機器人、機器視覺(jué)、控制器、伺服放大器和服務(wù)器等工業(yè) 4.0 應用，對高密度、快速可靠的以太網(wǎng)連接的需求在不斷增長(cháng)。在工業(yè) 4.0 設備中，以太網(wǎng)連接不僅需要支持高達 10 Gb/s 的通信速度，具有防電磁干擾 (EMI) 保護，還需要提供穩固的配接和鎖定機制以防止意外拔出電纜，同時(shí)還要能耐受高振動(dòng)條件，并具有出色的插拔壽命。這類(lèi)連接器必須足夠緊湊，才能支持工業(yè) 4.0 應用日益增長(cháng)的互連和系統密度。

雖然傳統的 RJ45 以太網(wǎng)連接器可以滿(mǎn)足部分要求，但它們相對笨重，不能提供當今設計所需的安裝靈活性。

為了應對這些挑戰，設計人員可以選用 ix 工業(yè)連接器來(lái)連接高速以太網(wǎng)電纜，包括 Cat5e (1 Gb/s) 和 Cat6a (10 Gb/s)。這類(lèi)連接器比 RJ45 連接器小 75%，可提供高水平的 EMI 防護和電磁兼容性 (EMC)，實(shí)現安全的數據傳輸，并符合 IEC 61076-3-124 的要求。

本文首先對 RJ45 和 ix 工業(yè)連接器選項進(jìn)行了比較。隨后，本文介紹了用于以太網(wǎng)和非以太網(wǎng)連接的 A 型和 B 型 ix 連接器，并探討了 ix 連接器的各種配置選項，以及 Hirose 的一些代表性連接器。最后介紹了裝配和測試 ix 電纜的相關(guān)工具，以確保正確實(shí)施。

RJ45 與 ix 連接器的比較

許多工業(yè) 4.0 應用需要通過(guò)模塊化連接進(jìn)行快速部署和重新配置。這些系統通常會(huì )將傳統設備與新設計相結合。它們會(huì )使用高速工業(yè)以太網(wǎng)以及其他要求互操作性和高可用性的協(xié)議。所謂的注冊式插孔 (RJ) 連接器在傳統設備中很常見(jiàn)，如具有八針八觸點(diǎn) (8P8C) 的 RJ45 連接器，常用于基礎以太網(wǎng)連接。

新興的工業(yè) 4.0 系統需要更高的互連密度和靈活性。除了比 RJ45 解決方案小 75% 外，ix 連接器還可實(shí)現 10 mm 間距的并行安裝，印刷電路板（PC 板）上安裝 3 個(gè) RJ45 連接器的空間能夠裝入 6 個(gè) ix 連接器（圖 1）。


圖 1：ix 連接器具有 10 mm 安裝間距，PC 板上安裝 3 個(gè) RJ45 連接器的空間能夠裝入 6 個(gè) ix 連接器。（圖片來(lái)源：Hirose）

堅固耐用

IEC 61076-3-124 規定了 ix 連接器的尺寸、機械、電氣、傳輸特性以及環(huán)境要求。Hirose 的 ix 連接器超越了 IEC 61076-3-124 的要求，符合日本工業(yè)標準 JIS E4031 針對機車(chē)車(chē)輛設備的沖擊和振動(dòng)測試的要求。此連接器還符合 GigE Vision 攝像機接口標準，支持通過(guò)千兆位以太網(wǎng)，以非常長(cháng)和低成本的標準電纜快速傳輸圖像。ix 連接器具有大電流觸點(diǎn)，支持使用以太網(wǎng)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(kāi)始就以工業(yè)應用為設計考量，而 RJ45 連接器最初是針對消費者和商業(yè)電信設備而開(kāi)發(fā)，然后經(jīng)過(guò)調整后用于工業(yè)環(huán)境。例如，ix 連接器有兩個(gè)金屬制成的卡入式鎖鉤，可提供觸覺(jué)和聲音反饋來(lái)確認插頭和插座之間的連接是否牢固。工業(yè) RJ45 連接器只有一個(gè)鎖鉤。

ix 連接器插座的外殼設計具有機械穩固性，并增強了 EMC 性能。這些插座有 5 個(gè)通孔式固定卡舌，每邊 2 個(gè)，背面兩組信號觸點(diǎn)之間還有 1 個(gè)，而 RJ45 連接器只有 3 個(gè)卡舌。與 RJ45 插座上的卡舌相比，ix 連接器插座上的卡舌也更加堅固。當焊接到 PC 板上時(shí)，ix 插座的卡舌可以保護信號觸點(diǎn)在插頭插拔時(shí)不會(huì )受到壓力。此外，這些卡舌還能提高插座耐受沖擊和振動(dòng)的能力。焊接后，卡舌會(huì )直接連接到 PC 板的地線(xiàn)，繼而加強了 EMI 防護（圖 2）。


圖 2：插座上的 5 個(gè)通孔式卡舌可保護信號觸點(diǎn)，增強抗沖擊和振動(dòng)性能，并提高 ix 連接器的 EMC 性能。（圖片來(lái)源：Hirose）

模塊化和可重新配置系統的采用，正在改變對連接器性能的期望。連接器安裝后不再固定在某個(gè)位置。生產(chǎn)站點(diǎn)、工具及其他系統組件都需要能夠頻繁地重新排布，以支持大規模定制，而這正是工業(yè) 4.0 的一大特征。因此，連接器在其生命周期內可能會(huì )被插拔數百次或數千次。Hirose 的 ix 連接器經(jīng)過(guò)嚴格的設計和測試，能夠在 5000 次插拔后，依然滿(mǎn)足 IEC 61076-3-124 的所有性能要求。

