Como usar cabos USB-C industriais para garantir a interoperabilidade, reduzir custos e melhorar a confiabilidade

As instalações industriais são uma teia cada vez mais complexa de fiação, incluindo redes para nós de Internet das Coisas (IoT) ao lado da interconexão eletrônica digital. Enquanto a rede digital é padronizada usando protocolos com fio como Ethernet e BACnet, e protocolos de rede sem fio como Wi-Fi e Bluetooth, a interconexão digital entre computadores de controle como computadores de placa única (SBCs) ou controladores lógicos programáveis (PLCs), e periféricos como sensores ou atuadores, pode variar muito.

Confundindo ainda mais, as interconexões podem usar uma variedade de cabos, conectores e pinagens que parecem muito semelhantes, mas são totalmente incompatíveis.

O ônus está sobre os projetistas de sistema em reduzir essas incompatibilidades e assegurar a interoperabilidade, ao mesmo tempo em que reduz os custos, acelera a montagem do sistema e melhora a confiabilidade, apesar das duras condições do ambiente industrial. Uma maneira de conseguir isso é padronizar um cabo de conexão USB-C com classificação IP67 ou IP68. Isto pode facilitar muito a vida dos técnicos, melhorando a compatibilidade dos cabos de conexão em uma gama de equipamentos.

Este artigo descreve os problemas de interconexão digital em aplicações industriais e como a padronização em cabos e conectores USB-C para interconexão digital simples pode resolver muitos desses problemas. Em seguida, introduz uma variedade de conectores USB-C e cabos de conexão com características únicas, incluindo conformidade IP67, da PEI-Genesis, Amphenol LTW e Bulgin, antes de discutir como eles podem fornecer conectividade universal, confiável e robusta para aplicações computador-a-sensor/atuador.

Interconexão digital na automação industrial

Os equipamentos industriais são gerenciados por computadores de controle, que podem ser um SBC, um PLC ou um laptop próximo. O computador de controle muitas vezes se conecta aos dispositivos próximos necessários ao equipamento, que podem ser amplamente definidos como sensores. Estes incluem interruptores, sensores ópticos e ambientais; e atuadores tais como motores, solenóides ou luzes. Para a maioria dos equipamentos industriais pesados, os projetistas do fabricante do equipamento selecionam o tipo de conector utilizado para as extremidades dos cabos e selecionam o protocolo elétrico utilizado. Para um controle industrial personalizado, os engenheiros e técnicos selecionam e instalam o computador, atuadores, sensores, conectores e cabos. Uma vez selecionado o tipo de conector e o protocolo elétrico, ele não pode ser alterado posteriormente sem um longo e caro processo de readequação. Como tal, ao planejar a operação industrial, é importante decidir que tipo de interconexão digital usar para sensores e atuadores muito cedo no processo de projeto. Como em qualquer sistema que faça amplo uso de sistemas digitais interconectados, quanto maior a operação, mais tempo e dinheiro podem ser economizados com a padronização de equipamentos, incluindo cabos.

Ao montar ou reconfigurar o equipamento, os técnicos devem ter o cabeamento adequado prontamente disponível com terminações de conectores compatíveis. À primeira vista, dois cabos de conexão eletricamente incompatíveis podem ter a mesma aparência e podem até ter conectores similares que parecem quase encaixar, mas não encaixam. Esta compatibilidade não óbvia pode frustrar os técnicos e atrasar a implantação do sistema. Mesmo ao utilizar cabos adequados, podem ser necessárias várias tentativas para orientar adequadamente um conector polarizado não-reversível no cabo para o equipamento, a fim de garantir uma conexão robusta. Em um ambiente com pouca luz ou onde a velocidade de implantação é essencial, a padronização em um único cabo de conexão reduz a frustração, ao mesmo tempo em que garante a interoperabilidade entre as máquinas. Isto não só economiza tempo, mas também economiza custos, pois os cabos de conexão podem ser adquiridos a granel.

