittstellenstandard GigE Vision, der die Verwendung von Gigabit-Ethernet für die schnelle Bildübertragung mit sehr langen und kostengünstigen Standardkabeln unterstützt. Ihre Hochstromkontakte unterstützen den Einsatz von Power over Ethernet (PoE) und PoE+ Anwendungen gemäß IEEE 802.3af und IEEE 802.3at.

Das ix-Steckverbindersystem wurde von Anfang an für industrielle Anwendungen konzipiert, während der RJ45-Steckverbinder ursprünglich für Telekommunikationsgeräte für Privat- und Geschäftskunden entwickelt und für den Einsatz in industriellen Umgebungen angepasst wurde. So verfügen ix-Steckverbinder über zwei einrastende Verriegelungshaken aus Metall, die sowohl eine haptische als auch eine akustische Rückmeldung über eine sichere Verbindung zwischen Stecker und Buchse geben. Industrielle RJ45-Steckverbinder haben nur einen einzelnen Verriegelungshaken.

Die Gehäusekonstruktion der ix-Steckverbindersockel bietet mechanische Robustheit und verbessert die EMV-Performance. Diese Sockel haben fünf durchgehende Haltelaschen, zwei auf jeder Seite und eine auf der Rückseite zwischen den beiden Signalkontakten, während RJ45-Stecker nur drei Laschen haben. Die Laschen der ix-Buchsen sind außerdem robuster als die Laschen der RJ45-Buchsen. Wenn sie mit der Leiterplatte verlötet sind, schützen die ix-Buchsenlaschen die Signalkontakte vor Belastungen, wenn ein Stecker gesteckt oder getrennt wird. Sie erhöhen auch die Stoß- und Vibrationsfestigkeit des Sockels. Die verlöteten Laschen sind direkt mit der Masse auf der Leiterplatte verbunden, was den EMI-Schutz erhöht (Abbildung 2).

Bild: Fünf durchkontaktierbare Laschen an der Buchse schützen die SignalkontakteAbbildung 2: Fünf durchkontaktierbare Laschen an der Buchse schützen die Signalkontakte, erhöhen die Stoß- und Vibrationsfestigkeit und verbessern die EMV-Performance der ix-Steckverbinder. (Bildquelle: Hirose)

Der Einsatz modularer und rekonfigurierbarer Systeme verändert die Erwartungen an die Performance von Steckverbindern. Steckverbinder werden nicht mehr während der gesamten Lebensdauer einer Anlage an Ort und Stelle belassen. Produktionsstationen, Werkzeuge und andere Systemkomponenten müssen häufig neu angeordnet werden können, um die Massenanpassung zu unterstützen, die ein entscheidendes Merkmal von Industrie 4.0 ist. Daher kann ein Steckverbinder im Laufe seiner Lebensdauer Hunderte oder Tausende von Malen gesteckt und getrennt werden. Die ix-Steckverbinder von Hirose sind für 5000 Steckzyklen ausgelegt und getestet und erfüllen dennoch alle Leistungsanforderungen der IEC 61076-3-124.

Nicht-Ethernet-Verbindungen

IEC 61076-3-124 unterstützt Ethernet- und Nicht-Ethernet-Verbindungen. Um Fehlanschlüsse zu vermeiden, werden für Ethernet- und Nicht-Ethernet-ix-Steckverbinder getrennte mechanische Kodierungsschemata mit der Bezeichnung „A“ und „B“ verwendet (Abbildung 3):

  • ix-Steckverbinder vom Typ „A“ erreichen Übertragungsraten von bis zu 10 Gbit/s. Sie können PoE und PoE+ unterstützen und sind an der 45°-Polarisationsfase in der linken unteren Ecke des Sockels zu erkennen.
  • ix-Steckverbinder des Typs „B“ sind für alle Nicht-Ethernet-Anwendungen vorgesehen, z. B. für die Signalübertragung und verschiedene serielle und andere industrielle Kommunikationsprotokolle. Sie sind an einer 45°-Abschrägung in der linken oberen Ecke der Buchse zu erkennen.

