Utilizzo di connettori Ethernet ad alta velocità e rinforzati per reti di comunicazione industriali

L'Internet delle cose industriale (IIoT), o Impresa 4.0, sta guidando la domanda di reti di comunicazione in grado di operare in ambienti difficili. Spesso, l'anello debole di queste reti sono i connettori, poiché gli ambienti industriali sono caldi, sporchi e tipicamente hanno macchinari che vibrano, il che mette continuamente sotto pressione i collegamenti meccanici e compromette l'affidabilità. A peggiorare la situazione sono le conseguenze di un guasto alla connessione in una fabbrica moderna. Anche se può essere finanziariamente catastrofico, con una perdita di produzione che si aggiunge rapidamente a forti perdite economiche, un collegamento di sicurezza non funzionante può causare gravi danni. Per questo motivo è necessaria un'alternativa al connettore RJ45 standard.

I progettisti richiedono connettori Ethernet sufficientemente rinforzati da soddisfare gli attuali standard industriali e i codici di protezione dalle infiltrazioni (IP), indipendentemente dal luogo in cui devono essere collocati inizialmente. Devono essere in grado di funzionare in modo affidabile a velocità Cat 6A Ethernet fino a 10 gigabit al secondo (Gbps), supportare PoE (Power over Ethernet) ed essere il più "a prova di futuro" possibile, il tutto nel rispetto di budget spesso contenuti.

Questo articolo esamina i requisiti per i sistemi di comunicazione industriale e i livelli IP appropriati. Descrive poi le caratteristiche dei connettori Ethernet industriali che soddisfano queste esigenze prima di introdurre alcune soluzioni concrete di Amphenol come esempi per mostrare come utilizzare i connettori per nuovi progetti.

Requisiti di una rete industriale

L'industria moderna ha ampiamente abbracciato la connettività di rete cablata per alimentare l'Impresa 4.0 (descritta come la "digitalizzazione della produzione") e si basa sull'informatizzazione del settore avvenuta alla fine degli anni '70 e per tutti gli anni '80. Per i manager, Impresa 4.0 promette maggiore produttività, prodotti di qualità superiore, prezzi più bassi e maggiore sicurezza. Per gli ingegneri, il compito è quello di costruire reti robuste che supportino la produzione moderna.

L'infrastruttura per le reti Ethernet residenziali e commerciali è generalmente basata su cavi economici e connettori RJ45 standard, ma questi componenti non sono progettati per le applicazioni di fabbrica. L'ambiente di fabbrica è più impegnativo e la scelta dei cavi e dei connettori deve tenere in considerazione i seguenti fattori:

• Sollecitazione meccanica: urti, vibrazioni, schiacciamento, piegamento, torsione
• Sollecitazione chimica: acqua, oli, solventi, gas corrosivi
• Sollecitazione ambientale: temperature estreme, umidità, radiazione solare
• Sollecitazione elettrica: scariche elettrostatiche (ESD), interferenze elettromagnetiche (EMI), transitori ad alta tensione

Il cablaggio e i connettori industriali devono essere specificati per resistere alle condizioni più severe previste per tutta la vita della rete. Ad esempio, non è molto utile se un cavo viene specificato per le normali temperature ambientali se in seguito la fabbrica viene riorganizzata e il cavo passa ora vicino a forni di processo dove la temperatura è molto più alta.

I cavi industriali sono disponibili con isolamento in poliuretano di alta qualità, resistente all'abrasione, alle sostanze chimiche (compreso l'olio) e al fuoco. Mentre gli isolanti come il polivinilcloruro (PVC) sono più economici, la plastica può essere aggredita da oli e prodotti chimici, si infragilisce e si rompe a basse temperature.