Vantagens do USB-C para interconexão digital

Para resolver o problema da onipresente interconexão digital, os cabos de conexão USB-C são adequados para a maioria das aplicações entre equipamentos industriais. Os plugues e receptáculos USB-C são conectores de lâmina dupla sem guia de polarização, mas são rotativamente simétricos. Isto garante uma conexão robusta na primeira inserção, economizando tempo e frustração, de modo que os técnicos não tenham mais que se esforçar para orientar corretamente um conector polarizado. Os cabos USB-C também podem fornecer energia para o sensor ou atuador, uma vantagem adicional.

Uma instalação industrial pode padronizar os cabos e conectores USB-C para a maioria das interconexões digitais entre computadores de controle e os sensores e atuadores, simplificando o inventário dos cabos de conexão e a interoperabilidade dos conectores. Os cabos e conectores industriais IP67 USB-C são resistentes e podem suportar calor, solventes e líquidos comumente encontrados em instalações industriais severas. Os cabos industriais USB-C também são construídos para minimizar a perda de energia e de sinal e são mais tolerantes aos abusos das forças de dobra e torção.

Os conectores USB-C podem suportar USB 2.0 e USB 3.1. O padrão USB-C exige que as portas USB 3.1 e os cabos de conexão sejam compatíveis com as velocidades USB 2.0 de 480 megabits por segundo (Mbits/s). Isto evita problemas de compatibilidade, permitindo que as portas USB 2.0 utilizem os mesmos cabos de conexão que o USB 3.1. No entanto, o USB 3.1 permite velocidades muito mais altas. Os cabos de conexão USB 3.1 da geração 1 suportam até 5 gigabits por segundo (Gbits/s), enquanto os cabos de conexão USB da geração 2 suportam até 10 Gbits/s. Para identificar a velocidade de transmissão, os cabos de conexão com conectores USB-C em cada extremidade são exigidos pela especificação USB a ter um chip embutido com marcador eletrônico na capa conectora que identifica a potência máxima e a velocidade de transmissão de dados do cabo de conexão. Os dados no chip com marcador eletrônico são lidos pelo host USB na primeira inserção e informa a ele sobre a velocidade máxima de transmissão do cabo, assegurando que o host USB envie os dados corretamente. Os cabos de conexão USB-C que suportam apenas velocidades USB 2.0 não necessitam ter um chip marcador, portanto, se nenhum dado do chip for enviado, o host USB enviará dados a 480 Mbits/s.

O padrão USB-C permite uma potência máxima de 3 amperes (A) a 5 volts CC para um total de 15 watts de potência. Este é o padrão para cabos de conexão USB comuns. Entretanto, a especificação para USB 3.1 ger. 1 e posteriores permite 5 A a 20 volts para 100 watts de potência. Os cabos de conexão USB-C projetados para fornecimento de energia USB 3.1 devem conter um chip marcador que identifique a capacidade de fornecimento de energia ou o host USB terá como padrão 15 watts. Isto melhora a segurança ao evitar condições de sobrecarga de energia que poderiam destruir o cabo.

Embora o foco aqui seja a padronização dos cabos de conexão USB-C para interconexão digital, é importante estar ciente de que existem três capacidades dos cabos de conexão:

1. Modo USB 2.0: sem marcador eletrônico, pode fornecer 15 watts de potência e 480 Mbits/s de dados
2. USB 3.1 ger. 1: marcador eletrônico, fornece 100 watts de potência e 5 Gbits/s de dados
3. USB 3.1 ger. 2: marcador eletrônico, fornece 100 watts de potência e 10 Gbits/s de dados