Bild: ix-Steckverbinder sind mit zwei mechanischen Kodierungen erhältlichAbbildung 3: ix-Steckverbinder sind mit zwei mechanischen Kodierungen erhältlich, um zu verhindern, dass ein Ethernet-Stecker in eine Nicht-Ethernet-Buchse gesteckt wird und umgekehrt. (Bildquelle: Hirose)

Flexibilität bei der Integration

Diese Anschlüsse erhöhen auch die Flexibilität der Systemintegration. Kabel können durch Löten oder mit Schneidklemmverbindungen (IDC) an ix-Steckerbuchsen angeschlossen werden. Lötverbindungen können die Produktion von Kabelkonfektionen in einer Fabrikumgebung beschleunigen. IDC-Verbindungen werden häufig zur Herstellung von Kabelbaugruppen vor Ort verwendet und können die Installationszeit um bis zu 50 % verkürzen, da weniger Kabel abisoliert, verdrillt und gelötet werden müssen. Es gibt vier entsprechende Steckverbinderfamilien, die als 30, 31, 32 und 40 bezeichnet werden. Die ersten drei unterstützen verschiedene IDC-Kabelgrößen, während die vierte für Lötverbindungen verwendet wird:

  • 30: IDC bei Verwendung von Drähten der Größen 26 bis 28 AWG mit einem Isolator-Außendurchmesser von 0,95 bis 1,05 mm
  • 31: IDC bei Verwendung von Drähten der Größen 24 bis 25 AWG mit einem Isolator-Außendurchmesser von 1,1 bis 1,25 mm
  • 32: IDC bei Verwendung von Drähten der Größen 22 bis 25 AWG mit einem Isolator-Außendurchmesser von 1,4 bis 1,6 mm
  • 40: Handgelötet

Hirose bietet auch ix-Steckverbinder mit drei Buchsenkonfigurationen und drei Steckerkonfigurationen an, die spezifischen Anwendungsanforderungen entsprechen (Abbildung 4). Zu den Buchsenkonfigurationen gehören:

  • Aufrechter rechter Winkel, der parallel mit einem Abstand von 10 mm montiert werden kann, um in Systemen mit hoher Packungsdichte Platz auf der Leiterplatte zu sparen
  • Vertikaler Typ ermöglicht das Stecken von oben
  • Die flache, rechtwinklige Buchse ist 5,7 mm hoch und damit weniger als halb so hoch wie ein RJ45-Steckverbinder

Die Steckerkonfigurationen umfassen:

  • Gerade Verkabelung
  • Rechtwinklige Verkabelung nach oben
  • Rechtwinklige Verkabelung nach unten

Bild: Steckbuchsen sind in drei Ausführungen erhältlichAbbildung 4: Die Steckbuchsen sind in drei Ausführungen erhältlich; auf jeder der drei Leiterplatten ist eine andere Ausführung abgebildet. Jede Leiterplatte enthält die drei Arten von ix-Steckern. (Bildquelle: Hirose)

Beispiele von ix-Steckverbindern

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Konfigurationen und Optionen bietet Hirose Entwicklern die Wahl zwischen Vergoldung oder Palladium-Nickel-Beschichtung plus Vergoldung der Kontaktflächen. Beispiele für die Dutzenden von ix-Steckverbindern von Hirose sind:

IX80G-B-10P(01), Vertikale Steckbuchse vom Typ B mit 0,75 Mikrometer (μm) Palladium-Nickel- und 0,05 μm Goldbeschichtung

IX80G-A-10P(01), Vertikale Steckbuchse vom Typ A mit 0,75 μm Palladium-Nickel- und 0,05 μm Goldbeschichtung

IX61G-B-10P, nach oben rechtwinklig abgewinkelte Steckbuchse vom Typ B mit 0,2 μm Goldbeschichtung

IX60G-A-10P, rechtwinklig abgewinkelte Steckbuchse vom Typ A mit 0,2 μm Goldbeschichtung

IX31G-A-10S-CV(7.0), gerader Stecker vom Typ A mit 0,2 μm Goldbeschichtung

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), nach oben rechtwinklig abgewinkelter Stecker vom Typ A mit 0,2 μm Goldbeschichtung

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), nach unten rechtwinklig abgewinkelter Stecker vom Typ B mit 0,2 μm Goldbeschichtung

Montage vor Ort

Bei industriellen Ethernet-Anwendungen ist eine hohe Verfügbarkeit erforderlich, und die Montage der Verkabelung vor Ort kann ein wichtiger Faktor sein. Sie kann die Installation von Geräten beschleunigen, insbesondere in modularen Architekturen, um den schnellen Austausch von abgenutzten oder beschädigten Kabelkonfektionen zu erleichtern. Für die Montage vor Ort bietet Hirose das Kabelkonfektionswerkzeug HT803/IXG-8/10S-63-72 an, das mit den IDC-ix-Steckverbindern IX30G, IX31G und IX32G verwendet werden kann (Abbildung 5). Es handelt sich um ein kombiniertes Werkzeug zum Crimpen von Kabel und Stecker und zum Aufpressen des Schutzgehäuses auf die Baugruppe. Bei den gelöteten IX40G-Steckverbindern wird es nur zum Aufpressen verwendet.

