Uso de conectores de Ethernet de alta velocidad y reforzados para redes de comunicaciones industriales

La Internet Industrial de las Cosas (IIoT), o Industria 4.0, está impulsando la demanda de redes de comunicaciones capaces de funcionar en entornos difíciles. A menudo, el eslabón débil de estas redes son los conectores, ya que los entornos industriales son calientes, sucios y suelen incorporar maquinaria vibratoria, todo lo cual somete a una tensión continua a las conexiones mecánicas y socava la fiabilidad. Exacerbando la situación están las consecuencias de un fallo de conexión en una fábrica moderna. Si bien puede ser financieramente catastrófico, ya que la pérdida de producción se suma rápidamente a una gran pérdida de dólares, una conexión de seguridad fallida puede causar lesiones graves. Como tal, se requiere una alternativa al conector estándar RJ45.

Los diseñadores requieren conectores de Ethernet lo suficientemente resistentes para cumplir con las normas industriales actuales y los códigos de protección de ingreso (IP), independientemente de dónde se vayan a colocar inicialmente. Deben ser capaces de funcionar de forma fiable a velocidades de Ethernet Cat 6A de hasta 10 gigabits por segundo (Gbps), soportar Power-over-Ethernet (PoE), y ser lo más "a prueba de futuro" posible, todo ello sin dejar de cumplir con los a menudo ajustados presupuestos de diseño.

En este artículo se analizan los requisitos de los sistemas de comunicaciones industriales y los niveles adecuados de propiedad intelectual. Luego describe cómo las características de los conectores de Ethernet industrial satisfacen estas demandas antes de introducir soluciones del mundo real de Amphenol como ejemplos para mostrar a los ingenieros cómo usar los conectores para nuevos proyectos.

Requisitos de la red industrial

La industria moderna ha adoptado ampliamente la conexión en red por cable para impulsar la "Industria 4.0" (descrita como la "digitalización de la manufactura") y aprovechar la informatización del sector que se produjo a finales de la década de 1970 y durante la década de 1980. Para los directivos, la Industria 4.0 promete una mayor productividad, un producto de mayor calidad, precios más bajos y una mayor seguridad. Para los ingenieros, la tarea es construir las sólidas redes que soportan la fabricación moderna.

La infraestructura de las redes Ethernet domésticas y comerciales se basa generalmente en cables baratos y conectores RJ45 estándar, pero esos componentes no están diseñados para aplicaciones de fábrica. El entorno de la fábrica es más desafiante, y la selección de cables y conectores debe tener en cuenta los siguientes factores de estrés:

• Mecánica: choque, vibración, aplastamiento, flexión, torsión
• Química: agua, aceites, solventes, gases corrosivos
• Ambiental: temperatura extrema, humedad, radiación solar
• Eléctricas: descargas electrostáticas (ESD), interferencias electromagnéticas (EMI), transitorios de alto voltaje

El cableado y los conectores industriales deben ser especificados para soportar las condiciones más severas previstas a lo largo de toda la vida de la red. Por ejemplo, no sirve de mucho si se especifica un cable para temperaturas ambientales normales si más tarde la fábrica se reorganiza de tal manera que el cable ahora corre cerca de hornos de proceso donde la temperatura es mucho más alta.

Los cables industriales están disponibles con aislamiento de poliuretano de alto grado, que es resistente a la abrasión, a los productos químicos (incluido el petróleo) y al fuego. Mientras que los aislantes como el cloruro de polivinilo (PVC) son más baratos, el plástico puede ser atacado por aceites y productos químicos, y se vuelve quebradizo y se agrieta a bajas temperaturas.

