Como atender aos requisitos de alta densidade e conectividade robusta da indústria 4.0

A necessidade de conectividade Ethernet de alta densidade, rápida e confiável está crescendo em aplicações da indústria 4.0 como robótica, visão de máquina, controladores, servoamplificadores e servidores. As conexões Ethernet nos dispositivos da indústria 4.0 precisam suportar velocidades de comunicação de até 10 gigabits por segundo (Gbits/s), ser protegidas contra interferência eletromagnética (EMI), fornecer mecanismos de acoplamento e travamento seguros para evitar a remoção acidental de cabos, ser capazes de suportar condições de alta vibração e ter uma longa vida útil de acoplamento/desacoplamento. Estes conectores devem ser suficientemente compactos para suportar as crescentes densidades de interconexão e de sistema das aplicações da indústria 4.0.

Embora os conectores Ethernet RJ45 antigos possam satisfazer alguns desses requisitos, eles são relativamente volumosos e não oferecem a flexibilidade de instalação necessária para os projetos atuais.

Para enfrentar estes desafios, os projetistas podem, em vez disso, recorrer a conectores industriais ix para cabos Ethernet de alta velocidade, incluindo Cat5e (1 Gbit/s) e Cat6a (10 Gbit/s). Estes conectores são 75% menores que os conectores RJ45, proporcionam altos níveis de proteção contra EMI e compatibilidade eletromagnética (EMC) para transmissões seguras de dados, e cumprem os requisitos da IEC 61076-3-124.

Este artigo começa com uma comparação das opções de conectores industriais RJ45 e ix. Em seguida, analisa os conectores ix tipo A e tipo B para conectividade Ethernet e não-Ethernet, e analisa a variedade de opções de configuração disponíveis para conectores ix, com alguns conectores representativos da Hirose. Finaliza apresentando ferramentas para a montagem e teste dos cabos ix para garantir a correta implementação.

RJ45 versus conectores ix

Muitas aplicações da indústria 4.0 precisam de conectividade modular para uma rápida implantação e reconfiguração. Esses sistemas muitas vezes combinam equipamentos antigos com novos projetos. Eles utilizam Ethernet industrial de alta velocidade e outros protocolos que exigem interoperabilidade e alta disponibilidade. Os chamados conectores RJ (registered jack) são comuns em equipamentos antigos, com conectores RJ45 de oito pinos e oito contatos (8P8C) para conectividade Ethernet básica.

Os sistemas emergentes da indústria 4.0 requerem aumentos nas densidades de interconexão e flexibilidade. Além de serem 75% menores que as soluções RJ45, os conectores ix permitem a montagem paralela de 10 milímetros (mm) de passo, e seis conectores ix podem caber no mesmo espaço da placa de circuito impresso (pci) que três conectores RJ45 (Figura 1).

Figura 1: Seu passo de montagem de 10 mm permite que seis conectores ix se encaixem no mesmo espaço da pci que três conectores RJ45. (Fonte da imagem: Hirose)

Resistente e robusto

A IEC 61076-3-124 fornece as especificações para as dimensões, características mecânicas, elétricas, de transmissão e requisitos ambientais para os conectores ix. Os conectores ix da Hirose vão além da IEC 61076-3-124 e atendem às exigências da JIS E4031, a norma industrial japonesa para testes de choque e vibração de equipamentos ferroviários de material rodante. Eles também atendem ao padrão de interface da câmera GigE Vision que suporta o uso de Gigabit Ethernet para transferência rápida de imagem usando cabos padrões muito longos e de baixo custo. Seus contatos de alta corrente suportam o uso de aplicações PoE (power over Ethernet ou alimentação via Ethernet) e PoE+ como especificado em IEEE 802.3af e IEEE 802.3at.

O sistema de conectores ix foi projetado com aplicações industriais em mente desde o início, enquanto o conector RJ45 foi inicialmente desenvolvido para uso com equipamentos de telecomunicações para consumidores e empresas e foi adaptado para uso em ambientes industriais. Por exemplo, os conectores ix possuem dois ganchos de travamento de encaixe feitos de metal que fornecem tanto resposta tátil quanto audível para confirmar uma conexão segura entre o plugue e o soquete. Os conectores industriais RJ45 têm um único gancho de travamento.

