Wie Sie mit industriellen USB-C-Kabeln Interoperabilität sicherstellen, Kosten senken und die Zuverlässigkeit verbessern

Industrieanlagen bestehen aus einem immer komplexeren Netz von Leitungen, das neben der digitalen Elektronik auch die Vernetzung von Knotenpunkten des Internets der Dinge (IoT) umfasst. Während die digitale Vernetzung durch kabelgebundene Protokolle wie Ethernet und BACnet und drahtlose Netzwerkprotokolle wie Wi-Fi und Bluetooth standardisiert ist, kann die digitale Verbindung zwischen Steuerungscomputern wie Einplatinencomputern (SBC) oder speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Peripheriegeräten wie Sensoren oder Aktoren sehr unterschiedlich sein.

Was die Sache noch verwirrender macht, ist die Tatsache, dass für die Verbindungen eine Vielzahl von Kabeln, Steckern und Anschlussbelegungen verwendet werden können, die zwar sehr ähnlich aussehen, aber völlig inkompatibel sind.

Die Aufgabe der Systementwickler besteht darin, diese Inkompatibilitäten zu verringern und die Interoperabilität zu gewährleisten, gleichzeitig aber auch die Kosten zu senken, die Systemmontage zu beschleunigen und die Zuverlässigkeit zu verbessern - trotz der rauen Bedingungen in der industriellen Umgebung. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Standardisierung eines USB-C-Kabels der Schutzklasse IP67 oder IP68. Dies kann den Technikern das Leben sehr erleichtern, da die Kompatibilität der Kabelkonfektionen mit einer Reihe von Geräten verbessert wird.

Dieser Artikel beschreibt die Probleme der digitalen Verbindung in industriellen Anwendungen und wie die Standardisierung von USB-C-Kabeln und -Steckern für einfache digitale Verbindungen viele dieser Probleme lösen kann. Anschließend wird eine Reihe von USB-C-Steckern und Kabelkonfektionen mit einzigartigen Eigenschaften, einschließlich IP67-Konformität, von PEI-Genesis, Amphenol LTW und Bulgin vorgestellt, bevor erörtert wird, wie sie eine allgegenwärtige, zuverlässige und robuste Vernetzung für Computer-zu-Sensor/Aktor-Anwendungen bieten können.

Digitale Vernetzung in der industriellen Automatisierung

Industrielle Anlagen werden von Steuerungscomputern gelenkt, bei denen es sich um einen Einplatinencomputer, eine SPS oder einen Laptop handeln kann. Der Steuerungscomputer stellt häufig eine Verbindung zu nahegelegenen Geräten her, die von der Anlage benötigt werden und im weitesten Sinne als Sensoren bezeichnet werden können Dazu gehören Schalter, optische und Umgebungssensoren sowie Aktoren wie Motoren, Magnetventile oder Leuchten. Bei den meisten schweren Industrieanlagen wählen die Konstrukteure des Anlagenherstellers den für die Kabelenden verwendeten Steckertyp und das verwendete elektrische Protokoll aus. Bei einer kundenspezifischen Industriesteuerung wählen die Ingenieure und Techniker den Computer, die Aktoren, die Sensoren, die Stecker und die Kabel aus und installieren sie. Wenn der Steckertyp und das elektrische Protokoll einmal ausgewählt sind, können sie später nicht mehr geändert werden, ohne dass ein langwieriger und teurer Umrüstungsprozess erforderlich ist. Bei der Planung des industriellen Betriebs ist es daher wichtig, bereits in einem sehr frühen Stadium des Entwurfsprozesses zu entscheiden, welche Art von digitalen Verbindungen für Sensoren und Aktoren verwendet werden sollen. Wie bei jedem System, das in großem Umfang auf miteinander verbundene digitale Systeme zurückgreift, gilt auch hier: Je größer der Betrieb ist, desto mehr Zeit und Geld kann durch die Standardisierung der Ausrüstung, einschließlich der Kabel, eingespart werden.

