วิธีตอบสนองความต้องการการเชื่อมต่อที่มีความหนาแน่นสูงและแข็งแกร่งของ Industry 4.0

ความต้องการการเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตที่มีความหนาแน่นสูง รวดเร็ว และเชื่อถือได้กำลังเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในการใช้งานใน Industry 4.0 เช่น วิทยาการหุ่นยนต์ แมชชีนวิชัน คอนโทรลเลอร์ เซอร์โวแอมพลิฟายเออร์ และเซิร์ฟเวอร์ การเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตในอุปกรณ์ Industry 4.0 จำเป็นต้องรองรับความเร็วในการสื่อสารสูงสุด 10 กิกะบิตต่อวินาที (Gbits/s) และจะต้องมีการปกป้องจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ให้กลไกการเสียบสายและการล็อคที่ปลอดภัยเพื่อป้องกันการถอดสายเคเบิลโดยไม่ได้ตั้งใจ สามารถทนต่อสภาพแวดล้อมแรงสั่นสะเทือนสูงและมีช่วงเวลาการเสียบสายและถอดสายที่ยาวนาน คอนเนคเตอร์เหล่านี้ต้องมีขนาดกะทัดรัดพอที่จะรองรับการเชื่อมต่อและความหนาแน่นของระบบที่เพิ่มขึ้นใน Industry 4.0

แม้ว่าคอนเนคเตอร์อีเทอร์เน็ต RJ45 รุ่นเก่าจะสามารถตอบสนองความต้องการเหล่านี้ได้ แต่ก็มีขนาดที่ค่อนข้างจะเทอะทะและไม่มีความยืดหยุ่นในการติดตั้งที่จำเป็นสำหรับการออกแบบในปัจจุบัน

เพื่อตอบสนองความท้าทายเหล่านี้ นักออกแบบสามารถหันไปใช้ คอนเนคเตอร์อุตสาหกรรม ix สำหรับอีเทอร์เน็ตความเร็วสูงทั้ง Cat5e (1 Gbit/s) และ Cat6a (10 Gbit/s) คอนเนคเตอร์เหล่านี้มีขนาดเล็กกว่าคอนเนคเตอร์ RJ45 75% ให้การป้องกัน EMI และมีความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ในระดับสูงสำหรับการส่งข้อมูลที่ปลอดภัย และเป็นไปตามข้อกำหนด IEC 61076-3-124

บทความนี้เริ่มต้นด้วยการเปรียบเทียบตัวเลือกคอนเนคเตอร์อุตสาหกรรม RJ45 และ ix จากนั้นจะกล่าวถึงคอนเนคเตอร์ ix ประเภท A และประเภท B สำหรับการเชื่อมต่อแบบอีเทอร์เน็ตและแบบที่ไม่ใช่อีเธอร์เน็ต และดูตัวเลือกรูปแบบต่าง ๆ ของคอนเนคเตอร์ ix พร้อมกับคอนเนคเตอร์ที่ใช้แทนกันได้บางส่วนจาก Hirose สุดท้ายจะนำเสนอเครื่องมือสำหรับประกอบและทดสอบสายเคเบิล ix เพื่อให้แน่ใจว่ามีการใช้งานที่ถูกต้อง

คอนเนคเตอร์ RJ45 กับ ix

การใช้งานใน Industry 4.0 จำนวนมากต้องการการเชื่อมต่อแบบโมดูลาร์เพื่อการปรับใช้และการปรับใหม่อย่างรวดเร็ว ระบบเหล่านี้มักจะรวมอุปกรณ์รุ่นเก่ามาใช้กับการออกแบบใหม่ พวกเขาใช้อีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมความเร็วสูงและโปรโตคอลอื่น ๆ ที่ต้องการความสามารถในการทำงานร่วมกันและความพร้อมใช้งานสูง คอนเนคเตอร์ Registered Jack (RJ) ที่มีทั่วไปในอุปกรณ์รุ่นเก่า ซึ่งเป็นคอนเนคเตอร์ RJ45 แปดพินแปดหน้าสัมผัส (8P8C) สำหรับการเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตพื้นฐาน

