인더스트리 4.0 고밀도 및 견고한 연결 요구 사항을 충족하는 방법

로봇 공학, 머신 비전, 컨트롤러, 서보 증폭기, 서버와 같은 인더스트리 4.0 응용 분야에서 빠르고 안정적인 고밀도 이더넷 연결의 필요성이 증가하고 있습니다. 인더스트리 4.0 장치의 이더넷 연결은 최대 10Gbits/s 통신 속도를 지원하고, 전자파 장해(EMI)로부터 보호되고, 견고한 결합 및 잠금 메커니즘을 제공하여 의도치 않은 케이블 분리를 방지하고, 높은 진동 조건을 견디며, 긴 결합/결합 해제 수명을 지원해야 합니다. 이러한 커넥터는 인더스트리 4.0 응용 분야의 증가하는 상호 연결과 시스템 밀도를 지원할 수 있는 만큼 충분히 작아야 합니다.

레거시 RJ45 이더넷 커넥터는 이러한 요구 사항을 충족할 수 있지만, 상대적으로 부피가 크고 오늘날의 설계에 필요한 설치 유연성을 제공하지 못합니다.

설계자는 이러한 과제를 해결하기 위해 Cat5e(1Gbit/s), Cat6a(10Gbit/s)를 비롯한 고속 이더넷 케이블을 지원하는 ix 산업 커넥터로 전환할 수 있습니다. 이 커넥터는 RJ45 커넥터보다 75% 더 작고, 보안 데이터 전송을 위해 높은 수준의 EMI 보호 및 전자파 적합성(EMC)을 제공하며, IEC 61076-3-124 요구 사항을 준수합니다.

이 기사에서는 RJ45 및 ix 산업 커넥터 옵션을 비교한 다음, 이더넷 및 비이더넷 연결을 위한 Type A 및 Type B ix 커넥터에 대해 살펴보고 ix 커넥터에 사용 가능한 다양한 구성 옵션과 Hirose의 대표적인 몇 가지 커넥터를 검토합니다. 마지막으로 조립 공구에 대해 살펴보고 ix 케이블을 테스트하여 올바르게 구현되는지 확인합니다.

RJ45 vs ix 커넥터

대부분의 인더스트리 4.0 응용 분야에서는 빠른 전개와 재구성을 위해 모듈식 연결이 필요합니다. 이러한 시스템에서는 종종 레거시 장비를 새로운 설계와 결합합니다. 고속 산업 이더넷과 상호 운용성 및 고가용성이 필요한 기타 프로토콜을 사용합니다. 레지스터드 잭(RJ) 커넥터는 레거시 장비에 일반적이며, 기본 이더넷 연결을 위한 8핀 8접점(8P8C) RJ45 커넥터를 포함합니다.

새롭게 부상하는 인더스트리 4.0 시스템에서는 상호 연결 밀도와 유연성을 높여야 합니다. ix 커넥터는 RJ45 솔루션보다 75% 작을 뿐만 아니라 병렬 10mm 피치 실장을 지원하며, 3개의 RJ45 커넥터와 동일한 인쇄 회로 기판(pc 기판) 공간에 6개의 ix 커넥터를 실장할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 실장 피치가 10mm에 불과하여 3개의 RJ45 커넥터와 동일한 pc 기판 공간에 6개의 ix 커넥터를 실장할 수 있습니다. (이미지 출처: Hirose)

견고성

IEC 61076-3-124는 ix 커넥터의 크기, 기계, 전기 및 전송 특성 사양과 환경 요구 사항을 제공합니다. Hirose의 ix 커넥터는 IEC 61076-3-124 사양을 능가하며, 철도 차량 장비 충격 및 진동 테스트를 위한 일본 산업 표준인 JIS E4031의 요구 사항을 충족합니다. 또한 매우 길고 경제적인 표준 케이블을 통한 고속 이미지 전송을 위해 기가비트 이더넷 사용을 지원하는 GigE 비전 카메라 인터페이스 표준을 충족합니다. 이 커넥터의 고전류 접점은 IEEE 802.3af 및 IEEE 802.3at에 지정된 대로 이더넷을 통한 전력 공급(PoE) 및 PoE+ 응용 제품 사용을 지원합니다.

ix 커넥터 시스템은 처음부터 산업용 응용 제품을 염두에 두고 설계된 반면에, RJ45 커넥터는 처음에 소비자 및 비즈니스 통신 장비용으로 개발되었다가 나중에 산업 환경에서 사용하도록 조정되었습니다. 예를 들어 ix 커넥터 플러그와 소켓의 견고한 연결을 확인할 수 있도록 촉각 피드백과 청각 피드백을 모두 제공하는 금속으로 제작된 2개의 스냅인 잠금 후크가 있습니다. 산업용 RJ45 커넥터에는 단일 잠금 후크가 있습니다.

ix 커넥터 소켓 셸은 기계적 견고성을 제공하고 EMC 성능을 향상하도록 설계되었습니다. 이 소켓은 5개의 스루홀 고정 탭(각 측면에 2개씩, 후면의 두 신호 접점 세트 사이에 1개)이 있지만, RJ45 커넥터에는 3개의 탭만 있습니다. 또한 ix 커넥터 소켓의 탭은 RJ45 소켓의 탭에 비해 더 견고합니다. pc 기판에 납땜할 경우 ix 소켓 탭은 플러그를 결합하거나 결합 해제할 때의 응력으로부터 신호 접점을 보호합니다. 또한 충격과 진동을 견디도록 소켓 기능을 강화합니다. 납땜된 탭을 pc 기판의 접지에 직접 연결하여 EMI 보호를 강화합니다(그림 2).