Bei der Einrichtung oder Neukonfiguration von Geräten müssen die Techniker die richtige Verkabelung mit kompatiblen Anschlüssen zur Hand haben. Auf den ersten Blick können zwei elektrisch inkompatible Kabelkonfektionen gleich aussehen und sogar ähnliche Steckverbinder haben, die so aussehen, als würden sie fast passen, es aber nicht tun. Diese nicht offensichtliche Inkompatibilität kann Techniker frustrieren und die Systemeinführung verzögern. Selbst bei Verwendung geeigneter Kabel kann es mehrere Versuche erfordern, einen nicht umkehrbaren Steckverbinder am Kabel richtig auf das Gerät auszurichten, um eine solide Verbindung zu gewährleisten. In einer schwach beleuchteten Umgebung oder wenn ein schneller Einsatz von entscheidender Bedeutung ist, verringert die Standardisierung eines einzigen Kabelsatzes die Frustration und gewährleistet gleichzeitig die Interoperabilität zwischen den Geräten. Dies spart nicht nur Zeit, sondern auch Kosten, da die Kabelkonfektion in großen Mengen gekauft werden kann.

Vorteile von USB-C für digitale Verbindungen

Um das Problem der allgegenwärtigen digitalen Vernetzung zu lösen, eignen sich USB-C-Kabelbaugruppen für die meisten Anwendungen zwischen industriellen Geräten. USB-C-Stecker und -Buchsen sind schlüssellose, doppelseitige Flachsteckverbinder, die rotationssymmetrisch sind. Dies gewährleistet eine solide Verbindung beim ersten Einstecken und spart Zeit und Frustration, so dass Techniker nicht mehr herumprobieren müssen, um einen kodierten Stecker richtig auszurichten. USB-C-Kabel können den Sensor oder Aktor auch mit Strom versorgen, ein zusätzlicher Vorteil.

Eine Industrieanlage kann USB-C-Kabel und -Stecker für die meisten digitalen Verbindungen zwischen Steuercomputern und den Sensoren und Aktoren standardisieren, was die Kabelkonfiguration und die Interoperabilität der Stecker vereinfacht. Industrielle IP67-USB-C-Kabel und -Stecker sind strapazierfähig und können Hitze, Lösungsmitteln und Flüssigkeiten widerstehen, die in rauen Industrieanlagen häufig vorkommen. USB-C-Industriekabel sind außerdem so konstruiert, dass sie Leistungs- und Signalverluste minimieren und toleranter gegenüber Biege- und Verdrehungskräften sind.

USB-C-Anschlüsse können USB 2.0 und USB 3.1 unterstützen. Der USB-C-Standard setzt voraus, dass USB-3.1-Anschlüsse und -Kabel rückwärtskompatibel mit USB-2.0-Geschwindigkeiten von 480 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) sind. Dadurch werden Kompatibilitätsprobleme vermieden, da die USB-2.0-Anschlüsse die gleichen Kabel wie USB 3.1 verwenden können. Mit USB 3.1 sind jedoch wesentlich höhere Geschwindigkeiten möglich. USB-3.1-Gen-1-Kabelkonfektionen unterstützen bis zu 5 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s), während USB-Gen-2-Kabelkonfektionen bis zu 10 Gbit/s unterstützen. Um die Übertragungsgeschwindigkeit zu ermitteln, müssen Kabelkonfektionen mit USB-C-Steckern an jedem Ende gemäß der USB-Spezifikation einen in das Steckergehäuse eingebetteten E-Marker-Chip haben, der die maximale Strom- und Datenübertragungsgeschwindigkeit der Kabelkonfektion angibt. Die Daten im E-Marker-Chip werden vom USB-Host beim ersten Einstecken gelesen und informieren den USB-Host über die maximale Übertragungsgeschwindigkeit des Kabels, so dass der USB-Host die Daten in angemessener Weise sendet. USB-C-Kabelkonfektionen, die nur USB-2.0-Geschwindigkeiten unterstützen, müssen keinen E-Marker-Chip haben. Wenn also keine Chipdaten gesendet werden, sendet der USB-Host Daten mit 480 Mbit/s.

