Cómo cumplir con los requisitos de alta densidad y conectividad resistente de la Industria 4.0

La necesidad de una conectividad Ethernet de alta densidad, rápida y fiable es cada vez mayor en aplicaciones de la Industria 4.0 como la robótica, la visión artificial, los controladores, los servoamplificadores y los servidores. Las conexiones Ethernet de los dispositivos de la Industria 4.0 deben soportar velocidades de comunicación de hasta 10 gigabits por segundo (Gbits/s), estar protegidas de las interferencias electromagnéticas (EMI), ofrecer mecanismos de acoplamiento y bloqueo seguros para evitar la retirada involuntaria de los cables, ser capaces de soportar condiciones de alta vibración y tener una larga vida útil de acoplamiento/desacoplamiento. Estos conectores deben ser lo suficientemente compactos como para soportar las crecientes densidades de interconexión y de sistema de las aplicaciones de la Industria 4.0.

Aunque los conectores Ethernet RJ45 heredados pueden satisfacer algunos de estos requisitos, son relativamente voluminosos y no proporcionan la flexibilidad de instalación necesaria para los diseños actuales.

Para hacer frente a estos retos, los diseñadores pueden recurrir a los conectores industriales ix para cables Ethernet de alta velocidad, incluyendo Cat5e (1 Gbit/s) y Cat6a (10 Gbit/s). Estos conectores son un 75% más pequeños que los conectores RJ45, proporcionan altos niveles de protección EMI y compatibilidad electromagnética (EMC) para transmisiones de datos seguras, y cumplen los requisitos de la norma IEC 61076-3-124.

Este artículo comienza con una comparación de las opciones de conectores industriales RJ45 e ix. A continuación, examina los conectores ix de tipo A y de tipo B para la conectividad Ethernet y no Ethernet, y revisa la variedad de opciones de configuración disponibles para los conectores ix, junto con algunos conectores representativos de Hirose. Termina presentando herramientas para el montaje y la comprobación de los cables ix para garantizar su correcta aplicación.

Conectores RJ45 frente a ix

Muchas aplicaciones de la Industria 4.0 necesitan una conectividad modular para una rápida implantación y reconfiguración. Estos sistemas suelen combinar equipos antiguos con nuevos diseños. Utilizan Ethernet industrial de alta velocidad y otros protocolos que requieren interoperabilidad y alta disponibilidad. Los llamados conectores jack registrados (RJ) son habituales en los equipos heredados, con conectores RJ45 de ocho pines y ocho contactos (8P8C) para la conectividad Ethernet básica.

Los sistemas emergentes de la Industria 4.0 requieren un aumento de las densidades de interconexión y de la flexibilidad. Además de ser un 75% más pequeños que las soluciones RJ45, los conectores ix permiten un montaje en paralelo con un paso de 10 milímetros (mm) y seis conectores ix pueden caber en el mismo espacio de una placa de circuito impreso (placa pc) que tres conectores RJ45 (Figura 1).

Figura 1: Su paso de montaje de 10 mm permite que seis conectores ix quepan en el mismo espacio de la placa de circuito impreso que tres conectores RJ45. (Fuente de la imagen: Hirose)

Resistente y robusto

La norma IEC 61076-3-124 establece las especificaciones de las dimensiones, las características mecánicas, eléctricas y de transmisión y los requisitos medioambientales de los conectores ix. Los conectores ix de Hirose van más allá de la norma IEC 61076-3-124 y cumplen los requisitos de JIS E4031, la norma industrial japonesa para las pruebas de choque y vibración de los equipos de material rodante ferroviario. También cumplen el estándar de interfaz de cámara GigE Vision que admite el uso de Gigabit Ethernet para una rápida transferencia de imágenes mediante cables estándar muy largos y de bajo costo. Sus contactos de alta corriente admiten el uso de aplicaciones de alimentación a través de Ethernet (PoE) y PoE+, tal como se especifica en IEEE 802.3af e IEEE 802.3at.

El sistema de conectores ix se diseñó desde el principio pensando en las aplicaciones industriales, mientras que el conector RJ45 se desarrolló inicialmente para su uso en equipos de telecomunicaciones de consumo y empresariales y se ha adaptado para su uso en entornos industriales. Por ejemplo, los conectores ix tienen dos ganchos de cierre a presión de metal que proporcionan una respuesta háptica y audible para confirmar una conexión segura entre el enchufe y la toma. Los conectores industriales RJ45 tienen un único gancho de bloqueo.

El diseño de la carcasa de las tomas de los conectores ix proporciona resistencia mecánica y mejora el rendimiento de la compatibilidad electromagnética. Estas tomas tienen cinco lengüetas de retención de agujeros pasantes, dos a cada lado y una en la parte trasera entre los dos conjuntos de contactos de señal, mientras que los conectores RJ45 solo tienen tres lengüetas. Las lengüetas de las tomas de los conectores ix también son más resistentes en comparación con las lengüetas de los tomas RJ45. Cuando se sueldan a la placa de circuito impreso, las lengüetas de la toma ix protegen los contactos de señal de la tensión cuando se acopla o desacopla un enchufe. También aumentan la capacidad de la toma de corriente para soportar golpes y vibraciones. Las lengüetas soldadas se conectan directamente a tierra en la placa de circuito impreso, lo que mejora la protección contra la EMI (Figura 2).

Figura 2: Cinco lengüetas pasantes en el zócalo protegen los contactos de señal, mejoran el rendimiento frente a golpes y vibraciones, y mejoran el rendimiento CEM de los conectores ix. (Fuente de la imagen: Hirose)

El uso de sistemas modulares y reconfigurables está cambiando las expectativas de rendimiento de los conectores. Los conectores ya no se dejan en su sitio durante toda la vida de una instalación. Las estaciones de producción, las herramientas y otros componentes del sistema deben poder reorganizarse con frecuencia para apoyar la personalización masiva que es una característica definitoria de la Industria 4.0. Por ello, un conector puede enchufarse y desenchufarse cientos o miles de veces a lo largo de su vida útil. Los conectores ix de Hirose están diseñados y probados hasta 5000 ciclos de acoplamiento y siguen cumpliendo todos los requisitos de rendimiento de la norma IEC 61076-3-124.

Conexiones no Ethernet

La norma IEC 61076-3-124 admite la conectividad Ethernet y no Ethernet. Para evitar errores de conexión, se utilizan esquemas de codificación mecánica separados, etiquetados como "A" y "B", para los conectores Ethernet y no Ethernet ix, respectivamente (Figura 3):

• Los conectores "A" de tipo ix son capaces de manejar velocidades de transmisión de hasta 10 Gbits/s. Pueden soportar PoE y PoE+, y son identificables por un chaflán de polarización de 45° en la esquina inferior izquierda de la toma.
• Los conectores 'B' tipo ix están diseñados para su uso en todas las aplicaciones no Ethernet, como la señalización y varios protocolos de comunicación en serie y otros protocolos industriales. Se pueden identificar por un chaflán de 45° situado en la esquina superior izquierda del zócalo.

Figura 3: Los conectores ix están disponibles con dos diseños de codificación mecánica para evitar la inserción de un enchufe Ethernet en una toma no Ethernet y viceversa. (Fuente de la imagen: Hirose)

Flexibilidad de integración

Estos conectores también mejoran la flexibilidad de la integración del sistema. Los cables pueden conectarse a las tomas de los conectores ix mediante soldadura o utilizando conexiones por desplazamiento del aislamiento (IDC). Las conexiones soldadas pueden acelerar la producción de conjuntos de cables en un entorno de fábrica. Las conexiones IDC se utilizan a menudo para producir conjuntos de cables sobre el terreno y pueden reducir el tiempo de instalación hasta en un 50% debido a la reducción del pelado de cables, la torsión y la soldadura. Hay cuatro familias de conectores correspondientes, identificadas como 30, 31, 32 y 40. Los tres primeros admiten diferentes tamaños de cable IDC, y el cuarto se utiliza para conexiones soldadas:

• 30: IDC que utiliza cables de calibre americano (AWG) 26 a 28, con un diámetro exterior del aislador que oscila entre 0.95 y 1.05 mm
• 31: IDC utilizando tamaños de cable de 24 a 25 AWG, con un diámetro exterior del aislador de 1.1 a 1.25 mm
• 32: IDC con cable 22 AWG, con un diámetro exterior del aislante de 1.4 a 1.6 mm
• 40: Soldado a mano

Hirose también ofrece conectores ix con tres configuraciones de receptáculo y tres configuraciones de enchufe para adaptarse a las necesidades específicas de la aplicación (Figura 4). Las configuraciones de los receptores incluyen:

• Ángulo recto que puede montarse en paralelo con una distancia de paso de 10 mm para ahorrar espacio en la placa de circuito impreso en sistemas de alta densidad
• El tipo vertical permite que el conector se acople desde la parte superior
• El receptáculo de ángulo recto de bajo perfil tiene una altura de 5.7 mm, menos de la mitad de la altura de un conector RJ45

Las configuraciones de los enchufes incluyen:

• Cableado recto
• Cableado ascendente en ángulo recto
• Cableado descendente en ángulo recto

Figura 4: Los receptores están disponibles en tres estilos; se muestra un estilo diferente en cada una de las tres placas de circuito. Cada placa de circuito incluye los tres estilos de conectores ix. (Fuente de la imagen: Hirose)

ejemplos de conectores ix

Además de las configuraciones y opciones detalladas anteriormente, Hirose ofrece a los diseñadores una selección de chapado en oro o en paladio-níquel más chapado en oro en las superficies de contacto. Algunos ejemplos de las decenas de conectores ix de Hirose son:

IX80G-B-10P(01), receptáculo vertical tipo B con 0.75 micrómetros (μm) de paladio-níquel más 0.05 μm de chapado en oro

IX80G-A-10P(01), receptáculo vertical tipo A con 0.75 μm de paladio-níquel más 0.05 μm de chapado en oro

IX61G-B-10P, receptáculo de ángulo recto hacia arriba tipo B con recubrimiento de oro de 0.2 μm

IX60G-A-10P, receptáculo de ángulo recto tipo A con recubrimiento de oro de 0.2 μm

IX31G-A-10S-CV(7.0), enchufe recto tipo A con baño de oro de 0.2 μm

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), enchufe de ángulo recto hacia arriba tipo A con chapado en oro de 0.2 μm

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), clavija descendente en ángulo recto tipo B con chapado en oro de 0.2 μm

Montaje de campo

En las aplicaciones de Ethernet industrial se requiere una alta disponibilidad, y el montaje en campo del cableado puede ser una consideración importante. Puede agilizar la instalación de los equipos, especialmente en las arquitecturas modulares para facilitar la rápida sustitución de los conjuntos de cables que se hayan desgastado o dañado. Para satisfacer la necesidad de ensamblaje en campo, Hirose ofrece la herramienta de ensamblaje de cables HT803/IXG-8/10S-63-72 que puede utilizarse con los conectores IDC ix IX30G, IX31G e IX32G (Figura 5). Se trata de una herramienta combinada para engarzar el cable y el enchufe y prensar la carcasa protectora en el conjunto. En el caso de los conectores soldados IX40G, sólo se utiliza para el estampado.

Figura 5: Esta herramienta manual permite la fabricación in situ de conjuntos de cables ix. (Fuente de la imagen: Hirose Electric)

Esta herramienta de montaje de cables está diseñada para trabajar con cables apantallados de 22 a 28 AWG con hilos de cobre recocido de siete hebras con un diámetro de aislamiento exterior de 6.3 a 7.2 mm. El funcionamiento es rápido y sencillo.

Engarce: Coloque el enchufe en la herramienta con la llave de codificación hacia arriba e introduzca el cable en el enchufe. Apriete el mango para completar el crimpado. La herramienta incluye un mecanismo de trinquete para garantizar que no se abra hasta que se haya aplicado suficiente presión para producir una buena conexión engarzada. El trinquete se libera automáticamente cuando se alcanza la presión requerida.

Prensado: Coloque la carcasa del escudo y la caja en la herramienta (se proporciona un recorte especial para asegurar la colocación correcta). Al igual que en el proceso de engarzado, coloque el enchufe en la herramienta con la llave de codificación hacia arriba. Apriete el mango hasta que el trinquete se libere para completar el prensado.

Las pruebas son importantes

Puede haber varias razones para probar los cables Ethernet sobre el terreno. Durante el despliegue inicial de equipos o la sustitución del cableado existente, las pruebas pueden certificar que el cable cumple todos los requisitos de rendimiento. La comprobación de los cables también es útil para localizar el origen de un problema en las instalaciones. Puede haber numerosas fuentes de fallos en una red Ethernet, como conectores defectuosos, roturas de cables o apantallamientos y una mayor susceptibilidad a la EMI.

El DSX-CHA-5-IX-S de Hirose es un conjunto de dos adaptadores optimizados para acelerar las pruebas de campo de los conectores ix y los conjuntos de cables (Figura 6). Está diseñado para utilizarse con los comprobadores DSX CableAnalyzer de Fluke Networks. Las pruebas minuciosas según las especificaciones IEEE 802.3 que se realizan con estos adaptadores pueden proporcionar resultados de aprobado/desaprobado, junto con amplios diagnósticos para acelerar la identificación de cualquier problema.

Figura 6: El juego de adaptadores DSX-CHA-5-IX-S acelera las pruebas de campo de los conectores ix y los conjuntos de cables. (Fuente de la imagen: Fluke)

Conclusión:

Los diseñadores pueden utilizar los conectores ix para respaldar la necesidad en los sistemas de la Industria 4.0 de una conectividad resistente y de alta densidad. Estos conectores están disponibles en configuraciones Ethernet y no Ethernet, con varias configuraciones mecánicas disponibles para soportar una gama de necesidades de diseño de sistemas. Las conexiones para soldar pueden utilizarse en entornos de producción de gran volumen, mientras que los modelos IDC están disponibles para realizar montajes de cables sobre el terreno. También se dispone de herramientas y comprobadores para garantizar que los conjuntos de cables resultantes cumplan todos los requisitos de rendimiento ix.

Lectura recomendada

1. Power over Ethernet (PoE) en la automatización industrial