Se um cabo USB-C de menor capacidade for usado com hosts e dispositivos USB-C de maior capacidade devidamente configurados, o host USB irá alternar a energia e os dados para a capacidade inferior. Isto aumenta a segurança ao evitar uma sobrecarga de energia no cabo, enquanto melhora a confiabilidade ao assegurar taxas de dados compatíveis. Uma instalação pode simplificar ainda mais esta situação utilizando apenas o padrão que fornece a potência máxima necessária e o fornecimento dos dados. A menos que uma instalação de automação industrial esteja realizando operações com alto volume de dados, como streaming de vídeo ao vivo, a padronização em cabos de conexão USB 3.1 ger. 1 pode ser uma escolha segura. Normalmente, são especificados cabos USB 3.1 ger. 1 de 5 Gbit/s para um máximo de 2 metros (m), o que é suficiente para que os computadores de controle possam se conectar aos sensores e atuadores próximos. Se houver a necessidade de enviar dados de 10 Gbit/s de forma confiável, os cabos USB 3.1 ger. 2 são especificados para um máximo de 1 m, pois enviar 10 Gbits/s através de cabos mais longos pode causar perda de dados ao longo do comprimento do cabo devido à reflexão ou atenuação do sinal.

Cabos de conexão USB-C

Para os projetistas que esperam enviar dados de alta velocidade em um ambiente severo, há uma série de soluções robustas e confiáveis. Por exemplo, a PEI-Genesis fornece o cabo de conexão IPUSB-31WPCPC-1M Sure-Seal® IP67 USB 3.1 ger. 2 (Figura 1). O cabo tem 1 m de comprimento e é dimensionado para operação acima de -20 °C a +85 °C, apropriado para a maioria dos ambientes industriais adversos. A jaqueta do cabo é feita de resina de policloreto de vinila (PVC) que tem excelente resistência à água e tolerância aos raios ultravioletas (UV). As jaquetas comerciais podem rachar ou descolorir sob exposição prolongada à luz solar.

Figura 1: O Sure-Seal® IPUSB-31WPCPC-1M é um cabo de conexão USB-C de 1 m feito para aplicações industriais. O conector com a junta da contraporca proporciona uma conexão segura IP67 à prova d'água a um sensor ou atuador. As dimensões mostradas são em milímetros. (Fonte da imagem: PEI-Genesis)

O IPUSB-31WPCPC-1M tem um conector de plugue USB-C padrão em uma extremidade feito de resina PVC moldada com um plugue USB-C de aço inoxidável. Esta extremidade se conecta a um conector host USB no SBC ou PLC. A outra extremidade tem um plugue moldado selado com uma contraporca de náilon e uma junta de borracha. Isto fornece um selo IP67 robusto e seguro para o sensor ou atuador.

O Sure-Seal IPUSB-31WPCPC-1M contém um chip com marcador eletrônico embutido que identifica sua capacidade para o equipamento conectado. O chip marcador opera em toda a faixa de -20 °C a +85 °C do cabo de conexão. Isto garante que o cabo possa ser devidamente identificado, mesmo quando o equipamento é ligado em qualquer temperatura extrema.

Conectividade USB-C em ambientes extremos

Para ambientes extremamente adversos, a Amphenol LTW oferece o cabo de conexão UC30FL-NCML-SC01 USB-C de um metro (Figura 2). Todo o comprimento do cabo é rodeado por um conduíte de plástico de polipropileno (PP) que oferece proteção adicional contra choques, forças de corte e deformação por curvatura nos cantos. O conduíte também oferece proteção para o cabo fechado quando sob extrema vibração. O conduíte é colado em cada extremidade do cabo e não pode ser removido.

Figura 2: O cabo de conexão USB-C UC30FL-NCML-SC01 está envolvido por um conduíte de PP que protege o cabo fechado contra choques e vibrações severas. As dimensões são em milímetros. (Fonte da imagem: Amphenol LTW)

O cabo de conexão tem um conector de host USB-C comum em uma extremidade que se conecta ao host USB. A outra extremidade tem um conector circular para trabalho pesado com um alívio de tensão reforçado. Possui um plugue moldado selado com uma junta de silicone fixada por uma contraporca de náilon. Isto proporciona uma vedação à prova d'água, hermética e resistente à maioria dos produtos químicos. O cabo e o conector circular são classificados como IP67, tanto acoplados como não-acoplados, protegendo o plugue circular USB-C do ambiente, mesmo quando não está conectado.

O UC30FL-NCML-SC01 é resistente ao fogo segundo a UL94V-0, o que significa que o cabo de PP pode suportar até 10 segundos de chama. O cabo de PP também é resistente a óleos, gasolina e a maioria dos solventes. Cada plugue pode operar acima de -40 °C a +85 °C, enquanto a contraporca de náilon e o conduíte de PP pode suportar temperaturas mais altas, de -40 °C a +115 °C. Isto torna este cabo de conexão particularmente apropriado para conexão a sensores e atuadores em motores e geradores industriais a gasolina.

O chip embutido com marcador eletrônico identifica o cabo como compatível para transferências de dados de 5 Gbit/s, apropriado para geradores de gasolina de alta velocidade que precisam monitorar constantemente o funcionamento do motor para maximizar a eficiência.

Sensores USB em aplicações marítimas

Em alguns casos, o computador de controle do equipamento tem um conector USB-A, mas precisa se conectar a um conector USB-C. Isto requer um cabo como o cabo de conexão PXP4040/C/A/2M00 USB-A para USB-C da Bulgin (Figura 3). Este cabo tem um plugue USB-A em uma extremidade e um plugue circular USB-C na outra e opera acima de -40 °C a +80 °C. O conector e o cabo USB-C podem operar por duas semanas, se forem submersos em 10 m de água. Também é resistente à água salgada, tornando-o apropriado para equipamentos marítimos, incluindo máquinas industriais a bordo de navios-tanque e navios de carga. O cabo de conexão é classificado como IP68, exceto pelo conector USB-A, que é classificado como IP66.

Figura 3: O PXP4040/C/A/2M00 tem um plugue USB-A em uma extremidade e um plugue USB-C na outra. É resistente à água salgada e o plugue USB-C pode suportar a imersão em 10 m de água por até duas semanas. (Fonte da imagem: Bulgin)

O Bulgin PXP4040/C/A/2M00 também tem uma classificação de inflamabilidade da UL94V-0. A jaqueta do cabo é feita de resina PVC, tornando-a adequada para aplicações em convés marítimo.

A carcaça do cabo USB-C é feita de policarbonato-tereftalato de polibutileno (PC/PBT), um material de alta resistência frequentemente usado em pára-choques de carros. A capa do conector PC/PBT tem alta resistência a produtos químicos e tem flexibilidade suficiente para tolerar altos impactos em temperaturas frias de até -40 °C. Mesmo quando atingido com muita força, o conector resistirá à fratura e rachará de forma sutil. Isto fornece resistência contra violações para sensores de segurança USB, incluindo ataques de congelamento onde um conector é rapidamente congelado e depois golpeado com um martelo.

A especificação USB-C não permite que um chip marcador seja embutido em um cabo que tenha um plugue USB-A em uma extremidade. Este cabo de conexão é especificado para fornecer até 5 A e suportar uma taxa de dados de até 5 Gbit/s em seus 2 m de comprimento, embora alguns periféricos USB-C possam notar a ausência de um chip marcador e o defini-lo para 480 Mbits/s.

Conclusão

A padronização em cabos de conexão USB-C para interconexão digital em um ambiente industrial simplifica o inventário de cabos e proporciona conectividade rápida e fácil devido ao design rotacionalmente simétrico do plugue e do receptáculo. Os cabos USB-C podem identificar sua potência e capacidade de transferência de dados para o computador de controle do host para evitar a perda de dados e condições perigosas de sobrecarga de energia. A seleção adequada e o uso de um cabo de conexão USB-C apropriado em sistemas industriais também pode melhorar a confiabilidade, reduzir a manutenção e diminuir o custo total.