ระบบ Industry 4.0 ที่เกิดขึ้นใหม่ต้องการความหนาแน่นและความยืดหยุ่นในการเชื่อมต่อที่เพิ่มขึ้น นอกจากจะมีขนาดเล็กกว่าโซลูชัน RJ45 ถึง 75% แล้ว คอนเนคเตอร์ ix ยังช่วยให้สามารถติดตั้งระยะพิทช์แบบขนาน 10 มิลลิเมตร (มม.) และคอนเนคเตอร์ ix หกตัวสามารถใส่ลงในพื้นที่แผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) เดียวกันกับคอนเนคเตอร์ RJ45 สามตัว (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ระยะการติดตั้ง 10 มม. ช่วยให้คอนเนคเตอร์ ix หกตัวพอดีกับพื้นที่บอร์ดพีซีเดียวกันกับคอนเนคเตอร์ RJ45 สามตัว (แหล่งที่มาภาพ: Hirose)

แข็งแรงทนทาน

IEC 61076-3-124 มีข้อกำหนดในด้านขนาด ลักษณะทางกล ทางไฟฟ้า ลักษณะการส่งสัญญาณ และข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมสำหรับคอนเนคเตอร์ ix โดยคอนเนคเตอร์ ix จาก Hirose นั้นมีคุณสมบัติเหนือกว่า IEC 61076-3-124 และตรงตามข้อกำหนดของ JIS E4031 มาตรฐานอุตสาหกรรมของญี่ปุ่นสำหรับการทดสอบแรงกระแทกและการสั่นสะเทือนของอุปกรณ์ระบบรถไฟฟ้า นอกจากนั้นยังเป็นไปตามมาตรฐานอินเทอร์เฟซกล้อง GigE Vision ที่รองรับการใช้ Gigabit Ethernet สำหรับการถ่ายโอนภาพที่รวดเร็วโดยใช้สายเคเบิลมาตรฐานที่ยาวและต้นทุนต่ำ หน้าสัมผัสกระแสไฟสูงรองรับการใช้งานจ่ายกระแสไฟฟ้าและเชื่อมต่อผ่านอีเธอร์เน็ต (PoE) และ PoE+ ตามที่ระบุไว้ใน IEEE 802.3af และ IEEE 802.3at

ระบบคอนเนคเตอร์ ix ออกแบบโดยคำนึงถึงการใช้งานในอุตสาหกรรมตั้งแต่เริ่มต้น ในขณะที่คอนเนคเตอร์ RJ45 ได้รับการพัฒนาในขั้นต้นเพื่อใช้กับอุปกรณ์โทรคมนาคมสำหรับการใช้งานทั่วไปและธุรกิจ และได้รับการดัดแปลงเพื่อใช้ในงานอุตสาหกรรม ตัวอย่างเช่น คอนเนคเตอร์ ix มีตะขอล็อคแบบสแน็ปอินสองตัวที่ทำจากโลหะที่ให้ทั้งการตอบสนองแบบสัมผัสและเสียง เพื่อให้แน่ใจว่ามีการเชื่อมต่อที่ปลอดภัยระหว่างปลั๊กและซ็อกเก็ต คอนเนคเตอร์ RJ45 ระดับอุตสาหกรรมมีตะขอล็อคเดียว

การออกแบบกล่องหุ้มซ็อกเก็ตคอนเนคเตอร์ ix ให้ความทนทานและเพิ่มประสิทธิภาพ EMC ซ็อกเก็ตเหล่านี้มีแถบยึดรูทะลุ 5 แถบ โดยอยู่ข้างละ 2 แถบ และอีกแถบหนึ่งอยู่ด้านหลังระหว่างหน้าสัมผัสสัญญาณทั้งสองชุด ขณะที่ขั้วต่อ RJ45 มีแถบเพียง 3 แถบเท่านั้น แท็บบนซ็อกเก็ตคอนเนคเตอร์ ix ยังแข็งแกร่งกว่าเมื่อเทียบกับแท็บบนซ็อกเก็ต RJ45 เมื่อบัดกรีเข้ากับบอร์ดพีซี แท็บซ็อกเก็ต ix จะป้องกันหน้าสัมผัสสัญญาณจากความเค้นเมื่อเสียบคอนเนคเตอร์หรือถอดคอนเนคเตอร์ และยังเพิ่มความสามารถในการทนต่อแรงกระแทกและการสั่นสะเทือนของซ็อกเก็ต แถบบัดกรีเชื่อมต่อโดยตรงกับกราวด์บนบอร์ดพีซี ช่วยเพิ่มการป้องกัน EMI (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: แถบยึดรูทะลุห้าแถบบนซ็อกเก็ตป้องกันหน้าสัมผัสสัญญาณ เพิ่มประสิทธิภาพในการป้องกันการกระแทกและการสั่นสะเทือน และปรับปรุงประสิทธิภาพ EMC ของคอนเนคเตอร์ ix (แหล่งที่มาภาพ: Hirose)