그림 2: 소켓의 5개 스루홀 탭은 신호 접점을 보호하고, 충격 및 진동 성능을 개선하고, ix 커넥터의 EMC 성능을 향상시킵니다. (이미지 출처: Hirose)

재구성 가능한 모듈식 시스템을 사용하면서 커넥터 성능에 대한 기대가 변화하고 있습니다. 커넥터는 더 이상 설치 수명 기간 동안 제자리에 고정되어 있지 않습니다. 인더스트리 4.0의 정의 특성인 대량 맞춤 설정을 지원하기 위해 생산 스테이션, 도구 및 기타 시스템 부품을 자주 재배치해야 할 수 있습니다. 따라서 수명 기간 동안 커넥터를 수백 또는 수천 번 연결했다가 분리할 수 있습니다. Hirose의 ix 커넥터는 5,000회 결합 주기에 맞춰 설계되고 테스트되며 IEC 61076-3-124의 모든 성능 요구 사항을 충족합니다.

비이더넷 연결

IEC 61076-3-124는 이더넷 연결과 비이더넷 연결을 모두 지원합니다. 잘못된 연결을 방지하기 위해 이더넷 ix 커넥터와 비이더넷 ix 커넥터에 각각 ‘A’ 및 ‘B’라는 별도의 기계 코딩 체계를 사용합니다(그림 3).

• Type ‘A’ ix 커넥터는 최대 10Gbits/s 전송 속도를 처리할 수 있습니다. 또한 PoE 및 PoE+를 지원하며 소켓 왼쪽 하단 모서리의 45° 분극 챔퍼로 식별할 수 있습니다.
• Type ‘B’ ix 커넥터는 신호 처리, 다양한 직렬 및 기타 산업용 통신 프로토콜과 같은 모든 비이더넷 응용 분야에서 사용하도록 설계되었습니다. 이 커넥터는 소켓 왼쪽 상단 모서리에 있는 45° 챔퍼로 식별할 수 있습니다.

그림 3: ix 커넥터는 이더넷 플러그를 비이더넷 소켓에 삽입하거나 그 반대로 삽입하는 것을 방지하기 위해 두 가지 기계 코딩 설계로 제공됩니다. (이미지 출처: Hirose)

통합 유연성

또한 이 커넥터는 시스템 통합 유연성을 향상합니다. 절연 변위 연결(IDC)을 사용하거나 납땜하여 케이블을 ix 커넥터 소켓에 연결할 수 있습니다. 납땜 연결은 공장 환경에서 케이블 조립품 생산 속도를 높일 수 있습니다. IDC 연결은 주로 현장에서 케이블 조립품을 생산하는 데 사용되며 전선 벗기기, 꼬임, 납땜을 줄여서 설치 시간을 최대 50% 절감할 수 있습니다. 30, 31, 32 및 40으로 식별되는 4가지 커넥터 제품군이 있습니다. 처음 세 제품군은 서로 다른 IDC 케이블 크기를 지원하고 네 번째 제품군은 납땜 연결에 사용됩니다.

• 30: 26 ~ 28AWG(American Wire Gauge) 전선 크기를 사용하고 절연체 외부 지름의 범위가 0.95mm ~ 1.05mm인 IDC
• 31: 24 ~ 25AWG 전선 크기를 사용하고 절연체 외부 지름의 범위가 1.1mm ~ 1.25mm인 IDC
• 32: 22AWG 전선을 사용하고 절연체 외부 지름의 범위가 1.4mm ~ 1.6mm인 IDC
• 40: 손 납땜

또한 Hirose는 특정 응용 분야의 요구 사항을 충족하도록 세 가지 리셉터클 구성과 세 가지 플러그 구성을 지원하는 ix 커넥터를 제공합니다(그림 4). 리셉터클 구성:

• 직각: 고밀도 시스템에서 pc 기판 공간을 절약하기 위해 10mm 피치 거리에 병렬로 실장 가능
• 수직 유형: 커넥터를 위에서부터 결합 가능
• 높이가 낮은 직각 리셉터클: 높이가 5.7mm로 RJ45 커넥터 높이의 1/2보다 작음

플러그 구성:

• 직선 배선
• 직각 상향 배선
• 직각 하향 배선

그림 4: 리셉터클은 3가지 스타일로 제공되며, 세 회로 기판 각각에 다른 스타일이 표시됩니다. 각 회로 기판에는 3가지 스타일의 ix 커넥터 플러그가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Hirose)

ix 커넥터 예

위에서 자세히 살펴본 구성 및 옵션 이외에 Hirose는 접점 표면에 대한 금도금 또는 팔라듐-니켈 도금+금도금 선택 옵션을 제공합니다. Hirose의 10여 가지 ix 커넥터 예:

IX80G-B-10P(01), Type B 수직 리셉터클, 0.75μm 팔라듐-니켈+0.05μm 금도금

IX80G-A-10P(01), Type A 수직 리셉터클, 0.75μm 팔라듐-니켈+0.05μm 금도금

IX61G-B-10P, Type B 상향 직각 리셉터클, 0.2μm 금도금

IX60G-A-10P, Type A 직각 리셉터클, 0.2μm 금도금

IX31G-A-10S-CV(7.0), Type A 일자형 플러그, 0.2μm 금도금

IX30G-A-10S-CVL2(7.0), Type A 직각 상향 플러그, 0.2μm 금도금

IX30G-B-10S-CVL1(7.0), Type B 직각 하향 플러그, 0.2μm 금도금

현장 조립품

산업 이더넷 응용 분야에서는 고가용성이 필요하며, 현장 배선 조립은 중요한 고려 사항입니다. 특히 모듈식 아키텍처에서 장비 설치 속도를 높여서 마모되거나 손상된 케이블 조립품을 신속하게 교체할 수 있습니다. 현장 조립 요구 사항을 해결하기 위해 Hirose는 IX30G, IX31G 및 IX32G IDC ix 커넥터에 사용될 수 있는 HT803/IXG-8/10S-63-72 케이블 조립 공구를 제공합니다(그림 5). 이 공구는 케이블과 플러그를 함께 크림핑하고 조립품에 대한 보호 하우징의 형철을 만들기 위한 결합된 도구입니다. IX40G 납땜 커넥터의 경우 형철을 만드는 데에만 사용됩니다.

그림 5: 이 수공구를 사용하면 ix 케이블 조립품을 현장에서 제작할 수 있습니다. (이미지 출처: Hirose Electric)

이 케이블 조립 공구는 외부 절연 지름이 6.3mm ~ 7.2mm인 7가닥 연동선을 사용하는 22AWG ~ 28AWG 차폐 케이블에 사용하도록 설계되었습니다. 작동이 빠르고 간편합니다.

크림핑: 코딩 키가 위로 향하도록 하여 플러그를 공구 안으로 넣고 케이블을 플러그에 삽입합니다. 손으로 압착하여 크림핑을 완료합니다. 공구에는 양호한 크림핑 연결을 생성하는 데 충분한 압력이 가해질 때까지 열리지 않는 라체팅 메커니즘이 포함되어 있습니다. 필요한 압력에 도달하면 라체팅은 자동으로 해제됩니다.

형철 만들기: 차폐 셸과 케이스를 공구 안으로 넣습니다(적절한 배치를 보장하기 위해 특수 컷아웃 제공). 크림핑 공정과 마찬가지로 코딩 키가 위로 향하도록 하여 플러그를 공구 안으로 밀어 넣습니다. 라체팅이 해제될 때까지 손으로 압축하여 형철 만들기를 완료합니다.

테스트의 중요성

현장에서 이더넷 케이블을 테스트하는 몇 가지 이유가 있습니다. 장비를 처음 배포하거나 기존 배선을 교체하는 동안 테스트를 통해 케이블이 모든 성능 요구 사항을 충족하는지 확인할 수 있습니다. 케이블 테스트는 문제의 출처를 파악하여 설치 문제를 해결하는 데에도 유용합니다. 이더넷 네트워크에는 실패한 커넥터, 케이블 또는 차폐 파손, EMI 감응성 증가 등 다양한 장애 원인이 있습니다.

Hirose의 DSX-CHA-5-IX-S는 ix 커넥터 및 케이블 조립품에 대한 현장 테스트 가속을 위해 최적화된 두 어댑터로 구성된 세트이며(그림 6), Fluke Networks의 DSX CableAnalyzer 테스터에 사용하도록 설계되었습니다. 이러한 어댑터를 사용하여 IEEE 802.3 사양을 철저히 테스트하면 포괄적인 진단을 통해 빠르게 문제를 파악하여 통과/실패 결과를 제공할 수 있습니다.

그림 6: DSX-CHA-5-IX-S 어댑터 세트는 ix 커넥터 및 케이블 조립품에 대한 현장 테스트 속도를 높입니다. (이미지 출처: Fluke)

결론

설계자는 ix 커넥터를 사용하여 인더스트리 4.0 시스템에 대한 고밀도, 강력한 연결 요구 사항을 지원할 수 있습니다. 이 커넥터는 이더넷 및 비이더넷 구성으로 제공되며 다양한 시스템 설계 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 기계적 구성을 지원합니다. 납땜 연결은 대규모 생산 환경에서 사용할 수 있고, IDC 모델은 현장에서 케이블 조립품을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 또한 공구 및 테스터를 쉽게 사용하여 결과 케이블 조립품이 모든 ix 성능 요구 사항을 충족하는지 확인할 수 있습니다.

추천 자료

1. 산업 자동화의 PoE(이더넷을 통한 전력 공급)