Der USB-C-Standard erlaubt eine maximale Stromabgabe von 3 Ampere (A) bei 5 Volt Gleichspannung, was einer Gesamtleistung von 15 Watt entspricht. Dies ist der Standard für gängige USB-Kabelkonfektionen. Die Spezifikation für USB 3.1 Gen 1 und höher erlaubt jedoch 5 A bei 20 Volt für 100 Watt Leistung. USB-C-Kabelkonfektionen, die für USB-3.1-Stromversorgung ausgelegt sind, müssen einen E-Marker-Chip enthalten, der die Stromversorgungskapazität identifiziert, oder der USB-Host wird standardmäßig auf 15 Watt eingestellt. Dies erhöht die Sicherheit, da Überlastungen, die das Kabel zerstören könnten, vermieden werden.

Obwohl der Schwerpunkt hier auf der Standardisierung von USB-C-Kabeln für digitale Verbindungen liegt, ist es wichtig zu wissen, dass es drei verschiedene Kabelkonfektionskapazitäten gibt:

1. USB-2.0-Modus: kein E-Marker, kann 15 Watt Leistung und Daten mit 480 Mbit/s liefern
2. USB 3.1 Gen 1: E-Marker, liefert 100 Watt Leistung und Daten mit 5 Gbit/s
3. USB 3.1 Gen 2: E-Marker, liefert 100 Watt Leistung und Daten mit 10 Gbit/s

Wenn ein USB-C-Kabel mit geringerer Kapazität mit ordnungsgemäß konfigurierten USB-C-Hosts und -Geräten mit höherer Kapazität verwendet wird, drosselt der USB-Host den Strom und die Daten für die geringere Kapazität. Dies erhöht die Sicherheit, da eine Überlastung des Kabels verhindert wird, und verbessert die Zuverlässigkeit, da kompatible Datenraten gewährleistet werden. Eine Einrichtung kann dies weiter vereinfachen, indem sie nur den Standard verwendet, der die maximal benötigte Leistung und Datenübertragung bietet. Solange eine industrielle Automatisierungseinrichtung keine datenintensiven Operationen wie das Streaming von Live-Videos durchführt, kann die Standardisierung von USB-3.1-Gen-1-Kabeln eine sichere Wahl sein. Üblicherweise sind 5-Gbit/s-USB-3.1-Gen-1-Kabel für maximal 2 m spezifiziert, was für Steuerungscomputer zur Verbindung mit Sensoren und Aktoren in der Nähe ausreichend ist. Wenn die Notwendigkeit besteht, Daten mit 10 Gbit/s zuverlässig zu übertragen, sind USB-3.1-Gen-2-Kabel für maximal 1 m spezifiziert, da die Übertragung von 10 Gbit/s über längere Kabel aufgrund von Signalreflexionen oder -dämpfungen zu Datenverlusten entlang der Kabellänge führen kann.

USB-C-Kabelkonfektionen

Für Konstrukteure, die Highspeed-Daten in einer rauen Umgebung übertragen müssen, gibt es eine Reihe von robusten und zuverlässigen Lösungen. PEI-Genesis bietet zum Beispiel das Sure-Seal-IP67-USB3.1-Gen2-Kabel IPUSB-31WPCPC-1M an (Abbildung 1). Das Kabel ist 1 m lang und für den Betrieb bei -20°C bis +85°C ausgelegt, also für die meisten rauen Industrieumgebungen geeignet. Der Kabelmantel besteht aus Polyvinylchlorid-Harz (PVC), das eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit und UV-Toleranz aufweist. Handelsübliche Mantel können bei längerer Sonneneinstrahlung reißen oder sich verfärben.

