如何滿足工業 4.0 對高密度和穩定連線的要求

機器人、機械視覺、控制器、伺服放大器和伺服器等工業 4.0 應用，對於高密度、快速和可靠的乙太網路連線的需求在不斷增長。在工業 4.0 元件中，乙太網路連線不僅要支援高達 10 Gbit/s 的通訊速度、需具備防電磁干擾 (EMI) 保護，還要提供穩固的配接和鎖定機制以免纜線意外拔除，同時還要承受劇烈振動狀況，並具備出色的配接／斷開壽命。這些連接器必須夠小，才能支援工業 4.0 應用中不斷增加的互連和系統密度。

雖然傳統 RJ45 乙太網路連接器可以滿足部分要求，但體積相對龐大，不能提供當今設計所需的安裝靈活性。

為了應對這些挑戰，設計人員可以轉用適用於高速乙太網路纜線的 ix 工業連接器，包括 Cat5e (1 Gbit/s) 與 Cat6a (10 Gbit/s)。這些連接器比 RJ45 連接器小 75%，可提供高等級的 EMI 保護與電磁相容性 (EMC)，以維護資料傳輸的安全性，且符合 IEC 61076-3-124 的要求。

本文首先會對比 RJ45 和 ix 工業連接器選項，然後介紹適用於乙太網路和非乙太網路連線的 A 類和 B 類 ix 連接器，並探討 ix 連接器可用的各種配置選項，以介紹 Hirose 的一些代表性連接器。最後會介紹組裝和測試 ix 纜線的相關工具，以確保正確實作。

RJ45 與 ix 連接器

許多工業 4.0 應用需要透過模組化連線進行快速部署和重新配置。這些系統通常會將傳統設備與新設計結合起來，並且使用高速工業乙太網路，以及其他要求互通性和高可用性的通訊協定。所謂的水晶頭 (RJ) 連接器在傳統設備中很常見，如具有八針八觸點 (8P8C) 的 RJ45 連接器，就常用於基本的乙太網路連線中。

新興的工業 4.0 系統對於互連密度和靈活性的需求更高。除了比 RJ45 解決方案小 75% 之外，ix 連接器還可支援平行的 10 mm 間距安裝；在相同的印刷電路板 (PCB) 空間內可放置六個 ix 連接器，但 RJ45 連接器只能放三個 (圖 1)。

圖 1：10 mm 的安裝間距可讓六個 ix 連接器裝在 PCB上，但相同空間只能裝三個 RJ45 連接器。(圖片來源：Hirose)

堅固耐用

IEC 61076-3-124 針對 ix 連接器在尺寸、機械、電氣、傳輸特性和環境要求方面，提供相關規格。Hirose 的 ix 連接器超越 IEC 61076-3-124 標準，且符合日本鐵道車輛設備在衝擊與振動測試上的產業標準 JIS E4031。更符合 GigE Vision 攝影機介面標準，能夠透過 Gigabit 乙太網路，以非常長且低成本的標準纜線，達到快速的影像傳輸。具有高電流觸點，可支援使用乙太網路供電 (PoE) 和 PoE+ 應用，且符合 IEEE 802.3af 和 IEEE 802.3at 標準。

ix 連接器系統從一開始就以工業應用為設計考量，而 RJ45 連接器最初是針對消費者和商業電信設備而開發，之後再經過調整用於工業環境。例如，ix 連接器有兩個由金屬製成的扣入式鎖定鉤，可提供觸覺和聽覺回饋，可確認插頭和插槽之間的連接是否牢固。而工業用 RJ45 連接器只有一個鎖定鉤。

ix 連接器插槽的外殼設計，可提供機械耐用性，並增強 EMC 效能。這些插槽有五個通孔式固定卡舌，兩側各有兩個，背面兩組訊號觸點之間還有一個，而 RJ45 連接器只有三個卡舌。相較於 RJ45 插槽的卡舌，ix 連接器插槽的卡舌也更加堅固耐用。焊接到 PCB 後，無論是否配接插頭，ix 插槽卡舌皆可保護訊號觸點免受應力影響。此外，還能提高插槽承受衝擊和振動的能力。焊接後，卡舌會直接連接至 PCB 的接地，繼而增強 EMI 保護 (圖 2)。

圖 2：插槽上的五個通孔式卡舌可保護訊號觸點、增強衝擊和振動保護，並提高 ix 連接器的 EMC 效能。(圖片來源：Hirose)

模組化和可重新配置系統的使用，逐漸改變人們對連接器的期望。連接器不再終其壽命都在設備上保持不動。生產站、工具及其他系統元件都需要能夠頻繁地重新排列，以支援大量客製化作業，而這正是工業 4.0 的特徵之一。因此，在使用壽命期間，連接器可能會插拔數百次或數千次。Hirose 的 ix 連接器經過嚴格的設計和測試，能夠在 5,000 次插拔次數後，依然符合 IEC 61076-3-124 的所有效能要求。

非乙太網路連線

IEC 61076-3-124 可支援乙太網路和非乙太網路連線。為避免誤接，乙太網路和非乙太網路 ix 連接器分別使用標籤為「A」和「B」的機械編碼方案 (圖 3)：

• 「A」型 ix 連接器能夠處理高達 10 Gbit/s 的傳輸率。可以支援 PoE 和 PoE+，並可透過插槽左下角的 45° 極化倒角來識別。
• 「B」型 ix 連接器可用於所有非乙太網路應用，例如訊號發送，以及多種序列和其他工業通訊協定。此類連接器可透過插槽左上角的 45° 倒角來識別。