การใช้ระบบโมดูลาร์และปรับใหม่กำลังเปลี่ยนความคาดหวังในประสิทธิภาพของคอนเนคเตอร์ คอนเนคเตอร์จะไม่อยู่กับที่ตลอดอายุการใช้งานอีกต่อไป สเตชันการผลิต เครื่องมือ และส่วนประกอบระบบอื่น ๆ จำเป็นต้องมีความสามารถในการจัดเรียงใหม่บ่อยครั้งเพื่อรองรับการปรับแต่งจำนวนมากซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของ Industry 4.0 ด้วยเหตุนี้ จึงอาจจะมีการเสียบและถอดคอนเนคเตอร์หลายร้อยหรือหลายพันครั้งตลอดอายุการใช้งาน คอนเนคเตอร์ ix ของ Hirose ออกแบบและทดสอบการเชื่อมต่อถึง 5,000 รอบ และยังคงเป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพทั้งหมดของ IEC 61076-3-124

การเชื่อมต่อแบบที่ไม่ใช่อีเทอร์เน็ต

IEC 61076-3-124 รองรับการเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตและไม่ใช่อีเทอร์เน็ต เพื่อป้องกันการเชื่อมต่อผิดพลาด จะมีการใช้รูปแบบการเข้ารหัสทางกลที่แยกจากกันที่มีป้ายกำกับ 'A' และ 'B' สำหรับคอนเนคเตอร์ ix อีเทอร์เน็ตและไม่ใช่อีเทอร์เน็ตตามลำดับ (รูปที่ 3):

• คอนเนคเตอร์ ix ประเภท 'A' สามารถส่งข้อมูลได้สูงถึง 10 Gbits/s สามารถรองรับ PoE และ PoE+ และสามารถระบุได้มุมตัดแบบโพลาไรซ์ 45° ที่มุมล่างซ้ายของซ็อกเก็ต
• คอนเนคเตอร์ ix ประเภท 'B' ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ในการใช้งานที่ไม่ใช่อีเธอร์เน็ตทั้งหมด เช่น การส่งสัญญาณและโปรโตคอลการสื่อสารแบบอนุกรมและอุตสาหกรรมอื่น ๆ สามารถระบุได้โดยมุมตัด 45° ที่มุมซ้ายบนของซ็อกเก็ต

รูปที่ 3: คอนเนคเตอร์ ix สามารถใช้ได้กับการออกแบบการเข้ารหัสทางกลสองแบบเพื่อป้องกันการเสียบปลั๊กอีเทอร์เน็ตเข้ากับซ็อกเก็ตที่ไม่ใช่อีเทอร์เน็ตและที่เป็นอีเทอร์เน็ต (แหล่งที่มาภาพ: Hirose)

ความยืดหยุ่นในการใช้งานในระบบ

คอนเนคเตอร์เหล่านี้ยังช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการใช้งานในระบบ สายเคเบิลสามารถเชื่อมต่อกับซ็อกเก็ตของคอนเนคเตอร์ ix ได้โดยการบัดกรีหรือใช้สายเชื่อมต่อแบบฉนวน (IDC) การเชื่อมต่อแบบบัดกรีสามารถเพิ่มความเร็วในการผลิตชุดสายเคเบิลในสภาพแวดล้อมของโรงงาน การเชื่อมต่อ IDC มักใช้ในการผลิตส่วนประกอบสายเคเบิลในภาคสนาม และสามารถลดเวลาในการติดตั้งได้มากถึง 50% เนื่องจากการลดการปอกและการบิดสายไฟ และการบัดกรี มีกลุ่มคอนเนคเตอร์ดังกล่าวมีสี่กลุ่ม คือ 30, 31, 32 และ 40 สามกลุ่มแรกรองรับขนาดสายเคเบิล IDC ที่แตกต่างกัน โดยกลุ่มที่สี่ใช้สำหรับการเชื่อมต่อแบบบัดกรี:

• 30: IDC ใช้ลวดขนาด 26 ถึง 28 American wire gauge (AWG) โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของฉนวนตั้งแต่ 0.95 ถึง 1.05 มม.
• 31: IDC ใช้ลวดขนาด 24 ถึง 25 AWG โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของฉนวนตั้งแต่ 1.1 ถึง 1.25 มม.
• 32: IDC ใช้ลวด 22 AWG โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของฉนวนตั้งแต่ 1.4 ถึง 1.6 มม.
• 40: บัดกรีด้วยมือ