Bild: Dieses Handwerkzeug ermöglicht die Vor-Ort-Herstellung von ix-KabelkonfektionenAbbildung 5: Dieses Handwerkzeug ermöglicht die Vor-Ort-Fertigung von ix-Kabelbaugruppen. (Bildquelle: Hirose Electric)

Dieses Kabelkonfektionswerkzeug ist für geschirmte Kabel von 22 bis 28 AWG mit siebenlitzigen, geglühten Kupferdrähten mit einem äußeren Isolationsdurchmesser von 6,3 bis 7,2 mm ausgelegt. Die Bedienung ist schnell und einfach.

Crimpen: Legen Sie den Stecker mit dem Kodierschlüssel nach oben in das Werkzeug und stecken Sie das Kabel in den Stecker. Drücken Sie den Griff zusammen, um den Crimpvorgang abzuschließen. Das Werkzeug verfügt über einen Ratschenmechanismus, der sicherstellt, dass es sich erst öffnet, wenn genügend Druck ausgeübt wurde, um eine gute Crimpverbindung herzustellen. Die Ratsche löst sich automatisch, wenn der erforderliche Druck erreicht ist.

Aufpressen: Legen Sie eine Abschirmhülle und ein Gehäuse in das Werkzeug ein (eine spezielle Aussparung sorgt für die richtige Platzierung). Wie beim Crimpen legen Sie den Stecker mit dem Kodierschlüssel nach oben in das Werkzeug ein. Drücken Sie den Griff, bis sich die Ratsche löst, um das Aufpressen abzuschließen.

Testen ist wichtig

Es kann mehrere Gründe für das Testen von Ethernet-Kabeln im Feld geben. Bei der Ersteinrichtung von Geräten oder dem Austausch vorhandener Kabel kann durch Tests nachgewiesen werden, dass das Kabel alle Leistungsanforderungen erfüllt. Kabeltests sind auch bei der Fehlersuche in Installationen nützlich, um die Ursache eines Problems zu ermitteln. In einem Ethernet-Netzwerk kann es zahlreiche Fehlerquellen geben, darunter defekte Steckverbinder, Kabel- oder Abschirmungsbrüche und eine erhöhte Anfälligkeit für EMI.

Das DSX-CHA-5-IX-S von Hirose ist ein Kit aus zwei Adaptern, die für die Beschleunigung von Feldtests von ix-Steckverbindern und -Kabelkonfektionen optimiert sind (Abbildung 6). Es ist für die Verwendung mit DSX-CableAnalyzer-Testern von Fluke Networks konzipiert. Gründliche Tests nach den IEEE802.3-Spezifikationen mit diesen Adaptern können Ergebnisse liefern, die die Anforderungen erfüllen, sowie umfangreiche Diagnosen, um die Identifizierung von Problemen zu beschleunigen.

Abbildung: Adapterkit DSX-CHA-5-IX-S von FlukeAbbildung 6: Das Adapterkit DSX-CHA-5-IX-S beschleunigt die Vor-Ort-Prüfung von ix-Steckverbindern und -Kabelkonfektionen. (Bildquelle: Fluke)

Fazit

Entwickler können ix-Steckverbinder verwenden, um den Bedarf an hochkompakten, robusten Verbindungen in Industrie-4.0-Systemen zu decken. Diese Steckverbinder sind in Ethernet- und Nicht-Ethernet-Konfigurationen mit verschiedenen mechanischen Konfigurationen erhältlich, um eine Reihe von Systemdesignanforderungen zu unterstützen. Lötverbindungen können in der Großserienfertigung eingesetzt werden, während IDC-Modelle für die Herstellung von Kabelkonfektionen vor Ort erhältlich sind. Werkzeuge und Testgeräte stehen ebenfalls zur Verfügung, um sicherzustellen, dass die resultierenden Kabelkonfektionen alle ix-Leistungsanforderungen erfüllen.

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  1. Power-over-Ethernet (PoE) in der industriellen Automatisierung
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Über den Autor

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Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

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