Construir una red industrial Ethernet

En ambientes de bajo ruido eléctrico, los cables de par trenzado sin blindaje podrían ser aceptables. Sin embargo, los dispositivos industriales como los soldadores de arco o los equipos eléctricos de fábrica como los relés de conmutación, los variadores de CA o los solenoides pueden causar interferencias y alteraciones de los datos en los cables sin blindaje. En caso de duda, el ingeniero debe ser precavido y utilizar cable blindado para evitar posibles errores costosos del sistema más adelante. A medida que las fábricas crecen, es común que los cables de control y alimentación utilicen conductos que antes estaban dedicados a las comunicaciones Ethernet. Esto podría generar corrupción de datos si se especificaron originalmente cables de Ethernet sin blindaje.

Un diseño de doble blindaje, usando tanto lámina como una trenza de cobre, es la solución más efectiva para prevenir la corrupción de datos. Para asegurar que el blindaje funciona correctamente, el ingeniero también debe usar conectores blindados y terminar el blindaje a tierra. Si se deja un escudo sin terminar, puede en realidad exacerbar los problemas de interferencia actuando como una antena.

Incluso con los cables blindados, las señales se degradan a medida que viajan a lo largo de grandes longitudes. Los cables con conductores sólidos tienen un mejor rendimiento y pueden proporcionar un recorrido máximo de hasta 100 metros (m), pero son más propensos a sufrir daños por flexión o torsión. Los cables trenzados soportan mejor la torsión y el doblamiento, pero no deben utilizarse para recorridos de más de 85 m (Figura 1).

Figura 1: Los cables Ethernet de conductor sólido deben limitarse a 100 m de longitud, mientras que las versiones de cable trenzado deben limitarse a 85 m. (Fuente de la imagen: Amphenol)

En la construcción de la red, el radio mínimo de curvatura estática es cuatro veces el diámetro exterior del cable (OD). Esto se aplica a los cables trenzados o sólidos, blindados o no blindados. Cuando sea necesario flexionar, no deben utilizarse cables conductores sólidos. Las hojas de datos de los cables trenzados suelen especificar los ciclos de flexión máximos, que suelen ser de entre un millón y 10 millones, dependiendo del radio de curvatura.

Los cables deben ser asegurados con ataduras de cable que se dejan lo suficientemente sueltas para que los cables se muevan libremente bajo la atadura. El exceso de tensión creará puntos de tensión que pueden causar el fallo del conductor. Los cables también deben mantenerse sueltos dentro de las ataduras de los cables cuando se unen varios cables.

Dado que la gran mayoría de los errores de puesta en marcha se producen debido al cableado de campo (porque mantener los pares trenzados y terminar correctamente el escudo es un trabajo difícil y que requiere mucho tiempo), se aconseja el uso de conectores moldeados de fábrica.

Diseñando para el futuro

Si bien las redes cableadas ofrecen ventajas clave (como la velocidad, la integridad de la señal y la seguridad), su instalación y mantenimiento son costosos. Por lo tanto, el diseñador encargado de especificar la red debe tener un ojo en el futuro para asegurar que la infraestructura dure el mayor tiempo posible y requiera mínimas reparaciones.

La historia de Ethernet ha visto aumentar inexorablemente las velocidades de la red. Es probable que en el futuro las redes industriales estén dominadas por una infraestructura óptica que ofrezca tasas de 400 Gbps o incluso terabits por segundo (Tbps). Para las instalaciones actuales de cables de cobre, la selección cuidadosa de cables y conectores de par trenzado de alta calidad debería hacer que la red no sólo se enfrente a las actuales tasas de 1 Gbps, sino también a las próximas conexiones de 10 Gbps (Tabla 1).

Tabla 1: Velocidades de los cables de Ethernet y la frecuencia de funcionamiento de Ethernet asociada, que generalmente es proporcional al rendimiento. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Las redes de fábrica también están empezando a aprovechar el PoE, una tecnología que utiliza el cableado Ethernet para suministrar energía a los equipos conectados. PoE utiliza una única infraestructura estándar de Ethernet mientras maneja la energía en las decenas de vatios. El carácter centralizado y flexible de la tecnología elimina la necesidad de una fuente de alimentación local para cada dispositivo alimentado en la red, lo que permite que los dispositivos alimentados se coloquen en cualquier lugar y se reubiquen fácilmente más tarde si es necesario.