Costruire una rete Industrial Ethernet

In ambienti a basso rumore elettrico, potrebbero essere accettabili cavi a doppino intrecciato non schermati. Tuttavia, i dispositivi industriali come i saldatori ad arco o le apparecchiature elettriche come i relè di commutazione, gli azionamenti in c.a. o i solenoidi possono causare interferenze e disturbi dei dati con l'utilizzo di cavi non schermati. In caso di dubbio, l'ingegnere dovrebbe andare sul sicuro e utilizzare un cavo schermato per evitare potenziali e costosi errori di sistema in un secondo momento. Con la crescita delle fabbriche, è comune per i cavi di controllo e di alimentazione utilizzare condotti che in precedenza erano dedicati alle comunicazioni Ethernet. Ciò potrebbe danneggiare i dati se era specificato in origine l'uso di cavi Ethernet non schermati.

Un design a doppia schermatura, che utilizza sia la lamina che la treccia in rame, è la soluzione più efficace per prevenire il danneggiamento dei dati. Per garantire il corretto funzionamento della schermatura, il tecnico deve anche utilizzare connettori schermati e terminare la schermatura a terra. Se una schermatura rimane non terminata, può in realtà aggravare i problemi di interferenza, perché agirebbe da antenna.

Anche con cavi schermati i segnali si degradano su lunghe tratte. I cavi con conduttori pieni hanno prestazioni migliori e possono fornire una corsa massima di 100 metri, ma sono più soggetti a danni da flessione o torsione. I cavi a trefoli gestiscono meglio la torsione e la flessione, ma non dovrebbero essere usati per tratte superiori a 85 m (Figura 1).

Figura 1: I cavi Ethernet a conduttore pieno dovrebbero limitasi a 100 m di lunghezza, mentre le versioni a trefoli dovrebbero limitarsi a 85 m. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Durante la configurazione della rete, il raggio minimo di curvatura statica è quattro volte il diametro esterno del cavo (D.E.). Questo vale per cavi a trefoli o pieni, schermati o non schermati. Nei casi in cui è richiesta la flessione, non si devono utilizzare cavi a conduttori pieni. Le schede tecniche dei cavi a trefoli specificano tipicamente i cicli di flessione massima, di solito tra un milione e 10 milioni, a seconda del raggio di curvatura.

I cavi devono essere fissati con fascette serracavo che non devono essere strette troppo, al fine di permettere ai cavi di muoversi liberamente dentro la fascetta. Un serraggio eccessivo creerà punti di sollecitazione, che possono guastare il conduttore. I cavi devono anche essere laschi all'interno delle fascette quando si raggruppano più cavi.

Poiché la maggior parte degli errori di messa in servizio è dovuta al cablaggio di campo (la manutenzione dei doppini intrecciati e la corretta terminazione della schermatura sono difficili e dispendiose), si consiglia l'uso di connettori stampati montati in fabbrica.

Progettare per il futuro

Se le reti cablate offrono vantaggi chiave (velocità, integrità del segnale e sicurezza), sono costose da installare e manutenere. Il progettista incaricato di specificare la rete dovrebbe quindi gettare un occhio sul futuro per garantire che l'infrastruttura duri il più a lungo possibile e richieda riparazioni minime.

La storia di Ethernet ha visto aumentare inesorabilmente le velocità di rete. In futuro, le reti industriali saranno probabilmente dominate da infrastrutture ottiche che offrono velocità di 400 Gbps o addirittura nell'ordine dei terabit al secondo (Tbps). Per le odierne installazioni con fili in rame, l'accurata selezione di cavi e connettori a doppino intrecciato di alta qualità dovrebbe consentire alla rete di far fronte non solo alle attuali velocità di 1 Gbps, ma anche alle future connessioni a 10 Gbps (Tabella 1).

Tabella 1: Velocità dei cavi Ethernet e la relativa frequenza operativa Ethernet, generalmente proporzionale alla velocità di trasmissione. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Anche le reti di fabbrica stanno iniziando a sfruttare i vantaggi di PoE, una tecnologia che utilizza il cablaggio Ethernet per fornire energia alle apparecchiature collegate. PoE utilizza un'unica infrastruttura Ethernet standard e gestisce una potenza pari a decine di watt. La natura centralizzata e flessibile della tecnologia elimina la necessità dell'alimentazione locale per ogni dispositivo alimentato in rete, consentendo di posizionare ovunque i dispositivi alimentati e di ricollocarli facilmente in un secondo momento, se necessario.