Hirose ยังมีคอนเนคเตอร์ ix ที่มีการกำหนดค่าเต้ารับสามแบบและการกำหนดค่าปลั๊กสามแบบเพื่อให้เหมาะกับความต้องการใช้งานเฉพาะ (รูปที่ 4) การกำหนดค่าเต้ารับรวมถึง:

• มุมฉากตั้งตรงที่สามารถติดตั้งแบบขนานได้โดยมีระยะพิทช์ 10 มม. เพื่อประหยัดพื้นที่บอร์ดพีซีในระบบที่มีความหนาแน่นสูง
• ประเภทแนวตั้งช่วยให้เชื่อมต่อจากด้านบน
• เต้ารับมุมขวาทรงต่ำสูง 5.7 มม. ซึ่งน้อยกว่าความสูงของขั้วต่อ RJ45

รูปแบบเต้าเสียบได้แก่:

• สายตรง
• สายเคเบิลมุมขวาเฉียงขึ้น
• สายเคเบิลมุมขวาเฉียงลง

รูปที่ 4: เต้ารับมีสามแบบแตกต่างกันบนแผงวงจรทั้งสามแผ่น แผงวงจรแต่ละแผ่นมีเต้าเสียบคอนเนคเตอร์ ix สามแบบ (แหล่งที่มาภาพ: Hirose)

ตัวอย่างคอนเนคเตอร์ ix

นอกเหนือจากรูปแบบและตัวเลือกตามรายละเอียดข้างต้นแล้ว Hirose ยังเสนอทางเลือกของการชุบทองหรือการชุบแพลเลเดียม-นิเกิล รวมถึงการชุบทองบนพื้นผิวหน้าสัมผัส ตัวอย่างของคอนเนคเตอร์ ix หลายสิบตัวจาก Hirose ได้แก่:

IX80G-B-10P(01), เต้ารับแนวตั้งรูปแบบ B พร้อมแพลเลเดียม-นิกเกิล 0.75 ไมโครเมตร (ไมโครเมตร) บวกการชุบทอง 0.05 ไมโครเมตร

IX80G-A-10P(01), เต้ารับแนวตั้งรูปแบบ A ที่มีแพลเลเดียม-นิกเกิล 0.75 ไมครอน เคลือบทอง 0.05 ไมครอน

IX61G-B-10P, เต้ารับมุมฉากตั้งขึ้นรูปแบบ B พร้อมชุบทอง 0.2 μm

IX60G-A-10P, เต้ารับมุมฉากรูปแบบ A พร้อมชุบทอง 0.2 ไมครอน

IX31G-A-10S-CV(7.0), เต้าเสียบตรงรูปแบบ A ชุบทอง 0.2 ไมครอน

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), เต้าเสียบมุมฉากตั้งขึ้นรูปแบบ A พร้อมชุบทอง 0.2 ไมครอน

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), เต้าเสียบมุมฉากหักลง Type B พร้อมชุบทอง 0.2 ไมครอน

การประกอบหน้างาน

ความพร้อมใช้งานสูงเป็นสิ่งจำเป็นในการใช้งานอีเทอร์เน็ตระดับอุตสาหกรรม และการประกอบสายเคเบิลหน้างานถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญ สามารถเพิ่มความเร็วในการติดตั้งอุปกรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถาปัตยกรรมโมดูลาร์เพื่อช่วยในการเปลี่ยนชุดสายเคเบิลที่สึกหรอหรือเสียหายได้อย่างรวดเร็ว เพื่อตอบสนองความต้องการในการประกอบหน้างาน Hirose เสนอ HT803/IXG-8/10S-63-72 เครื่องมือประกอบสายเคเบิลที่สามารถใช้กับคอนเนคเตอร์ ix IX30G, IX31G และ IX32G IDC (รูปที่ 5) เป็นเครื่องมือรวมสำหรับการเข้าสายเคเบิลและเสียบเข้าด้วยกัน และขึ้นรูปตัวเรือนป้องกันเข้ากับชุดประกอบ ในกรณีของคอนเนคเตอร์แบบบัดกรี IX40G จะใช้กับการขึ้นรูปเท่านั้น

รูปที่ 5: เครื่องมือนี้ช่วยให้สามารถสร้างชุดสายเคเบิล ix ได้หน้างาน (แหล่งที่มาภาพ: Hirose Electric)