Una forma mejorada de PoE, llamada PoE+, puede suministrar hasta 25.5 vatios de CC al dispositivo conectado y permite la conexión de equipos de alta potencia como las cámaras de seguridad. (Véase el artículo técnico de DigiKey, "Power-over-Ethernet se adapta para satisfacer una mayor demanda")

Al igual que los cables y conectores deben ser igualados para que tengan la misma resistencia contra la tensión mecánica, química, ambiental y eléctrica, también deben ser igualados para el rendimiento funcional. Las características operativas máximas serán dictadas por el componente menos capaz de la red; por ejemplo, si los cables de Cat 6a se emparejan con conectores de Cat 6, el sistema tendrá un rendimiento máximo de 1 Gbps en lugar del rendimiento máximo nominal de los cables de 10 Gbps.

Conectores para redes industriales

Aunque es importante que el diseñador considere cuidadosamente la elección del cable, el enrutamiento y la frecuencia de Ethernet cuando se construyen redes industriales, los conectores son el mayor desafío de diseño dentro de una red Ethernet. Esto se debe a que representan el eslabón más débil; no solo los conectores ofrecen una posible entrada de agua y suciedad, sino que también incluyen tramos cortos en los que los pares de Ethernet no están trenzados y, por lo tanto, son más susceptibles al ruido eléctrico.

El diseñador debe considerar dónde se utilizarán los conectores ya que los entornos de la fábrica varían considerablemente. Por ejemplo, el código IP -determinado por la norma IEC 60529- clasifica el grado de protección proporcionado por las carcasas mecánicas y las cajas eléctricas que forman el conector. El primer dígito del código indica el grado de protección contra las partículas sólidas (que va de 0 (sin protección) a 6 (hermético al polvo)), mientras que el segundo indica el grado de protección contra la entrada de líquidos (que va de 0 (sin protección) a 9K (potentes chorros de agua a alta temperatura)).

Una clasificación de IP20 (protección contra dedos y objetos similares, sin protección contra la humedad) para los conectores utilizados en entornos de fábricas limpias y secas es común para muchos conectores industriales. Por ejemplo, los conectores ix Industrial IP20 de Amphenol son componentes de alta velocidad, resistentes y de 10 posiciones que vienen en un paquete 70 por ciento más pequeño que un RJ45 típico.

Los fabricantes de conectores suelen ofrecer opciones de mayor protección para su uso en entornos progresivamente más sucios y húmedos, y Amphenol no es una excepción. La línea ix Industrial IP20 se extiende desde el IP20 para el producto estándar hasta el IP67 (estanco al polvo, inmersión hasta 1 m de profundidad) para los productos no estándar.

El diseñador de la red debe tratar de reducir al mínimo el número de conexiones, en particular los juegos de cables con conectores macho en ambos extremos. Son demasiado fáciles de extender para el personal no ingeniero, con consecuencias perjudiciales para el rendimiento del resto de la red. Además, es una práctica estándar que todos los conectores fijos sean de tipo femenino.

Al igual que otros fabricantes, los conectores Amphenol están disponibles en factores de forma macho para cables y tres tipos de factores de forma hembra para instalaciones fijas: receptáculos verticales para mamparas, receptáculos verticales en ángulo recto(ND9AS1200) y receptáculos horizontales(ND9BS3200) para montaje en placa de circuito impreso (Figura 2). Las versiones de montaje en placa de circuito impreso vienen en tecnología de montaje en superficie (SMT) o en factores de forma de agujero pasante para facilitar la soldadura al sustrato.

Figura 2: Los conectores industriales ix de Amphenol están disponibles en una variedad de enchufes y receptáculos para aplicaciones de cable, mamparas y placas de PC. (Fuente de la imagen: Amphenol)

La versión masculina puede suministrarse individualmente(ND9AP5200) o como parte de un juego de cables(ND9ACB250A) de una longitud de 500 a 2000 milímetros (mm).