Una forma potenziata di PoE, chiamata PoE+, può fornire fino a 25,5 W in c.c. al dispositivo collegato e consente il collegamento di apparecchiature ad alto assorbimento come le telecamere di videosorveglianza. (Vedere l'articolo tecnico DigiKey, "Power over Ethernet si adegua per far fronte a una domanda di potenza superiore".)

Così come i cavi e i connettori dovrebbero essere abbinati per una pari resistenza alle sollecitazioni meccaniche, chimiche, ambientali ed elettriche, anche le prestazioni funzionali dovrebbero essere abbinate. Le caratteristiche operative massime saranno dettate dal componente meno capace della rete; ad esempio, se i cavi Cat 6a sono abbinati a connettori Cat 6, il sistema avrà una portata massima di 1 Gbps, non la portata massima nominale dei cavi di 10 Gbps.

Connettori per reti industriali

Sebbene sia importante che il progettista consideri attentamente la scelta del cavo, la stesura e la frequenza Ethernet quando crea una rete industriale, i connettori sono la più grande sfida di progettazione per una rete Ethernet. Questo perché rappresentano l'anello più debole: non solo sono potenziali punti di infiltrazione per l'acqua e la sporcizia, ma hanno anche brevi tratte ove le coppie Ethernet non sono intrecciate e sono quindi più suscettibili al rumore elettrico.

Il progettista deve considerare dove saranno utilizzati i connettori, in quanto gli ambienti di fabbrica variano considerevolmente. Ad esempio, il codice IP determinato dalla norma IEC 60529 classifica il grado di protezione fornito dagli involucri meccanici e dalle custodie elettriche che formano il connettore. La prima cifra del codice indica il grado di protezione da particelle solide (da 0 (nessuna protezione) a 6 (a tenuta di polvere)), mentre la seconda indica il grado di protezione dall'ingresso di liquidi (da 0 (nessuna protezione) a 9K (potenti getti d'acqua ad alta temperatura)).

Un grado di protezione IP20 (protezione contro le dita e oggetti simili, nessuna protezione contro l'umidità) per i connettori utilizzati in ambienti industriali puliti e asciutti è comune a molti connettori industriali. Ad esempio, i connettori ix Industrial IP20 di Amphenol sono componenti ad alta velocità, rinforzati, a 10 posizioni, forniti in un contenitore del 70% più piccolo rispetto a un tipico RJ45.

I produttori di connettori in genere forniscono opzioni per una maggiore protezione per l'uso in ambienti progressivamente più sporchi e umidi, e Amphenol non fa eccezione. La linea ix Industrial IP20 si estende da IP20 per il prodotto standard fino a IP67 (a tenuta di polvere, immersione fino a 1 m di profondità) per prodotti non standard.

Il progettista della rete dovrebbe puntare a ridurre al minimo il numero di connessioni, in particolare nei set di cavi con connettori maschio a entrambe le estremità. Questi sono troppo facili da prolungare per il personale non tecnico, con conseguenze dannose per le prestazioni del resto della rete. Inoltre, è prassi standard che tutti i connettori fissi siano di tipo femmina.

Come per altri produttori, i connettori di Amphenol sono disponibili in fattori di forma maschio per i cavi e tre tipi di fattori di forma femmina per installazioni fisse: prese verticali per paratie, verticali ad angolo retto (ND9AS1200) e orizzontali (ND9BS3200) per il montaggio su scheda CS (Figura 2). Le versioni per montaggio su scheda CS sono disponibili in tecnologia a montaggio superficiale (SMT) o in fattori di forma a foro passante per una facile saldatura al substrato.

Figura 2: I connettori ix Industrial di Amphenol sono disponibili in una varietà di spine e prese per applicazioni con cavi, paratie e schede CS. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

La versione maschio può essere fornita singolarmente (ND9AP5200) o come parte di un set di cavi (ND9ACB250A) di lunghezza da 500 a 2000 mm.