Abbildung 1: Das Sure-Seal-Kabel IPUSB-31WPCPC-1M ist ein 1 m langes USB-C-Kabel, das für industrielle Anwendungen konzipiert wurde. Der Steckverbinder mit der Kontermutter-Dichtung bietet eine sichere, wasserdichte IP67-Verbindung zu einem Sensor oder Aktor. Die Abmessungen sind in Millimetern angegeben. (Bildquelle: PEI-Genesis)

Das IPUSB-31WPCPC-1M hat einen Standard-USB-C-Steckverbinder aus gegossenem PVC-Harz an einem Ende mit einem USB-C-Stecker aus Edelstahl. Dieses Ende wird mit einem USB-Host-Anschluss am Einplatinencomputer oder der SPS verbunden. Das andere Ende hat einen versiegelten, geformten Stopfen mit einer Nylonkontermutter und einer Gummidichtung. Dies sorgt für eine solide und sichere IP67-Dichtung des Sensors oder Aktuators.

Das Sure-Seal-Kabel IPUSB-31WPCPC-1M enthält einen eingebetteten E-Marker-Chip, der seine Kapazität für die angeschlossenen Geräte kennzeichnet. Der E-Marker-Chip arbeitet über den gesamten Temperaturbereich der Kabelkonfektion von -20°C bis +85°C. Dadurch wird sichergestellt, dass das Kabel auch dann korrekt identifiziert werden kann, wenn das Gerät in einem der beiden Temperaturextreme eingeschaltet wird.

USB-C-Vernetzung in extremen Umgebungen

Für extrem raue Umgebungen bietet Amphenol LTW das USB-C-Kabel UC30FL-NCML-SC01 mit einem Meter Länge an (Abbildung 2). Die gesamte Kabellänge ist von einem Kunststoffschlauch aus Polypropylen (PP) umgeben, der zusätzlichen Schutz vor Stößen, Schnittkräften und Biegebeanspruchungen bietet. Das Kabelrohr bietet auch Schutz für das eingeschlossene Kabel, wenn es extremen Vibrationen ausgesetzt ist. Der Schlauch ist an beiden Enden des Kabels verklebt und kann nicht entfernt werden.

Abbildung 2: Das USB-C-Kabel UC30FL-NCML-SC01 ist in einem PP-Schlauch eingeschlossen, der das Kabel vor Stößen und starken Vibrationen schützt. Die Abmessungen sind in Millimetern angegeben. (Bildquelle: Amphenol LTW)

Die Kabelkonfektion hat einen gemeinsamen USB-C-Host-Anschluss an einem Ende, der in den USB-Host eingesteckt wird. Das andere Ende ist mit einem robusten Rundstecker mit verstärkter Zugentlastung ausgestattet. Er hat einen versiegelten, vergossenen Stecker mit einer Silikondichtung, die durch eine Nylonkontermutter gesichert ist. Dies sorgt für eine wasser- und luftdichte Abdichtung, die gegen die meisten Chemikalien resistent ist. Das Kabel und der runde Steckverbinder sind IP67-zertifiziert, sowohl im gesteckten als auch im ungesteckten Zustand, wodurch der runde USB-C-Stecker vor Umwelteinflüssen geschützt ist, auch wenn er nicht angeschlossen ist.

Das UC30FL-NCML-SC01 ist feuerbeständig nach UL94V-0, d. h. das PP-Kabel kann einer Flamme bis zu 10 Sekunden lang standhalten. Das PP-Kabel ist außerdem resistent gegen Öl, Benzin und die meisten Lösungsmittel. Jeder Stecker kann bei Temperaturen von -40°C bis +85°C eingesetzt werden, während die Nylonsicherungsmutter und der PP-Schlauch höheren Temperaturen von -40°C bis +115°C standhalten können. Dadurch eignet sich diese Kabelkonfektion besonders für den Anschluss an Sensoren und Aktoren in industriellen Benzinmotoren und Generatoren.

