如何使用工業用 USB-C 纜線來確保互通性、降低成本並改善可靠度

工業設施逐漸變成越來越複雜的配線網，裡面包括物聯網 (IoT) 節點，以及互連的數位電子元件。數位網路會透過有線通訊協定 (如乙太網路和 BACnet) 及無線網路通訊協定 (如 Wi-Fi 和藍牙) 進行標準化，但在控制電腦 (如單板電腦 (SBC) 或可編程邏輯控制器 (PLC)) 和周邊裝置 (如感測器或致動器) 之間的數位互連，可能會有很大的差異。

互連可以使用各式各樣相當類似，但卻完全不相容的纜線、連接器和引腳配置，結果帶來更多的困擾。

減少這些不相容性並確保互通性，同時又要降低成本、加速系統組裝，並改善可靠度的責任，就落在系統設計人員的身上。儘管工業環境的條件相當嚴苛，他們仍須解決這些問題。若要達成此目標，有個方式是對 IP67 或 IP68 等級的 USB-C 纜線組件進行標準化。如此一來，就可改善眾多設備之間的纜線組件相容性，技術人員的日子就好過多了。

本文將說明工業應用中的數位互連問題，以及如何透過將 USB-C 纜線和連接器的標準化，以簡易的數位互連解決上述諸多問題。接著會介紹多種獨具特性 (包括 IP67 合規性) 的 USB-C 連接器和纜線組件，包括 PEI-Genesis、Amphenol LTW 和 Bulgin 的產品。然後會探討這些元件如何提供普及、可靠且穩固的連線能力，以用於電腦對感測器／致動器應用中。

工業自動化的數位互連

工業設備是由控制電腦所管理，而這些電腦可以是 SBC、PLC 或鄰近的筆電。控制電腦往往連接至設備所需的鄰近裝置，而這些裝置可廣泛定義為感測器。包括開關、光學和環境感測器，以及馬達、螺線管或燈具等致動器。對於多數重工業設備而言，設備製造商的設計人員會挑選纜線端要用的連接器類型，並挑選要用的電氣協定。若是客製化的工業控制，工程師和技術人員則會挑選並安裝電腦、致動器、感測器、連接器和纜線。一旦選定連接器類型和電氣協定，之後便無法進行變更，否則改裝過程會很漫長，且成本代價極高。因此，規劃工業運作時，在設計流程的早期，便要決定感測器和致動器要用的數位互連類型，這一點極為重要。如同任何會廣泛運用互連數位系統的系統，運作規模越龐大，設備 (包括纜線) 若有標準化，就能省下越多的時間和金錢。

在安裝或重新配置設備時，技術人員必須有隨時可用的正確纜線，並且配有相容的連接器端子。乍看之下，兩個電氣不相容的纜線組件可能看似相同，甚至有看起來幾乎可相配的連接器，但事實並非如此。這種相容性不明確的狀況，會讓技術人員感到頭疼，也會拖延系統的部署。即便用正確的纜線，可能也要嘗試數次才能正確地將纜線上不可反向的鍵鎖式連接器接上設備，以確保連接穩固。在低光環境中，或在講究部署速度的情況下，將纜線組件標準化可減少工作上的挫折感，同時確保機器間的互通性。因為纜線組件可以大量採購，因此既省時也省成本。

USB-C 用於數位互連的優點

為了解決普遍的數位互連問題，USB-C 纜線組件適用於工業設備之間的大多數應用。USB-C 插頭和插座是旋轉對稱型的無鍵雙面插片式連接器。這可確保首次插入便有穩固的連接，不但省時又可減少挫折感，因此技術人員再也不用摸索找出鍵鎖式連接器的正確方位。此外，USB-C 纜線也能供電給感測器或致動器，帶來附加優點。

工業設施可以針對控制電腦、感測器及致動器之間的數位互連，將其所用的 USB-C 纜線與連接器進行標準化，如此就能簡化纜線組件庫存和連接器互通性。工業 IP67 USB-C 纜線和連接器均為耐用型元件，能承受嚴苛工業設施中常見的高溫、溶劑和液體。USB-C 工業纜線還能將功率和訊號損耗降至最低，且更能承受過度的彎曲力和扭轉力。

USB-C 連接器可支援 USB 2.0 和 USB 3.1。USB-C 標準要求 USB 3.1 埠和纜線組件必須向下相容於 USB 2.0 的 480 Mbit/s 速度。如此即可讓 USB 2.0 埠使用與 USB 3.1 相同的纜線組件，藉此避免相容性問題。不過，USB 3.1 可達到更快的速度。USB 3.1 Gen 1 纜線組件可支援高達 5 Gbit/s 的速度，而 USB Gen 2 纜線組件則支援高達 10 Gbit/s。為了判別傳輸速度，USB 規格要求纜線組件的每個末端都要使用 USB-C 連接器，以便在連接器外罩中嵌入 e-Marker 晶片，以判別纜線組件的最大功率和數據傳輸速度。首次插入 e-Marker 晶片時，USB 主機就隨時可取得其中的資料，且會將纜線的最大傳輸速度通報給 USB 主機，以確保 USB 主機能適當地傳送資料。僅支援 USB 2.0 速度的 USB-C 纜線組件，則沒要求使用 e-Marker 晶片，因此若未傳送晶片資料，USB 主機會以 480 Mbit/s 的速度傳送數據。

USB-C 標準允許的最大電力傳輸是 3 A/5 V DC，總共 15 W 功率的電力。這是一般 USB 纜線組件的標準規格。不過，USB 3.1 Gen 1 及後續規格則允許 5 A/20 V，共 100 W 功率的電力。針對 USB 3.1 電力傳輸設計的 USB-C 纜線組件，必須含有可確認電力傳輸容量的 e-Marker 晶片，否則 USB 主機會預設為 15 W。這可避免可能會破壞纜線的電力過載狀況，因此能改善安全性。

雖然此處的重點是數位互連 USB-C 纜線組件的標準化，但務必要瞭解纜線組件容量有三種：

1. USB 2.0 模式：無 e-Marker，能提供 15 W 功率及 480 Mbit/s 的數據
2. USB 3.1 Gen 1：有 e-Marker，能提供 100 W 功率及 5 Gbit/s 的數據
3. USB 3.1 Gen 2：有 e-Marker，能提供 100 W 功率及 10 Gbit/s 的數據

如果使用較低容量的 USB-C 纜線搭配正確配置的較高容量 USB-C 主機和元件，USB 主機會將功率和數據傳輸率調節成較低的容量。這可避免纜線上功率過載，進而提升安全性，同時可確保相容的數據傳輸率，進而改善可靠度。設施若想進一步簡化運作，可以只採用能提供最大所需功率和數據傳輸的標準。除非工業自動化設施需執行即時影片串流等高數據傳輸作業，否則統一採用 USB 3.1 Gen 1 纜線組件就是保險的選擇。通常，5 Gbit/s USB 3.1 Gen 1 纜線明定的最長距離為 2 m，這對控制電腦連接到鄰近感測器和致動器已經夠用。如果需要可靠地傳送 10 Gbit/s 的數據，USB 3.1 Gen 2 纜線明定了 1 m 的最長距離，因為若以更長的纜線傳送 10 Gbits/s，有可能會因為訊號反射或衰減而造成資料隨著纜線距離而損失。

USB-C 纜線組件

若設計人員期望在嚴酷環境中傳送高速數據，有幾種耐用且可靠的解決方案。比如 PEI-Genesis 供應的 IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 Gen 2 纜線組件 (圖 1)。此纜線長 1 m，可在 -20°C 至 +85°C 的環境內以額定值運作，適合絕大多數的嚴酷工業環境。纜線護套由聚氯乙烯 (PVC) 樹脂製成，這種材料擁有絕佳的耐水性和紫外線 (UV) 耐受性。商用護套若長期暴露在陽光下，則會裂開或褪色。

圖 1：Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M 是專為工業應用而設計的 1 m 長 USB-C 纜線組件。連接器附帶鎖緊螺帽墊片，可與感測器或致動器進行 IP67 等級的穩固防水連接。所示尺寸以 mm 為單位。(圖片來源：PEI-Genesis)

IPUSB-31WPCPC-1M 的一端是以模製 PVC 樹脂製成的標準 USB-C 插頭連接器，並附帶不鏽鋼 USB-C 插頭。此端會連接到 SBC 或 PLC 的 USB 主機連接器。另一端是密封的模製插頭，附帶尼龍鎖緊螺帽和橡膠墊片。這能為感測器或致動器提供穩固安全的 IP67 密封。

Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M 含有嵌入式 e-Marker 晶片，可判別對連接設備傳輸的容量。此 e-Marker 晶片可在纜線組件 -20°C 至 +85°C 的完整範圍內運作。如此便可確保正確地判別纜線，即使設備在任一極端溫度下啟動也沒問題。

極端環境中的 USB-C 連接性

針對極端嚴酷環境，Amphenol LTW 推出 UC30FL-NCML-SC01 USB-C 一公尺纜線組件 (圖 2)。整條纜線皆以聚丙烯塑膠 (PP) 導管包覆，可提供免於衝擊、切割力、角落彎曲造成應變的額外保護。此導管也能在極度振動下為封閉式纜線提供保護。導管已黏在纜線兩端，無法拆除。

圖 2：UC30FL-NCML-SC01 USB-C 纜線組件已封閉於 PP 導管內，可保護此封閉式纜線，以免受到衝擊和嚴苛振動的影響。尺寸以 mm 為單位。(圖片來源：Amphenol LTW)

纜線組件的一端為一般 USB-C 主機連接器，可插入 USB 主機。另一端是耐用型圓形連接器，並具有增強型防拉。此產品具有密封的模製插頭，搭配以尼龍鎖緊螺帽固定的矽墊片。如此就能提供防水、氣密的密封，可抵抗多數化學品。纜線和圓形連接器無論是否配接，都達到 IP67 等級，即使未連接時，也能保護圓形 USB-C 插頭免於環境影響。

UC30FL-NCML-SC01 具有 UL94V-0 等級防火性，表示 PP 纜線可承受長達 10 秒的火焰。此款 PP 纜線也能抗油、汽油和多數溶劑。每個插頭都能在 -40°C 至 +85°C 溫度內工作，而尼龍鎖緊螺帽和 PP 導管可承受 -40°C 至 +115°C 的更高溫度範圍。因此，這款纜線組件特別適合連接到工業汽油引擎和發電機內的感測器和致動器。

嵌入式 e-Marker 晶片可判別纜線是否支援 5 Gbit/s 的數據傳輸，適用於需要時常監控引擎運作，以獲得最大效率的高速汽油發電機。

航海應用中的 USB 感測器

在某些情況下，設備的控制電腦配有 USB-A 連接器，但需要連接到 USB-C 連接器。這就需要如同 Bulgin 的 PXP4040/C/A/2M00 USB-A 對 USB-C 纜線組件等纜線 (圖 3)。此種纜線的一端有 USB-A 插頭，另一端是圓形 USB-C 插頭，可在 -40°C 至 +80°C 溫度範圍內工作。USB-C 連接器和纜線浸在水下 10 m 處兩週也能運作。本產品也能抗鹽水，因此相當適合用於航海設備，包括油輪和貨櫃船上的工業機械。纜線組件具有 IP68 等級，而 USB-A 連接器則是例外，屬於 IP66 等級。

圖 3：PXP4040/C/A/2M00 一端為 USB-A 插頭，另一端為 USB-C 插頭。本產品可抗鹽水，且 USB-C 插頭可浸在水下 10 m 處長達兩週的時間。(圖片來源：Bulgin)

Bulgin 的 PXP4040/C/A/2M00 也具有 UL94V-0 的耐燃等級。纜線護套以 PVC 樹脂製成，因此適合用於海上甲板應用。

USB-C 纜線外殼以聚碳酸酯-聚對苯二甲酸丁二酯 (PC/PBT) 製成，此高強度的材料通常用於製作汽車保險槓。PC/PBT 連接器外罩對化學品有高抗性，又具有足夠的彈性，能承受最低至 -40°C 的低溫高衝擊性。即使遭強力撞擊，連接器會阻止破碎，只會稍微裂開。這可為 USB 安全感測器提供抗損害性，例如將連接器急速冷凍，再以鐵鎚敲擊的冷凍攻擊。

USB-C 規格並不允許將 e-Marker 晶片嵌入一端有 USB-A 插頭的纜線。本纜線組件明定在 2 m 的長度內，提供高達 5 A 的電流，並支援 5 Gbit/s 的數據傳輸率，但有些 USB-C 周邊裝置可能會缺少 e-Marker 晶片，並預設成 480 Mbit/s。

結論

針對工業環境中數位互連的 USB-C 纜線組件進行標準化，可簡化纜線庫存；此外，由於插頭和插座採用旋轉式對稱設計，可提供快速簡便的連接性。USB-C 纜線能判別向主機控制電腦傳輸的功率和數據容量，藉此避免資料損失和危險的電力過載狀況。此外，在工業系統中正確挑選並使用合適的 USB-C 纜線組件，也可改善可靠度、減少維護並降低整體成本。