Una guida utile per quanto riguarda la qualità di un connettore consiste nel verificare se soddisfa i requisiti delle norme come IEC 60512 e IEC 61076. IEC 60512 descrive in dettaglio i test meccanici ed elettrici, così come le soglie che deve soddisfare un connettore quando è utilizzato con apparecchiature elettriche ed elettroniche. La norma copre i fattori meccanici come la forza di inserimento e di estrazione, la resistenza alle vibrazioni e il numero massimo di cicli di accoppiamento, e i fattori elettrici come la resistenza dovuta al contatto, la schermatura e l'isolamento.

I connettori ix Industrial di Amphenol sono progettati per fornire un'interfaccia Ethernet robusta e miniaturizzata (conforme ai relativi standard IEC) con un risparmio di spazio fino al 75% rispetto ai connettori RJ45 standard. Con passo di 10 mm e robusta chiusura metallica a due punti, i connettori offrono prestazioni Cat 6a per una comunicazione Ethernet fino a 10 Gbps, capacità PoE/PoE+ e schermatura a 360° per l'immunità alle interferenze elettromagnetiche.

I connettori per scheda CS sono dotati di pesanti linguette a saldare e sono abbastanza robusti da sopportare urti e vibrazioni, pur mantenendo una connessione affidabile. Possono resistere fino a 5000 cicli di accoppiamento.

Le tabelle 2 e 3 descrivono in dettaglio le prestazioni della serie ix Industrial rispetto agli aspetti chiave della norma IEC 60512.

Tabella 2: Dal punto di vista elettrico, i connettori Ethernet ix Industrial possono gestire correnti fino a 1,5 A e soddisfano i requisiti IEC 60512. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Tabella 3: Le prestazioni meccaniche del connettore ix Industrial soddisfano i requisiti IEC 60512 e 60068. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

IEC 61076 è più mirato e riguarda i connettori rettangolari a 10 vie, schermati, liberi e fissi per la trasmissione dati con frequenze fino a 500 MHz. Il documento specifica le dimensioni comuni, le caratteristiche meccaniche, elettriche e di trasmissione, nonché i requisiti ambientali per le reti industriali.

In particolare, IEC 61076 identifica i codici che determinano la posizione della chiave di polarizzazione e della sede per chiavetta dei connettori. I connettori di tipo A sono destinati alla comunicazione Ethernet da 100 Mbps a 10 Gbps. I connettori di tipo B sono destinati a tutte le altre applicazioni non Ethernet, come i sistemi di segnalazione, seriali o altri sistemi di comunicazione su bus industriale (Figure 3(a) e (b)).

Figura 3: IEC 61076 specifica la polarizzazione e la chiavetta per i connettori per la trasmissione dei dati. Il tipo A (a) utilizza un angolo di 45° situato in basso a destra del recettore (visto frontalmente rispetto alla faccia di accoppiamento). Per il tipo B (b) l'angolo a quartabuono di 45° si trova nell'angolo superiore sinistro del recettore. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Conclusione

È in atto la costruzione di fabbriche moderne con reti di comunicazione per digitalizzare la produzione per una maggiore produttività e costi inferiori. I connettori e i cavi che compongono queste reti non solo devono essere abbastanza rinforzati da resistere agli ambienti industriali difficili, ma devono anche far fronte alle future esigenze di comunicazione ad alta velocità e di PoE.

Vi sono soluzioni proposte da aziende come Amphenol che offrono cavi e connettori di qualità industriale progettati per rispondere con precisione a queste sfide e ai budget della fabbrica. Aderiscono agli esigenti standard dei connettori industriali e includono caratteristiche che supportano elevate prestazioni di rete, lunga durata e richiedono una manutenzione minima. Tuttavia, come mostrato, i progettisti devono comprendere gli standard applicabili e le limitazioni elettriche e meccaniche di questi connettori per poterli applicare con successo e in modo appropriato a un progetto di rete IIoT o Impresa 4.0.