Répondre aux exigences de connectivité haute densité et haute robustesse de l'Industrie 4.0

Le besoin d'une connectivité Ethernet haute densité, rapide et fiable est de plus en plus important dans les applications de l'Industrie 4.0 telles que la robotique, la vision artificielle, les contrôleurs, les servo-amplificateurs et les serveurs. Les connexions Ethernet des dispositifs Industrie 4.0 doivent prendre en charge des vitesses de communication jusqu'à 10 gigabits par seconde (Gb/s), être protégées contre les interférences électromagnétiques (EMI), fournir des mécanismes de raccordement et de verrouillage sûrs pour empêcher la déconnexion accidentelle des câbles, être capables de résister à des conditions de vibrations élevées et offrir une durée de vie de connexion/déconnexion étendue. Ces connecteurs doivent être suffisamment compacts pour supporter les densités croissantes d'interconnexions et de systèmes des applications Industrie 4.0.

Si les anciens connecteurs Ethernet RJ45 peuvent répondre à certaines de ces exigences, ils sont relativement encombrants et n'offrent pas la flexibilité d'installation requise pour les conceptions actuelles.

Pour relever ces défis, les concepteurs peuvent se tourner vers les connecteurs ix Industrial pour les câbles Ethernet haut débit, notamment Cat5e (1 Gb/s) et Cat6a (10 Gb/s). Ces connecteurs sont 75 % plus petits que les connecteurs RJ45, offrent des niveaux élevés de protection contre les interférences électromagnétiques et de compatibilité électromagnétique (CEM) pour les transmissions de données sécurisées, et sont conformes aux exigences de la norme CEI 61076-3-124.

Cet article compare tout d'abord les options de connecteurs ix Industrial et RJ45. Il présente ensuite les connecteurs ix de type A et de type B pour la connectivité Ethernet et non-Ethernet, et passe en revue la variété d'options de configuration disponibles pour les connecteurs ix, ainsi que quelques connecteurs représentatifs de Hirose. Il conclut par la présentation d'outils pour l'assemblage et le test des câbles ix afin de garantir une mise en œuvre correcte.

Comparaison des connecteurs RJ45 et ix

De nombreuses applications Industrie 4.0 nécessitent une connectivité modulaire pour un déploiement et une reconfiguration rapides. Ces systèmes combinent souvent des équipements existants avec de nouvelles conceptions. Ils utilisent l'Ethernet industriel haute vitesse et d'autres protocoles qui requièrent une interopérabilité et une haute disponibilité. Les connecteurs RJ (Registered Jack) sont fréquents dans les équipements existants, avec des connecteurs RJ45 à huit broches et huit contacts (8P8C) pour la connectivité Ethernet de base.

Les systèmes Industrie 4.0 émergents exigent des densités d'interconnexions et une flexibilité supérieures. En plus d'être 75 % plus petits que les solutions RJ45, les connecteurs ix permettent un montage parallèle à pas de 10 millimètres (mm), et six connecteurs ix peuvent tenir dans le même espace carte que celui requis pour trois connecteurs RJ45 (Figure 1).

Figure 1 : Leur pas de montage de 10 mm permet à six connecteurs ix de tenir dans le même espace carte que celui requis pour trois connecteurs RJ45. (Source de l'image : Hirose)

Robustesse et résistance

La norme CEI 61076-3-124 fournit des spécifications relatives aux dimensions, aux caractéristiques mécaniques, électriques et de transmission, et aux exigences environnementales pour les connecteurs ix. Les connecteurs ix de Hirose dépassent la norme CEI 61076-3-124 et répondent aux exigences de la norme JIS E4031, la norme industrielle japonaise pour les tests de chocs et de vibrations des équipements de matériel roulant ferroviaire. Ils sont également conformes à la norme d'interface de caméra GigE Vision qui prend en charge l'utilisation de Gigabit Ethernet pour le transfert rapide d'images à l'aide de câbles standard très longs et peu coûteux. Leurs contacts à fort courant permettent l'utilisation d'applications Power over Ethernet (PoE) et PoE+, comme spécifié dans les normes IEEE 802.3af et IEEE 802.3at.

Les connecteurs ix ont été conçus dès le départ pour des applications industrielles, tandis que le connecteur RJ45 a été initialement développé pour une utilisation avec des équipements de télécommunications grand public et professionnels et adapté pour être utilisé en environnements industriels. Par exemple, les connecteurs ix sont dotés de deux crochets de verrouillage encliquetables en métal qui fournissent un retour haptique et sonore pour confirmer la connexion sécurisée entre la fiche et la prise. Les connecteurs RJ45 industriels ont un seul crochet de verrouillage.