O projeto da carcaça dos soquetes de conectores ix proporciona robustez mecânica e melhora o desempenho EMC. Estes soquetes têm cinco abas de retenção de furo passante, duas em cada lado e uma na parte traseira entre os dois conjuntos de contatos de sinal, enquanto os conectores RJ45 têm apenas três abas. As abas nos soquetes de conectores ix também são mais robustas em comparação com as abas nos soquetes RJ45. Quando soldadas na pci, as abas do soquete ix protegem os contatos de sinal da tensão mecânica, quando um plugue é acoplado ou desacoplado. Elas também aumentam a capacidade do soquete de resistir a choques e vibrações. As abas soldadas se conectam diretamente ao potencial terra na pci, reforçando a proteção contra EMI (Figura 2).

Figura 2: Cinco abas de furo passante no soquete protegem os contatos de sinal, melhoram o desempenho de choque e vibração e melhoram o desempenho EMC dos conectores ix. (Fonte da imagem: Hirose)

O uso de sistemas modulares e reconfiguráveis está mudando as expectativas de desempenho dos conectores. Os conectores não são mais deixados no lugar durante a vida útil de uma instalação. As estações de produção, ferramentas e outros componentes do sistema precisam ser reajustados com frequência para suportar a personalização em massa que é uma característica marcante da Indústria 4.0. Como resultado, um conector pode ser conectado e desconectado centenas ou milhares de vezes durante sua vida útil. Os conectores ix da Hirose são projetados e testados para 5.000 ciclos de conexão e ainda cumprem todos os requisitos de desempenho da IEC 61076-3-124.

Conexões não-Ethernet

A IEC 61076-3-124 suporta conectividade Ethernet e não-Ethernet. Para evitar conexões errôneas, são utilizados esquemas separados de codificação mecânica rotulados 'A' e 'B' para conectores ix de Ethernet e não-Ethernet, respectivamente (Figura 3):

• Os conectores ix tipo "A" são capazes de lidar com taxas de transmissão de até 10 Gbits/s. Eles podem suportar PoE e PoE+, e são identificáveis por um chanfro de polarização de 45° no canto inferior esquerdo do soquete.
• Os conectores ix tipo 'B' são projetados para uso em todas as aplicações não-Ethernet, tais como sinalização e vários protocolos de comunicação serial e outros protocolos industriais. Eles podem ser identificados por um chanfro de 45° localizado no canto superior esquerdo do soquete.

Figura 3: Os conectores ix estão disponíveis com dois projetos de codificação mecânica para evitar a inserção de um conector Ethernet em um soquete não-Ethernet e vice-versa. (Fonte da imagem: Hirose)

Flexibilidade de integração

Esses conectores também aprimoram a flexibilidade da integração do sistema. Os cabos podem ser conectados a soquetes de conectores ix por solda ou IDC (insulation displacement connections ou conexões de deslocamento de isolamento). As conexões de solda podem agilizar a produção dos cabos de conexão em um ambiente de fábrica. As conexões IDC são frequentemente usadas para produzir cabos de conexão no campo e podem reduzir o tempo de instalação em até 50% devido a menos tarefas para desencapar, trançar ou soldar os fios. Há quatro famílias de conectores correspondentes, identificadas como 30, 31, 32 e 40. As três primeiras suportam diferentes tamanhos de cabos IDC, sendo que a quarta é usada para conexões de solda:

• 30: IDC usando bitolas de fios AWG (American wire gauge) 26 a 28, com um diâmetro externo do isolante que varia de 0,95 a 1,05 mm
• 31: IDC usando bitolas de fios AWG 24 a 25, com um diâmetro externo do isolante que varia de 1,1 a 1,25 mm
• 32: IDC usando fio de AWG 22, com um diâmetro externo do isolante que varia de 1,4 a 1,6 mm
• 40: Soldado à mão

A Hirose também oferece conectores ix com três configurações de receptáculo e três configurações de plugue para atender às necessidades específicas da aplicação (Figura 4). As configurações do receptáculo incluem:

• Ângulo reto vertical que pode ser montado em paralelo com uma distância de passo de 10 mm para economizar espaço na placa em sistemas de alta densidade
• O tipo vertical permite que o conector seja acoplado a partir do topo
• O receptáculo de perfil baixo com ângulo reto tem 5,7 mm de altura, menos da metade da altura de um conector RJ45

As configurações dos plugues incluem:

• Cabeamento reto
• Cabeamento em ângulo reto para cima
• Cabeamento em ângulo reto para baixo

Figura 4: Os receptáculos estão disponíveis em três estilos; um estilo diferente é mostrado em cada uma das três placas de circuito. Cada placa de circuito inclui os três estilos de plugues de conexão ix. (Fonte da imagem: Hirose)

Exemplos de conectores ix

Além das configurações e opções detalhadas acima, a Hirose oferece aos projetistas uma seleção de metalização de ouro ou metalização de níquel-paládio mais metalização de ouro nas superfícies de contato. Exemplos das dezenas de conectores ix da Hirose incluem:

IX80G-B-10P(01), receptáculo vertical tipo B com 0,75 micrômetros (μm) de níquel-paládio mais 0,05 μm de metalização de ouro

IX80G-A-10P(01), receptáculo vertical tipo A com 0,75 μm de níquel-paládio mais 0,05 μm de metalização de ouro

IX61G-B-10P, receptáculo de ângulo reto tipo B para cima com 0,2 μm de metalização de ouro

IX60G-A-10P, receptáculo de ângulo reto tipo A com 0,2 μm de metalização de ouro

IX31G-A-10S-CV(7.0), plugue reto tipo A com 0,2 μm de metalização de ouro

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), plugue tipo A de ângulo reto para cima com 0,2 μm de metalização de ouro

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), plugue tipo B de ângulo reto para baixo com 0,2 μm de metalização de ouro

Montagem em campo

É necessária alta disponibilidade em aplicações industriais Ethernet, e a montagem do cabeamento em campo pode ser uma consideração importante. Isso pode agilizar a instalação de equipamentos, especialmente em arquiteturas modulares para facilitar a rápida substituição dos cabos de conexão que tenham se desgastado ou danificado. Para atender à necessidade de montagem em campo, a Hirose oferece a ferramenta de montagem de cabos HT803/IXG-8/10S-63-72 que pode ser usada com conectores ix IX30G, IX31G e IX32G IDC (Figura 5). É uma ferramenta combinada para prensar o cabo e o plugue juntos e estampar a capa de proteção sobre o conjunto. No caso dos conectores soldados IX40G, ela é usada apenas para estampagem.

Figura 5: Esta ferramenta manual permite a manufatura em campo dos cabos de conexão ix. (Fonte da imagem: Hirose Electric)

Esta ferramenta para montagem de cabos foi projetada para trabalhar com cabos blindados de AWG 22 a 28 com cabos flexíveis de cobre recozido de sete fios e diâmetro externo de isolação de 6,3 a 7,2 mm. A operação é rápida e simples.

Crimpagem: Coloque o plugue na ferramenta com a chave de codificação virada para cima e insira o cabo dentro do plugue. Aperte o punho da ferramenta para completar a crimpagem. A ferramenta inclui um mecanismo de catraca para garantir que ela não se abra até que tenha sido aplicada pressão suficiente para produzir uma boa conexão crimpada. A catraca se libera automaticamente quando a pressão necessária é atingida.

Estampagem: Coloque uma carcaça de proteção e alojamento dentro da ferramenta (um recorte especial é fornecido para garantir a colocação adequada). Como no processo de crimpagem, coloque o plugue na ferramenta com a chave de codificação virada para cima. Aperte o punho da ferramenta até que a catraca se solte para completar a estampagem.

Os testes são importantes

Pode haver várias razões para testar cabos Ethernet no campo. Durante a instalação inicial do equipamento ou a substituição dos cabos existentes, os testes podem certificar que o cabo atende a todos os requisitos de desempenho. O teste de cabos também é útil na resolução de problemas em instalações para identificar a origem de um problema. Pode haver numerosas fontes de falhas em uma rede Ethernet, incluindo falhas em conectores, cabos ou carcaças quebradas, além de maior suscetibilidade à EMI.

O DSX-CHA-5-IX-S da Hirose é um conjunto de dois adaptadores otimizados para agilizar os testes em campo de conectores ix e cabos de conexão (Figura 6). Foi projetado para uso com os testadores DSX CableAnalyzer da Fluke Networks. Testes minuciosos das especificações IEEE 802.3 utilizando estes adaptadores podem fornecer resultados de aprovação/reprovação, junto com diagnósticos extensivos para agilizar a identificação de quaisquer problemas.

Figura 6: O adaptador DSX-CHA-5-IX-S agiliza o teste em campo dos conectores ix e cabos de conexão. (Fonte da imagem: Fluke)

Conclusão

Os projetistas podem usar conectores ix para dar suporte a necessidade de alta densidade e conectividade robusta em sistemas da indústria 4.0. Estes conectores estão disponíveis em configurações Ethernet e não-Ethernet, com várias configurações mecânicas disponíveis para suportar uma gama de necessidades de projeto de sistemas. As conexões de solda podem ser usadas em ambientes de produção de alto volume, enquanto os modelos IDC estão disponíveis para montagem de cabos em campo. Ferramentas e testadores também estão prontamente disponíveis para garantir que os cabos de conexão resultantes atendam a todos os requisitos de desempenho do ix.

Leitura recomendada

1. Alimentação via Ethernet (PoE) em automação industrial