เครื่องมือประกอบสายเคเบิลนี้ออกแบบมาเพื่อทำงานกับสายเคเบิลที่มีฉนวนหุ้มตั้งแต่ 22 ถึง 28 AWG พร้อมสายทองแดงอ่อนเจ็ดเกลียวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางฉนวนภายนอกตั้งแต่ 6.3 ถึง 7.2 มม. การดำเนินการทำได้ง่ายและรวดเร็ว

การย้ำสาย: วางปลั๊กในเครื่องมือโดยให้คีย์เข้ารหัสหงายขึ้นแล้วเสียบสายเคเบิลเข้ากับปลั๊ก บีบที่จับเพื่อทำการย้ำสายเสร็จสิ้น เครื่องมือนี้มีกลไกวงล้อเพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่เปิดออกจนกว่าจะใช้แรงดันเพียงพอเพื่อสร้างการเชื่อมต่อที่ดีและมีการย้ำสาย วงล้อจะคลายออกโดยอัตโนมัติเมื่อได้แรงดันที่ต้องการ

การขึ้นรูป: วางกล่องหุ้มและเคสลงในเครื่องมือ (มีการตัดพิเศษเพื่อให้แน่ใจว่ามีการจัดวางอย่างเหมาะสม) เช่นเดียวกับกระบวนการย้ำสาย ให้เสียบปลั๊กเข้ากับเครื่องมือโดยให้คีย์รหัสหงายขึ้น บีบที่จับจนกว่าวงล้อจะคลายออกเพื่อให้การเหวี่ยงเสร็จสมบูรณ์

การทดสอบเป็นสิ่งสำคัญ

อาจมีสาเหตุหลายประการในการทดสอบสายเคเบิลอีเทอร์เน็ตที่หน้างาน ระหว่างการใช้งานอุปกรณ์เบื้องต้นหรือการเปลี่ยนสายเคเบิลที่มีอยู่ การทดสอบสามารถรับรองได้ว่าสายเคเบิลตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพทั้งหมด การทดสอบสายเคเบิลยังมีประโยชน์ในการแก้ไขปัญหาการติดตั้งเพื่อระบุสาเหตุของปัญหา อาจมีสาเหตุของความล้มเหลวมากมายในเครือข่ายอีเทอร์เน็ต รวมถึงคอนเนคเตอร์เสียหาย สายเคเบิลหรือตัวป้องกันขาด และความไวต่อ EMI ที่เพิ่มขึ้น

DSX-CHA-5-IX-S จาก Hirose เป็นชุดอะแดปเตอร์สองตัวที่ปรับให้เหมาะกับการทดสอบภาคสนามของคอนเนคเตอร์ ix และชุดสายเคเบิล (รูปที่ 6) ซึ่งออกแบบมาเพื่อใช้กับเครื่องทดสอบ DSX CableAnalyzer จาก Fluke Networks การทดสอบอย่างละเอียดตามข้อกำหนด IEEE 802.3 โดยใช้อะแดปเตอร์เหล่านี้สามารถให้ผลลัพธ์ผ่าน/ไม่ผ่าน พร้อมการวินิจฉัยที่ครอบคลุมเพื่อเพิ่มความเร็วในการระบุปัญหาใด ๆ

รูปที่ 6: ชุดอะแดปเตอร์ DSX-CHA-5-IX-S เพิ่มความเร็วในการทดสอบภาคสนามของคอนเนคเตอร์ ix และส่วนประกอบสายเคเบิล (แหล่งที่มาภาพ: Fluke)

สรุป

นักออกแบบสามารถใช้คอนเนคเตอร์ ix เพื่อรองรับความต้องการในระบบ Industry 4.0 สำหรับการเชื่อมต่อที่มีความหนาแน่นสูงและแข็งแกร่ง คอนเนคเตอร์เหล่านี้มีทั้งการเชื่อมต่อแบบอีเทอร์เน็ตและไม่ใช่อีเทอร์เน็ต โดยมีการกำหนดค่าทางกลต่าง ๆ เพื่อรองรับความต้องการในการออกแบบระบบที่หลากหลาย สามารถใช้การเชื่อมต่อแบบบัดกรีในการตั้งค่าการผลิตที่มีปริมาณมาก ในขณะที่รุ่น IDC นั้นพร้อมสำหรับการประกอบสายเคเบิลในภาคสนาม นอกจากนี้ยังมีเครื่องมือและอุปกรณ์ทดสอบให้พร้อมใช้งานเพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบสายเคเบิลที่ได้นั้นตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของ ix ทั้งหมด

บทความแนะนำ

1. Power over Ethernet (PoE) ในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม