如何满足工业4．0 对高密度和稳固连接的要求

作者：Jeff Shepard

机器人、机器视觉、控制器、伺服放大器和服务器等工业 4.0 应用，对高密度、快速可靠的以太网连接的需求在不断增长。在工业 4.0 设备中，以太网连接不仅需要支持高达 10 Gb/s 的通信速度，具有防电磁干扰 (EMI) 保护，还需要提供稳固的配接和锁定机制以防止意外拔出电缆，同时还要能耐受高振动条件，并具有出色的插拔寿命。这类连接器必须足够紧凑，才能支持工业 4.0 应用日益增长的互连和系统密度。

虽然传统的 RJ45 以太网连接器可以满足部分要求，但它们相对笨重，不能提供当今设计所需的安装灵活性。

为了应对这些挑战，设计人员可以选用 ix 工业连接器来连接高速以太网电缆，包括 Cat5e (1 Gb/s) 和 Cat6a (10 Gb/s)。这类连接器比 RJ45 连接器小 75%，可提供高水平的 EMI 防护和电磁兼容性 (EMC)，实现安全的数据传输，并符合 IEC 61076-3-124 的要求。

本文首先对 RJ45 和 ix 工业连接器选项进行了比较。随后，本文介绍了用于以太网和非以太网连接的 A 型和 B 型 ix 连接器，并探讨了 ix 连接器的各种配置选项，以及 Hirose 的一些代表性连接器。最后介绍了装配和测试 ix 电缆的相关工具，以确保正确实施。

RJ45 与 ix 连接器的比较

许多工业 4.0 应用需要通过模块化连接进行快速部署和重新配置。这些系统通常会将传统设备与新设计相结合。它们会使用高速工业以太网以及其他要求互操作性和高可用性的协议。所谓的注册式插孔 (RJ) 连接器在传统设备中很常见，如具有八针八触点 (8P8C) 的 RJ45 连接器，常用于基础以太网连接。

新兴的工业 4.0 系统需要更高的互连密度和灵活性。除了比 RJ45 解决方案小 75% 外，ix 连接器还可实现 10 mm 间距的并行安装，印刷电路板（PC 板）上安装 3 个 RJ45 连接器的空间能够装入 6 个 ix 连接器（图 1）。

图 1：ix 连接器具有 10 mm 安装间距，PC 板上安装 3 个 RJ45 连接器的空间能够装入 6 个 ix 连接器。（图片来源：Hirose）

坚固耐用

IEC 61076-3-124 规定了 ix 连接器的尺寸、机械、电气、传输特性以及环境要求。Hirose 的 ix 连接器超越了 IEC 61076-3-124 的要求，符合日本工业标准 JIS E4031 针对机车车辆设备的冲击和振动测试的要求。此连接器还符合 GigE Vision 摄像机接口标准，支持通过千兆位以太网，以非常长和低成本的标准电缆快速传输图像。ix 连接器具有大电流触点，支持使用以太网供电 (PoE) 和 PoE+ 应用，且符合 IEEE 802.3af 和 IEEE 802.3at 标准。

ix 连接器系统从一开始就以工业应用为设计考量，而 RJ45 连接器最初是针对消费者和商业电信设备而开发，然后经过调整后用于工业环境。例如，ix 连接器有两个金属制成的卡入式锁钩，可提供触觉和声音反馈来确认插头和插座之间的连接是否牢固。工业 RJ45 连接器只有一个锁钩。

ix 连接器插座的外壳设计具有机械稳固性，并增强了 EMC 性能。这些插座有 5 个通孔式固定卡舌，每边 2 个，背面两组信号触点之间还有 1 个，而 RJ45 连接器只有 3 个卡舌。与 RJ45 插座上的卡舌相比，ix 连接器插座上的卡舌也更加坚固。当焊接到 PC 板上时，ix 插座的卡舌可以保护信号触点在插头插拔时不会受到压力。此外，这些卡舌还能提高插座耐受冲击和振动的能力。焊接后，卡舌会直接连接到 PC 板的地线，继而加强了 EMI 防护（图 2）。

图 2：插座上的 5 个通孔式卡舌可保护信号触点，增强抗冲击和振动性能，并提高 ix 连接器的 EMC 性能。（图片来源：Hirose）

模块化和可重新配置系统的采用，正在改变对连接器性能的期望。连接器安装后不再固定在某个位置。生产站点、工具及其他系统组件都需要能够频繁地重新排布，以支持大规模定制，而这正是工业 4.0 的一大特征。因此，连接器在其生命周期内可能会被插拔数百次或数千次。Hirose 的 ix 连接器经过严格的设计和测试，能够在 5000 次插拔后，依然满足 IEC 61076-3-124 的所有性能要求。

非以太网连接

IEC 61076-3-124 支持以太网和非以太网连接。为了防止误接，分别为以太网和非以太网 ix 连接器使用了标有 ‘A’ 和 ‘B’ 的单独机械编码方案（图 3）：

·‘A’ 型 ix 连接器能够处理高达 10 Gb/s 的传输速率，可以支持 PoE 和 PoE+，并可通过插座左下角的 45° 偏振倒角进行识别。
· ‘B’ 型 ix 连接器可用于所有非以太网应用，如信号发送协议、各种串行及其他工业通信协议，可以通过位于插座左上角的 45° 倒角进行识别。

