อัปเกรดความหนาแน่นและความน่าเชื่อถือของพอร์ตอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมด้วยคอนเนคเตอร์ ix Industrial

โรงงานต่างๆ กำลังเผชิญกับการใช้งานที่ต้องใช้ข้อมูลจำนวนมาก เช่น หุ่นยนต์ แมชชีนวิชั่น และเทคนิค Industrial Internet of Things (IIoT) ที่ต้องการการสื่อสารความเร็วสูงที่เพิ่มขึ้น แม้ว่าอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมจะช่วยได้ แต่นักออกแบบจะต้องเปิดใช้งานพอร์ตที่มีความหนาแน่นสูง ลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และรับประกันการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่งทางกายภาพ

เนื่องด้วยขนาดเพียงหนึ่งในสี่ของคอนเนคเตอร์ RJ45 พร้อมด้วยการป้องกัน EMI ที่ได้รับการปรับปรุงและการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่ง คอนเนคเตอร์ ix Industrial จึงถูกสร้างขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการระบบอัตโนมัติในโรงงานอย่างชัดเจน คอนเนคเตอร์ที่ได้รับมาตรฐานภายใต้ IEC 61076-3-124 ช่วยให้เกิดโซลูชั่นจากผู้จำหน่ายหลายราย และนำเสนอชุดคุณสมบัติที่เหมาะสมยิ่งเพื่อเพิ่มขีดความสามารถของโรงงานอัจฉริยะ

บทความนี้จะทบทวนข้อกำหนดการเชื่อมต่อระบบอัตโนมัติในโรงงานโดยสังเขป จากนั้นจะแนะนำคอนเนคเตอร์ ix Industrial จาก Hirose และแสดงให้เห็นว่านำมาใช้ให้ตรงตามข้อกำหนดได้อย่างไร

อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมและความท้าทายของคอนเนคเตอร์ RJ45

อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมมีลักษณะสำคัญสองประการที่เหมาะกับโรงงานอัจฉริยะที่อัตราการรับส่งข้อมูล 10 กิกะบิตต่อวินาที (10 Gbps) และพื้นฐานทางเทคโนโลยีในอีเธอร์เน็ต ซึ่งใช้โปรโตคอล TCP/IP, สายเคเบิล CAT5e และ CAT6 และคอนเนคเตอร์ RJ45 เดียวกัน โดยความสามารถในการทำงานร่วมกันนี้ทำให้การผสานรวมอุปกรณ์โรงงานอัจฉริยะเข้ากับระบบอื่นๆ ขององค์กรได้ง่ายขึ้น

อย่างไรก็ตาม สภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมทำให้เกิดความเครียดทางกายภาพกับคอนเนคเตอร์มากขึ้น และด้วยความหนาแน่นของพอร์ตที่เพิ่มขึ้น ผู้ออกแบบจึงจำเป็นต้องใช้คอนเนคเตอร์ที่มีขนาดเล็กลงซึ่งสามารถลด EMI ได้อีกด้วย ดังแสดงในรูปที่ 1 คอนเนคเตอร์ ix Industrial ช่วยลดพื้นที่การติดตั้งลง 75% เมื่อเทียบกับคอนเนคเตอร์ RJ45 ในขณะเดียวกันก็มีความทนทานและความต้านทาน EMI ที่ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นอย่างมาก (รูปที่ 2)

รูปที่ 1: คอนเนคเตอร์ ix Industrial (ซ้าย) มีขนาดเล็กกว่า RJ45 แบบเดิมถึง 75% (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: Automation World)

รูปที่ 2: คอนเนคเตอร์ ix Industrial นำเสนอการปรับปรุงประสิทธิภาพมากมายเพื่อตอบสนองความต้องการระบบอัตโนมัติในโรงงาน (แหล่งที่มาภาพ: Hirose)

แม้ว่า ix Industrial จะใช้คอนเนคเตอร์ที่เป็นเอกลักษณ์ แต่ก็สามารถใช้งานร่วมกับระบบนิเวศอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมส่วนที่เหลือได้ ตัวอย่างเช่น การรองรับสายเคเบิล CAT6A สูงสุด 10 Gbps และจ่ายไฟผ่านอีเธอร์เน็ต (PoE) และ PoE+ สูงสุด 3 แอมแปร์ (A)

ความเข้ากันดังกล่าว คอนเนคเตอร์ขนาดจิ๋วจึงได้รับมาตรฐานภายใต้ IEC 61076-3-124 ทำให้มั่นใจได้ถึงความสามารถในการทำงานร่วมกันระหว่างผู้จำหน่าย ซึ่งทำให้กระบวนการออกแบบง่ายขึ้น และช่วยให้วิศวกรมีอิสระมากขึ้นในการเลือกผลิตภัณฑ์ เช่น ซีรีย์คอนเนคเตอร์ ix Industrial ของ Hirose สามารถใช้งานร่วมกับโซลูชั่นจากผู้ผลิตรายอื่นได้อย่างสมบูรณ์

คอนเนคเตอร์ ix Industrial ยังได้รับเลือกใช้ในโปรโตคอลอีเธอร์เน็ตหลายโปรโตคอล รวมถึง PROFINET, CC-Link IE TSN และ GigE Vision:

• PROFINET เป็นโปรโตคอลอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ดูแลโดย Profibus และ Profinet International (PI) ใช้สำหรับตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLC) หุ่นยนต์ ไดรฟ์ และอินพุตและเอาต์พุต (I/O) ของเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์
• CC-Link IE TSN เป็นมาตรฐานจาก CC-Link Partner Association ที่รวมกิกะบิตอีเธอร์เน็ตเข้ากับ Time-Sensitive Networking (TSN) ซึ่งพบได้ในอุตสาหกรรมขั้นสูง เช่น การผลิตเซมิคอนดักเตอร์และยานยนต์
• GigE Vision เป็นมาตรฐานอินเทอร์เฟซสำหรับกล้องอุตสาหกรรมประสิทธิภาพสูงที่จัดการโดย Automated Image Association (AIA) การใช้เครือข่ายอีเธอร์เน็ตเพื่อให้บรรลุคุณประโยชน์ต่างๆ เช่น การถ่ายโอนข้อมูลที่รวดเร็ว ความยาวสายเคเบิลที่เพิ่มขึ้น ต้นทุนต่ำ และความสามารถในการปรับขนาด

นอกเหนือจากการยอมรับอย่างเป็นทางการแล้ว คอนเนคเตอร์ ix Industrial ยังสามารถใช้กับโปรโตคอลอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมอื่นๆ มากมาย รวมถึง EtherCAT, Modbus TCP และ Ethernet/IP ซึ่งการรองรับโปรโตคอลเหล่านี้และการย่อขนาดที่ทนทาน ทำให้ คอนเนคเตอร์ ix Industrial เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานในโรงงานอัจฉริยะจำนวนมาก ได้แก่:

• แมชชีนวิชชัน: กล้องความละเอียดสูงจะสร้างข้อมูลภาพจำนวนมากสำหรับการวิเคราะห์และการตัดสินใจแบบเรียลไทม์ ซึ่งใช้ประโยชน์จากอัตราข้อมูลที่สูงของคอนเนคเตอร์ ix Industrial และขนาดที่กะทัดรัดสำหรับการตั้งค่ากล้องหลายตัว
• วิทยาการหุ่นยนต์: หุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงานและหุ่นยนต์อัตโนมัติอาศัยข้อมูลเซ็นเซอร์แบบเรียลไทม์และสัญญาณควบคุมเพื่อการทำงานที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ ความทนทานของคอนเนคเตอร์ ix Industrial และความไวต่อ EMI ต่ำทำให้มั่นใจในการแลกเปลี่ยนข้อมูลที่เชื่อถือได้
• การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์: การเพิ่มเซ็นเซอร์ลงในอุปกรณ์ที่สำคัญช่วยให้สามารถตรวจจับความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้นได้ตั้งแต่เนิ่นๆ ป้องกันการหยุดทำงานที่มีค่าใช้จ่ายสูง คอนเนคเตอร์ ix Industrial รูปทรงต่ำและการออกแบบที่แข็งแกร่งทำให้เข้ากันได้ดีเยี่ยมกับเซ็นเซอร์ขนาดเล็กในสภาวะการทำงานที่สมบุกสมบัน

ตัวเลือกการออกแบบที่ประหยัดพื้นที่บนปลั๊กและเต้ารับ

ทั้งเต้ารับและปลั๊กของ ix Industrial มีคุณสมบัติเด่นที่ช่วยประหยัดพื้นที่ ดังแสดงในรูปที่ 3 เต้ารับมีให้เลือกหลายรูปแบบ:

• เต้ารับตั้งตรง, เช่น IX61G-A-10P สามารถติดตั้งแบบขนานโดยมีระยะพิทช์เพียง 10 มิลลิเมตร (มม.) สำหรับพอร์ตที่มีความหนาแน่นสูง ในการกำหนดค่านี้ คอนเนคเตอร์ ix Industrial จำนวน 6 ตัวสามารถติดตั้งในพื้นที่เดียวกันกับคอนเนคเตอร์ RJ45 จำนวน 3 ตัว ซึ่งช่วยลดพื้นที่ของสวิตช์ เราเตอร์ และอุปกรณ์ที่คล้ายกันได้อย่างมาก
• เต้ารับแนวนอนทรงต่ำ เช่น IX60G-A-10P มีความสูง 5.7 มม. ซึ่งสูงน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของคอนเนคเตอร์ RJ45 ทำให้เหมาะกับการใช้งาน เช่น เซ็นเซอร์
• เต้ารับแนวตั้ง เช่น IX80G-A-10P สามารถเชื่อมต่อจากด้านบนได้ ทำให้นักออกแบบมีความยืดหยุ่นมากขึ้น

รูปที่ 3: เต้ารับ ix Industrial มีให้เลือกทั้งแบบแนวตั้งตรง แนวตั้ง และแนวนอน (ด้านบน ซ้าย และด้านล่างตามลำดับ) ปลั๊กคอนเนคเตอร์มีทั้งแบบตรงและแบบมุมฉาก (แหล่งที่มาภาพ: Hirose)

ปลั๊กมีให้เลือกทั้งแบบตรง เช่น IX40G-B-10S-CV(7.0) หรือมุมฉากเช่น IX30G-A-10S-CVL2(7.0) . ตัวเลือกมุมฉากนั้นมีความสำคัญเป็นพิเศษ เนื่องจากจะลดความสูงของการเชื่อมต่อและทำให้เดินสายเคเบิลในพื้นที่แคบได้ง่ายขึ้น ตัวอย่างเช่น ปลั๊กเหล่านี้สามารถลดปัญหาที่เกี่ยวข้องกับรัศมีการโค้งงอของสายเคเบิลให้เหลือน้อยที่สุด และอำนวยความสะดวกในการต่อสายโซ่แบบเดซี่ความหนาแน่นสูง

ความยืดหยุ่นทางกลและไฟฟ้า

ออกแบบมาเพื่อทนต่อสภาวะทางอุตสาหกรรม คอนเนคเตอร์ ix Industrial มีโครงสร้างที่ทนทานต่อการสั่นสะเทือน การกระแทก และ EMI โดยกล่องเต้ารับถูกติดตั้งเข้ากับแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) ผ่านทางขาบัดกรีทะลุรูห้าขา ซึ่งเป็นการสร้างการเชื่อมต่อทางกายภาพที่มั่นคงซึ่งต้านทานการบิดและการดึง เพื่อปกป้องหน้าสัมผัสสัญญาณ นอกจากนี้ยังให้การเชื่อมต่อที่แข็งแกร่งระหว่างกล่องเต้ารับและระนาบกราวด์ของบอร์ดอีกด้วย

กล่องปลั๊กประกอบด้วยชุดปลายสายและแคลมป์รัดสายในตัว (รูปที่ 4) เพื่อป้องกันไม่ให้ส่วนเชื่อมต่อของชุดสายเคเบิลได้รับผลกระทบจากโหลดบนสายเคเบิล กล่องติดกันและสัมผัสโดยตรงกับสปริงกราวด์ของเต้ารับ ทำให้เกิดเกราะป้องกัน 360 องศาต่อ EMI อย่างต่อเนื่อง

รูปที่ 4: ปลั๊ก ix Industrial หุ้มอุปกรณ์ปลายสายด้วยกล่องที่ป้องกันความเสียหายทางกายภาพและ EMI (แหล่งที่มาภาพ: Hirose)

คอนเนคเตอร์ยังมีกลไกการล็อคแบบสแน็ปอินที่แข็งแกร่งซึ่งให้การคลิกด้วยเสียงและสัมผัส กลไกการล็อคแบบบวกนี้รับประกันการเชื่อมต่อที่ปลอดภัยแม้ในสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนหนัก และช่วยให้คอนเนคเตอร์ทนทานต่อรอบการเชื่อมต่อ 5,000 รอบ

Hirose ยังมีคอนเนคเตอร์ ix Industrial หลายรุ่นที่มีหน้าสัมผัสแพลเลเดียม-นิกเกิลอีกด้วย ตัวอย่างเช่น IX30G-A-10S-CV(7.0)(01) ปลั๊กใช้หน้าสัมผัสที่มีแพลเลเดียม-นิกเกิล 0.75 ไมโครเมตร (μm) บวกกับการชุบทอง 0.05 μm หน้าสัมผัสเหล่านี้มีความทนทานมากกว่าหน้าสัมผัสทองคำมาตรฐาน และมีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีรอบการเชื่อมต่อบ่อยครั้ง

ลดความซับซ้อนในการประกอบและการทดสอบ

Hirose ขอแนะนำให้ใช้สายเคเบิลที่มีขนาดสายไฟระหว่าง 22 ถึง 28 American Wire Gauge (AWG) เพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อมีคุณภาพสูง สายไฟสามารถเชื่อมต่อได้โดยการบัดกรีหรือการเชื่อมต่อแบบแทนที่ฉนวน (IDC) โดยแนะนำให้ใช้ IDC สำหรับปลั๊กเชื่อมต่อหน้างาน วิธีเชื่อมต่อนี้ใช้เครื่องมือการย้ำสายเช่น HT803/IXG-8/10S-63-72 เพื่อตัดผ่านฉนวนลวดและเชื่อมต่อในคราวเดียว

เพื่อการเชื่อมต่อที่ทนทานและมีคุณภาพสูงที่สุด แนะนำให้ใช้การบัดกรี Hirose มีปลั๊กให้เลือกหลายแบบ เช่น IX40G-A-10S-CV(7.0) ที่รองรับวิธีการเข้าสายเชื่อมต่อนี้

เพื่อทดสอบสายเคเบิลและส่วนประกอบ Hirose นำเสนอชุดอแดปเตอร์ DSX-CHA-5-IX-S สำหรับ Amprobe (บริษัท Fluke Networks) DSX CableAnalyzer โดยช่างเทคนิคสามารถรับประกันการทำงานที่เหมาะสมและลดความซับซ้อนในการวินิจฉัยปัญหาใดๆ ได้ด้วยการใช้เครื่องวิเคราะห์นี้

สรุป

นักออกแบบสามารถใช้คอนเนคเตอร์ ix Industrial เพื่อให้ได้พอร์ตที่มีความหนาแน่นและความน่าเชื่อถือสูงในการใช้งานในโรงงานอัจฉริยะ ด้วยมาตรฐานภายใต้ IEC 61076-3-124 นักออกแบบจึงมั่นใจได้ถึงความสามารถในการทำงานร่วมกันระหว่างผู้ผลิต ตัวเลือกปลั๊กและเต้ารับที่หลากหลายช่วยให้นักออกแบบสามารถเลือกการติดตั้งและการวางแนวการจัดเส้นทางสายเคเบิลเพื่อลดขนาดพื้นที่ของอุปกรณ์ หลีกเลี่ยงความเครียดของสายเคเบิล และได้แบนด์วิธสูงโดยมีความเสี่ยงต่อการรบกวนน้อยที่สุด

บทความแนะนำ

1. วิธีปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านการเชื่อมต่อที่มีความหนาแน่นสูงและแข็งแกร่งของอุตสาหกรรม 4.0