Una guía útil en cuanto a la calidad de un conector es comprobar si cumple con los requisitos de normas como la IEC 60512 y la IEC 61076. La IEC 60512 detalla las pruebas mecánicas y eléctricas, así como los umbrales que un conector debe cumplir cuando se utiliza con equipos eléctricos y electrónicos. La norma cubre factores mecánicos como la fuerza de inserción y retirada, la resistencia a la vibración y el número máximo de ciclos de acoplamiento, así como factores eléctricos como la resistencia por contacto, el blindaje y el aislamiento.

Los conectores industriales Amphenol ix están diseñados para proporcionar una interfaz Ethernet resistente y miniaturizada (que cumple con las normas IEC pertinentes) con un ahorro de espacio de hasta el 75% en comparación con los conectores estándar RJ45. Con un paso de conector de 10 mm y un resistente enclavamiento metálico de dos puntos, los conectores ofrecen un rendimiento Cat 6a para una comunicación Ethernet de hasta 10 Gbps, capacidad PoE/PoE+ y un blindaje de 360° para la inmunidad EMI.

Los conectores de la placa de PC tienen pestañas de soldadura de alta resistencia para asegurarlos y son lo suficientemente resistenets para soportar golpes y vibraciones mientras mantienen una conexión fiable. Pueden soportar hasta 5000 ciclos de acoplamiento.

Las tablas 2 y 3 detallan el rendimiento de la serie ix Industrial frente a los aspectos clave de la norma IEC 60512.

Tabla 2: Desde el punto de vista eléctrico, los conectores de la ix Industrial Ethernet pueden manejar corrientes de hasta 1.5 A y cumplir con los requisitos de la norma IEC 60512. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Tabla 3: Las prestaciones mecánicas del conector industrial ix les permiten cumplir los requisitos de las normas IEC 60512 y 60068. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La IEC 61076 es más enfocada, cubriendo conectores rectangulares de 10 vías, blindados, libres y fijos para la transmisión de datos con frecuencias de hasta 500 megahercios (MHz). El documento especifica las dimensiones comunes, las características mecánicas, eléctricas y de transmisión, así como los requisitos ambientales de las redes industriales.

En particular, la norma IEC 61076 identifica las codificaciones que determinan la posición de la llave de polarización y la ranura de los conectores. Los conectores de tipo A están pensados para una comunicación Ethernet de 100 megabits por segundo (Mbps) a 10 Gbps. Los conectores de tipo B están destinados a todas las demás aplicaciones no relacionadas con el Ethernet, como la señalización, los sistemas de comunicación en serie u otros sistemas de bus industrial (figuras 3(a) y (b)).

Figura 3: La IEC 61076 especifica la polarización y el chavetero de los conectores para la transmisión de datos. El tipo A (a) utiliza una esquina de 45º situada en la parte inferior derecha del receptor (visto en la cara de apareamiento). Para el Tipo B (b) la esquina cortada de 45° se encuentra en la esquina superior izquierda del receptor. (Fuente de la imagen: Amphenol)

Conclusión:

Se están construyendo fábricas modernas con redes de comunicaciones para digitalizar la fabricación para una mayor productividad y menores costos. Los conectores y cables que componen estas redes no solo deben ser lo suficientemente resistentes como para resistir los duros entornos industriales, sino también para hacer frente a las futuras demandas de comunicación de alta velocidad y PoE.

Hay soluciones de compañías como Amphenol que ofrecen cables y conectores de grado industrial diseñados para satisfacer con precisión estos retos y presupuestos de fábrica. Se adhieren a las exigentes normas de los conectores industriales e incluyen características que soportan un alto rendimiento de la red, una vida útil prolongada y requieren un mantenimiento mínimo. Sin embargo, como se muestra, los diseñadores necesitan entender los estándares aplicables y las limitaciones tanto eléctricas como mecánicas de los conectores para poder aplicarlos apropiadamente hacia un diseño de red exitoso de la IIoT o la Industria 4.0.