Der eingebettete E-Marker-Chip weist das Kabel als für Datenübertragungen mit 5 Gbit/s geeignet aus, was für Highspeed-Benzingeneratoren geeignet ist, die den Motorbetrieb ständig überwachen müssen, um die Effizienz zu maximieren.

USB-Sensoren in Schiffsanwendungen

In einigen Fällen hat der Steuercomputer für das Gerät einen USB-A-Anschluss, muss aber an einen USB-C-Anschluss angeschlossen werden. Dazu ist ein Kabel wie das USB-A-auf-USB-C-Kabel PXP4040/C/A/2M00 von Bulgin erforderlich (Abbildung 3). Dieses Kabel hat einen USB-A-Stecker an einem Ende und einen runden USB-C-Stecker am anderen Ende und funktioniert bei Temperaturen von -40°C bis +80°C. Der USB-C-Stecker und das Kabel können zwei Wochen lang in 10 m Wassertiefe untergetaucht betrieben werden. Es ist zudem salzwasserbeständig und eignet sich daher für Schiffsausrüstungen, einschließlich Industriemaschinen an Bord von Tankern und Frachtschiffen. Die Kabelkonfektion entspricht der Schutzart IP68, mit Ausnahme des USB-A-Steckers, der der Schutzart IP66 entspricht.

Abbildung 3: Das PXP4040/C/A/2M00 hat einen USB-A-Stecker an einem Ende und einen USB-C-Stecker am anderen. Es ist salzwasserbeständig und der USB-C-Stecker kann bis zu zwei Wochen lang in 10 m tiefes Wasser getaucht werden. (Bildquelle: Bulgin)

Das PXP4040/C/A/2M00 von Bulgin bietet eine Entflammbarkeitsbewertung von UL94V-0. Der Kabelmantel besteht aus PVC-Harz und ist daher für den Einsatz auf dem Schiffsdeck geeignet.

Die Hülle des USB-C-Kabels besteht aus Polycarbonat-Polybutylenterephthalat (PC/PBT), einem hochfesten Material, das häufig für Stoßstangen von Autos verwendet wird. Das Gehäuse des PC/PBT-Steckverbinders weist eine hohe Chemikalienbeständigkeit auf und ist flexibel genug, um starke Stöße bei kalten Temperaturen bis zu -40°C zu verkraften. Selbst wenn er mit großer Kraft getroffen wird, bricht der Verbinder nicht. Dies bietet Manipulationssicherheit für USB-Sicherheitssensoren, auch bei Gefrierangriffen, bei denen ein Stecker schnell eingefroren und dann mit einem Hammer eingeschlagen wird.

Die USB-C-Spezifikation lässt es nicht zu, dass ein E-Marker-Chip in ein Kabel eingebettet wird, das an einem Ende einen USB-A-Stecker hat. Diese Kabelkonfektion ist für eine Stromstärke von bis zu 5 A und eine Datenrate von bis zu 5 Gbit/s auf einer Länge von 2 m spezifiziert, obwohl einige USB-C-Peripheriegeräte das Fehlen eines E-Marker-Chips bemerken und standardmäßig 480 Mbit/s verwenden werden.

Fazit

Die Standardisierung auf USB-C-Kabelkonfektionen für digitale Verbindungen in einer industriellen Umgebung vereinfacht den Kabelbestand und bietet aufgrund des rotationssymmetrischen Designs von Stecker und Buchse eine schnelle und einfache Vernetzbarkeit. USB-C-Kabel können ihre Strom- und Datenübertragungskapazität dem Host-Steuerungscomputer mitteilen, um Datenverluste und gefährliche Stromüberlastungen zu vermeiden. Die richtige Auswahl und Verwendung einer geeigneten USB-C-Kabelkonfektion in industriellen Systemen kann auch die Zuverlässigkeit verbessern, die Wartung reduzieren und die Gesamtkosten senken.