La conception de capot des prises de connecteurs ix assure une robustesse mécanique et améliore les performances CEM. Ces prises sont dotées de cinq languettes de retenue à trou traversant, deux de chaque côté et une à l'arrière entre les deux ensembles de contacts de signaux, tandis que les connecteurs RJ45 n'ont que trois languettes. Les languettes sur les prises du connecteur ix sont également plus robustes que celles sur les prises RJ45. Lorsqu'elles sont soudées à la carte à circuit imprimé, les languettes de la prise ix protègent les contacts de signaux contre les contraintes lors de la connexion ou de la déconnexion d'une fiche. Elles augmentent également la capacité de résistance aux chocs et aux vibrations de la prise. Les languettes soudées sont directement reliées à la masse du circuit imprimé, ce qui renforce la protection contre les interférences électromagnétiques (Figure 2).

Figure 2 : Cinq languettes à trou traversant sur la prise protègent les contacts de signaux, renforcent les performances en matière de chocs et de vibrations, et améliorent les performances CEM des connecteurs ix. (Source de l'image : Hirose)

L'utilisation de systèmes modulaires et reconfigurables modifie les attentes en matière de performances des connecteurs. Les connecteurs ne sont plus appliqués pour toute la durée de vie d'une installation. Les postes de production, les outils et les autres composants du système doivent pouvoir être réorganisés fréquemment pour prendre en charge la personnalisation de masse qui est une caractéristique essentielle de l'Industrie 4.0. Par conséquent, un connecteur peut être branché et débranché des centaines ou des milliers de fois au cours de sa vie. Les connecteurs ix de Hirose sont conçus et testés pour jusqu'à 5000 cycles de raccordement et pour continuer à répondre à toutes les exigences de performances CEI 61076-3-124.

Connexions non-Ethernet

La norme CEI 61076-3-124 prend en charge la connectivité Ethernet et non-Ethernet. Pour éviter les erreurs de connexion, des schémas de codage mécanique distincts, A et B, sont utilisés respectivement pour les connecteurs ix Ethernet et non-Ethernet (Figure 3) :

• Les connecteurs ix de type A sont capables d'accepter des vitesses de transmission jusqu'à 10 Gb/s. Ils peuvent prendre en charge PoE et PoE+, et sont identifiables par un chanfrein de polarisation de 45° dans le coin inférieur gauche de la prise.
• Les connecteurs ix de type B sont conçus pour être utilisés dans toutes les applications non-Ethernet, telles que la signalisation et divers protocoles de communications série et industriels. Ils sont reconnaissables à un chanfrein de 45° situé dans le coin supérieur gauche de la prise.

Figure 3 : Les connecteurs ix sont disponibles avec deux conceptions de codage mécanique pour empêcher l'insertion d'une fiche Ethernet dans une prise non-Ethernet et vice-versa. (Source de l'image : Hirose)

Flexibilité d'intégration

Ces connecteurs améliorent également la flexibilité d'intégration système. Les câbles peuvent être connectés aux prises des connecteurs ix par soudure ou en utilisant des connexions autodénudantes (IDC). Les connexions par soudure peuvent accélérer la production des assemblages de câbles dans un environnement d'usine. Les connexions IDC sont souvent utilisées pour produire des assemblages de câbles sur le terrain et peuvent réduire le temps d'installation jusqu'à 50 % en raison de la réduction du dénudage, de la torsion et de la soudure des fils. Il existe quatre gammes de connecteurs correspondantes, identifiés comme 30, 31, 32 et 40. Les trois premières prennent en charge différentes tailles de câbles IDC, la quatrième étant utilisée pour les connexions à souder :

• 30 : IDC avec des fils de calibre 26 AWG (American Wire Gauge) à 28 AWG, avec un diamètre extérieur d'isolant compris entre 0,95 mm et 1,05 mm
• 31 : IDC avec des fils de 24 AWG à 25 AWG, avec un diamètre extérieur d'isolant compris entre 1,1 mm et 1,25 mm
• 32 : IDC avec un fil de 22 AWG, avec un diamètre extérieur d'isolant compris entre 1,4 mm et 1,6 mm
• 40 : soudage manuel

Hirose propose également des connecteurs ix avec trois configurations de prises et trois configurations de fiches pour répondre à des besoins d'applications spécifiques (Figure 4). Les configurations de prises incluent :

• Angle droit vertical, à montage en parallèle avec un pas de 10 mm pour des gains d'espace carte dans les systèmes haute densité
• Le type vertical permet de raccorder le connecteur par le haut
• La prise à angle droit extra-plate mesure 5,7 mm de haut, soit moins de la moitié de la hauteur d'un connecteur RJ45

Les configurations de fiches incluent :

• Câblage droit
• Câblage à angle droit vers le haut
• Câblage à angle droit vers le bas

Figure 4 : Les prises sont disponibles en trois styles ; un style différent est représenté sur chacun des trois circuits imprimés. Chaque circuit imprimé inclut les trois styles de fiches de connecteurs ix. (Source de l'image : Hirose)

Exemples de connecteurs ix

En plus des configurations et des options détaillées ci-dessus, Hirose propose aux concepteurs une sélection de placage or ou de placage palladium-nickel plus placage or sur les surfaces de contact. Exemples des dizaines de connecteurs ix de Hirose :

IX80G-B-10P(01), prise verticale de type B avec 0,75 micromètre (μm) de palladium-nickel plus 0,05 μm d'or

IX80G-A-10P(01), prise verticale de type A avec 0,75 μm de palladium-nickel plus 0,05 μm d'or

IX61G-B-10P, prise à angle droit vers le haut de type B avec placage or de 0,2 μm

IX60G-A-10P, prise à angle droit de type A avec placage or de 0,2 μm

IX31G-A-10S-CV(7.0), fiche droite de type A avec placage or de 0,2 μm

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), fiche à angle droit vers le haut de type A avec placage or de 0,2 μm

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), fiche à angle droit vers le bas de type B avec placage or de 0,2 μm

Assemblage sur le terrain

Une haute disponibilité est requise dans les applications Ethernet industriel, et l'assemblage des câbles sur le terrain peut être un facteur important. Il peut accélérer l'installation des équipements, notamment dans les architectures modulaires pour faciliter le remplacement rapide des assemblages de câbles usés ou endommagés. Pour répondre au besoin d'assemblage sur le terrain, Hirose propose l'outil d'assemblage de câble HT803/IXG-8/10S-63-72 qui peut être utilisé avec les connecteurs ix IDC IX30G, IX31G et IX32G (Figure 5). Il s'agit d'un outil combiné permettant de sertir le câble et la fiche ensemble et de presser le boîtier de protection sur l'assemblage. Dans le cas des connecteurs soudés IX40G, il est uniquement utilisé pour le rétreint.

Figure 5 : Cet outil à main permet la fabrication sur le terrain d'assemblages de câbles ix. (Source de l'image : Hirose Electric)

Cet outil d'assemblage de câble est conçu pour le travail avec des câbles blindés de 22 AWG à 28 AWG avec des fils de cuivre recuit à sept brins d'un diamètre extérieur d'isolant de 6,3 mm à 7,2 mm. Le fonctionnement est simple et rapide.

Sertissage : placez la fiche dans l'outil avec la clé de codage vers le haut et insérez le câble dans la fiche. Serrez la poignée pour terminer le sertissage. La pince est dotée d'un mécanisme à cliquet qui garantit qu'elle ne s'ouvre pas tant qu'une pression suffisante n'a pas été exercée pour réaliser un bon sertissage. Le cliquet se relâche automatiquement lorsque la pression requise est atteinte.

Rétreint : placez un capot de blindage et un boîtier dans l'outil (une découpe spéciale est prévue pour assurer un placement correct). Comme pour le processus de sertissage, placez la fiche dans l'outil avec la clé de codage vers le haut. Serrez la poignée jusqu'à ce que le cliquet se libère pour terminer le rétreint.

Importance des tests

Il peut y avoir plusieurs raisons de tester les câbles Ethernet sur le terrain. Lors du déploiement initial de l'équipement ou du remplacement du câblage existant, les tests permettent de certifier que le câble répond à toutes les exigences de performances. Le test des câbles est également utile lors du dépannage des installations pour localiser la source d'un problème. Il peut y avoir de nombreuses sources de défaillances dans un réseau Ethernet, notamment des connecteurs défectueux, des ruptures de câble ou de blindage, et une sensibilité accrue aux EMI.

Le DSX-CHA-5-IX-S de Hirose est un ensemble de deux adaptateurs optimisés pour accélérer les tests sur le terrain des assemblages de câbles et des connecteurs ix (Figure 6). Il est conçu pour être utilisé avec les testeurs DSX CableAnalyzer de Fluke Networks. Des tests approfondis selon les spécifications IEEE 802.3 à l'aide de ces adaptateurs permettent d'obtenir des résultats positifs ou négatifs, ainsi que des diagnostics complets pour accélérer l'identification de tout problème.

Figure 6 : Le jeu d'adaptateurs DSX-CHA-5-IX-S accélère les tests sur le terrain des assemblages de câbles et des connecteurs ix. (Source de l'image : Fluke)

Conclusion

Les concepteurs peuvent utiliser les connecteurs ix pour répondre aux besoins des systèmes Industrie 4.0 en matière de connectivité haute densité et haute robustesse. Ces connecteurs sont disponibles en versions Ethernet et non-Ethernet, avec différentes configurations mécaniques disponibles pour prendre en charge diverses exigences de conception système. Les connexions à souder peuvent être utilisées dans le cadre d'une production à haut volume, tandis que les modèles IDC sont disponibles pour la réalisation d'assemblages de câbles sur le terrain. Des outils et des testeurs sont également disponibles pour s'assurer que les assemblages de câbles résultants répondent à toutes les exigences de performances ix.

Lecture recommandée

1. Power over Ethernet (PoE) dans l'automatisation industrielle