图 3：ix 连接器有两种机械编码设计，可防止将以太网插头插入非以太网插座，或将非以太网插头插入以太网插座。（图片来源：Hirose）

集成灵活性

这些连接器也增强了系统集成的灵活性。电缆可以通过焊接或使用绝缘位移连接 (IDC) 连接至 ix 连接器插座。焊接连接可以加快电缆组件在工厂环境中的制作速度。IDC 连接通常用于现场制作电缆组件，由于减少了剥线、捻线和焊接，安装时间最多可缩短 50%。目前有四个对应的连接器系列，分别是 30、31、32 和 40 系列。前三个系列可支持各种 IDC 电缆尺寸，第四个可用于焊接连接：

· 30：IDC 使用 26 至 28 号美国线规 (AWG) 的电线，绝缘子外径为 0.95 至 1.05 mm
· 31：IDC 使用 24 至 25 号 AWG 的电线，绝缘子外径为 1.1 至 1.25 mm
· 32：IDC 使用 22 号 AWG 的电线，绝缘子外径为 1.4 至 1.6 mm
· 40：手动焊接

Hirose 还提供具有三种插座配置和三种插头配置的 ix 连接器，可满足特定的应用需求（图 4）。插座配置包括：

· 立式 90 度，可平行安装，间距为 10 mm，可节省高密度系统的 PC 板空间
· 垂直型允许连接器从顶部配接
· 扁平型 90 度插座高 5.7 mm，不到 RJ45 连接器的一半高度

插头配置包括：

· 直通式布线
· 90 度向上布线
· 90 度向下布线

图 4：插座有三种样式；在三个电路板上，每一个都显示了不同的样式。每个电路板都包括三种样式的 ix 连接器插头。（图片来源：Hirose）

ix 连接器示例

除了上面详述的配置和选项外，Hirose 还为设计人员提供了一系列镀金或镀钯镍外加镀金的触点表面。Hirose 的数十种 ix 连接器示例包括：

IX80G-B-10P(01)，B 型垂直插座，0.75 μm 钯镍和 0.05 μm 镀金
IX80G-A-10P(01)，A 型垂直插座，0.75 μm 鈀鎳和 0.05 μm 鍍金
IX61G-B-10P，B 型立式 90 度插座，0.2 μm 镀金
IX60G-A-10P，A 型 90 度插座，0.2 μm 镀金
IX31G-A-10S-CV(7.0)，A 型直通式插头，0.2 μm 镀金
IX30G-A-10S-CVL2(7.0)，A 型 90 度向上插头，0.2 μm 镀金
IX30G-B-10S-CVL1(7.0)，B 型 90 度向下插头，0.2 μm 镀金

现场装配

工业以太网应用要求高可用性，因此电缆的现场装配是一个重要的考量因素。它可以加快设备的安装，特别是在模块化结构中，方便快速更换已磨损或损坏的电缆组件。为了满足现场装配的需求，Hirose 提供了 HT803/IXG-8/10S-63-72 电缆装配工具，可用于 IX30G、IX31G 和 IX32G IDC 型号的 ix 连接器（图 5）。这种组合工具可将电缆和插头压接在一起，并将防护罩压合至组件上。对于 IX40G 焊接式连接器，该工具仅用于压合。

图 5：此手工工具可用于在现场制作 ix 电缆组件。（图片来源：Hirose Electric）

此电缆装配工具适用于 22 至 28 AWG，采用七股退火铜线且绝缘层外径为 6.3 至 7.2 mm 的屏蔽电缆。操作简单快捷。

压接：以编码键朝上，将插头放入工具，然后将电缆插入插头。压紧工具把手，完成压接。此工具包括一个棘轮机构，可确保在施加足够压力实现牢固压接之前，工具不会打开。当达到所需压力时，棘轮会自动释放。

压合：将屏蔽外壳和壳体放入工具中（提供有特殊的切口，可确保正确放置）。与压合过程一样，以编码键朝上，将插头放入工具。压紧工具把手，直到棘轮释放，完成压合。

测试非常重要

在现场测试以太网电缆可能有多种原因：在最初部署设备或更换现有电缆时，测试可以验证电缆是否符合所有性能要求。另外，电缆测试对于排除安装故障也很有用，可以准确地找出问题的根源。在以太网网络中，故障的来源可能有很多，例如连接器故障、电缆或屏蔽层破损，以及 EMI 敏感性增加等。

Hirose 的 DSX-CHA-5-IX-S 套件包含两个经过优化的适配器，可加快 ix 连接器和电缆组件的现场测试（图 6）。此产品可与 Fluke Networks 的 DSX CableAnalyzer 测试仪搭配使用。若使用这些适配器全面测试 IEEE 802.3 规格，可产生合格/不合格结果，并生成广泛的诊断信息，便于加速识别任何问题。

图 6：DSX-CHA-5-IX-S 适配器套件可加快 ix 连接器和电缆组件的现场测试。（图片来源：Fluke）

总结

设计人员可以使用 ix 连接器来支持工业 4.0 系统对高密度、稳固连接的需求。这些连接器具有以太网和非以太网配置以及各种机械配置，可支持一系列系统设计需求。焊接连接可用于大批量制作环境，而 IDC 型号则可用于在现场制作电缆组件。此外，市场上还有相关工具和测试仪，可确保制作的电缆组件满足所有 ix 性能要求。