圖 3：ix 連接器提供兩種機械編碼設計，可避免乙太網路插頭插入非乙太網路插槽中，反之亦然。(圖片來源：Hirose)

整合靈活性

這些連接器還增強了系統整合的靈活性。纜線可以透過焊接或使用絕緣置換連接器 (IDC) 連接至 ix 連接器插槽。焊接連接可加快纜線組件在工廠環境中的製作速度。IDC 連接通常用於現場製作纜線組件，由於少了剝線、絞線和焊接作業，因此安裝時間最多可縮短 50%。有四個對應的連接器系列，分別為 30、31、32 和 40 系列。前三個系列可支援不同的 IDC 纜線尺寸，第四個系列則用於焊接連接：

• 30：IDC 使用 26 至 28 號美國線規 (AWG) 的電線，絕緣體外徑範圍為 0.95 至 1.05 mm
• 31：IDC 使用 24 至 25 AWG 的電線，絕緣體外徑範圍為 1.1 至 1.25 mm
• 32：IDC 使用 22 AWG 的電線，絕緣體外徑範圍為 1.4 至 1.6 mm
• 40：手焊

Hirose 還提供具有三種插槽配置和三種插頭配置的 ix 連接器，可滿足特定的應用需求 (圖 4)。插槽配置包括：

• 直立直角，可平行安裝，間距為 10 mm，可在高密度系統中節省 PCB 空間
• 垂直類型允許連接器從頂端配接
• 薄型直角插槽的高度為 5.7 mm，不到 RJ45 連接器的一半

插頭配置包括：

• 直通式佈線
• 向上直角佈線
• 向下直角佈線

圖 4：插槽共有三種樣式；三個電路板各顯示不同的樣式。每個電路板都包含三種樣式的 ix 連接器插頭。(圖片來源：Hirose)

ix 連接器範例

除了以上詳述的配置和選項之外，Hirose 還為設計人員提供了一系列鍍金或鍍鈀鎳外加鍍金的觸點表面。Hirose 的數十種 ix 連接器範例包括：

IX80G-B-10P(01)，B 型垂直插槽，0.75 μm 鈀鎳和 0.05 μm 鍍金

IX80G-A-10P(01)，A 型垂直插槽，0.75 μm 鈀鎳和 0.05 μm 鍍金

IX61G-B-10P，B 型向上直角插槽，0.2 μm 鍍金

IX60G-A-10P，A 型直角插槽，0.2 μm 鍍金

IX31G-A-10S-CV(7.0)，A 型直通式插頭，0.2 μm 鍍金

IX30G-A-10S-CVL2(7.0)，A 型向上直角插頭，0.2 μm 鍍金

IX30G-B-10S-CVL1(7.0)，B 型向下直角插頭，0.2 μm 鍍金

現場裝配

工業乙太網路應用需具備高可用性，因此纜線的現場裝配是重要的考量因素。這可加快設備安裝，特別是在模組化架構中，有利於快速更換已磨損或受損的纜線組件。為了滿足現場裝配的需求，Hirose 提供 HT803/IXG-8/10S-63-72 纜線裝配工具，可搭配 IX30G、IX31G 和 IX32G IDC ix 連接器使用 (圖 5)。此綜合工具可將纜線和插頭壓接在一起，然後以型鍛方式將保護殼固定在組件上。若是 IX40G 焊接式連接器，則僅用於壓合。

圖 5：此手工具可在現場製作 ix 纜線組件。(圖片來源：Hirose Electric)

此纜線裝配工具適用於 22 至 28 AWG，採用七股絞合退火銅線且外部絕緣直徑為 6.3 至 7.2 mm 的屏蔽式纜線。操作快速且簡便。

壓接：以編碼鍵朝上，將插頭插入工具中，然後將纜線插入插頭中。緊壓手柄完成壓接。此工具含有一個棘輪機制，可確保在施加足夠壓力以產生良好壓接連接之前，不會打開。當達到所需壓力時，棘輪會自動鬆開。

型鍛：將屏蔽殼和套殼放入工具中 (具有特殊切口，可確保正確放置)。如同壓接過程，以編碼鍵朝上，將插頭插入工具中。緊壓手柄，直到棘輪鬆開完成型鍛。

務必測試

在現場測試乙太網路纜線的原因有很多種。在設備初次部署或更換現有纜線時，纜線可藉由測試以驗證是否符合所有效能要求。進行故障排除以確定問題來源時，纜線測試也很有用。在乙太網路中，有多種故障來源可能性，例如連接器故障、纜線或屏蔽受損，以及 EMI 易受性增加等。

Hirose 的 DSX-CHA-5-IX-S 套件包含兩個經過最佳化的配接器，可加速 ix 連接器與纜線組件的現場測試 (圖 6)。此產品可搭配 Fluke Networks 的 DSX CableAnalyzer 測試器使用。使用這些配接器徹底測試 IEEE 802.3 規範，就可得到通過／失敗結果，並可進行全面性診斷，加快找出問題。

圖 6：DSX-CHA-5-IX-S 配接器套件可加快 ix 連接器和纜線組件的現場測試。(圖片來源：Fluke)

結論

設計人員可以使用 ix 連接器來支援工業 4.0 系統對高密度、穩定連線的需求。這些連接器提供乙太網路和非乙太網路配置，以及多種機械配置，可支援一系列系統設計需求。焊接連接可用於大量製造環境，而 IDC 型號則可用於現場製作纜線組件。此外，市面上還有相關工具和測試器，可確保製作的纜線組件符合所有 ix 效能需求。

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