非以太網(wǎng)連接

IEC 61076-3-124 支持以太網(wǎng)和非以太網(wǎng)連接。為了防止誤接，分別為以太網(wǎng)和非以太網(wǎng) ix 連接器使用了標有 ‘A’ 和 ‘B’ 的單獨機械編碼方案（圖 3）：

· 'A' 型 ix 連接器能夠處理高達 10 Gb/s 的傳輸速率，可以支持 PoE 和 PoE+，并可通過(guò)插座左下角的 45° 偏振倒角進(jìn)行識別。
· ‘B’ 型 ix 連接器可用于所有非以太網(wǎng)應用，如信號發(fā)送協(xié)議、各種串行及其他工業(yè)通信協(xié)議，可以通過(guò)位于插座左上角的 45° 倒角進(jìn)行識別。


圖 3：ix 連接器有兩種機械編碼設計，可防止將以太網(wǎng)插頭插入非以太網(wǎng)插座，或將非以太網(wǎng)插頭插入以太網(wǎng)插座。（圖片來(lái)源：Hirose）

集成靈活性

這些連接器也增強了系統集成的靈活性。電纜可以通過(guò)焊接或使用絕緣位移連接 (IDC) 連接至 ix 連接器插座。焊接連接可以加快電纜組件在工廠(chǎng)環(huán)境中的制作速度。IDC 連接通常用于現場(chǎng)制作電纜組件，由于減少了剝線(xiàn)、捻線(xiàn)和焊接，安裝時(shí)間最多可縮短 50%。目前有四個(gè)對應的連接器系列，分別是 30、31、32 和 40 系列。前三個(gè)系列可支持各種 IDC 電纜尺寸，第四個(gè)可用于焊接連接：

· 30：IDC 使用 26 至 28 號美國線(xiàn)規 (AWG) 的電線(xiàn)，絕緣子外徑為 0.95 至 1.05 mm
· 31：IDC 使用 24 至 25 號 AWG 的電線(xiàn)，絕緣子外徑為 1.1 至 1.25 mm
· 32：IDC 使用 22 號 AWG 的電線(xiàn)，絕緣子外徑為 1.4 至 1.6 mm
· 40：手動(dòng)焊接

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

· 立式 90 度，可平行安裝，間距為 10 mm，可節省高密度系統的 PC 板空間
· 垂直型允許連接器從頂部配接
· 扁平型 90 度插座高 5.7 mm，不到 RJ45 連接器的一半高度

插頭配置包括：

· 直通式布線(xiàn)
· 90 度向上布線(xiàn)
· 90 度向下布線(xiàn)


圖 4：插座有三種樣式；在三個(gè)電路板上，每一個(gè)都顯示了不同的樣式。每個(gè)電路板都包括三種樣式的 ix 連接器插頭。（圖片來(lái)源：Hirose）

ix 連接器示例

除了上面詳述的配置和選項外，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(diǎn)表面。Hirose 的數十種 ix 連接器示例包括：

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

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 鍍金

IX60G-A-10P，A 型 90 度插座，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 90 度向上插頭，0.2 μm 鍍金

IX30G-B-10S-CVL1(7.0)，B 型 90 度向下插頭，0.2 μm 鍍金

現場(chǎng)裝配

工業(yè)以太網(wǎng)應用要求高可用性，因此電纜的現場(chǎng)裝配是一個(gè)重要的考量因素。它可以加快設備的安裝，特別是在模塊化結構中，方便快速更換已磨損或損壞的電纜組件。為了滿(mǎn)足現場(chǎng)裝配的需求，Hirose 提供了 HT803/IXG-8/10S-63-72 電纜裝配工具，可用于 IX30G、IX31G 和 IX32G IDC 型號的 ix 連接器（圖 5）。這種組合工具可將電纜和插頭壓接在一起，并將防護罩壓合至組件上。對于 IX40G 焊接式連接器，該工具僅用于壓合。


圖 5：此手工工具可用于在現場(chǎng)制作 ix 電纜組件。（圖片來(lái)源：Hirose Electric）

此電纜裝配工具適用于 22 至 28 AWG，采用七股退火銅線(xiàn)且絕緣層外徑為 6.3 至 7.2 mm 的屏蔽電纜。操作簡(jiǎn)單快捷。

壓接：以編碼鍵朝上，將插頭放入工具，然后將電纜插入插頭。壓緊工具把手，完成壓接。此工具包括一個(gè)棘輪機構，可確保在施加足夠壓力實(shí)現牢固壓接之前，工具不會(huì )打開(kāi)。當達到所需壓力時(shí)，棘輪會(huì )自動(dòng)釋放。

壓合：將屏蔽外殼和殼體放入工具中（提供有特殊的切口，可確保正確放置）。與壓合過(guò)程一樣，以編碼鍵朝上，將插頭放入工具。壓緊工具把手，直到棘輪釋放，完成壓合。

測試非常重要

在現場(chǎng)測試以太網(wǎng)電纜可能有多種原因：在最初部署設備或更換現有電纜時(shí)，測試可以驗證電纜是否符合所有性能要求。另外，電纜測試對于排除安裝故障也很有用，可以準確地找出問(wèn)題的根源。在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中，故障的來(lái)源可能有很多，例如連接器故障、電纜或屏蔽層破損，以及 EMI 敏感性增加等。

Hirose 的 DSX-CHA-5-IX-S 套件包含兩個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的適配器，可加快 ix 連接器和電纜組件的現場(chǎng)測試（圖 6）。此產(chǎn)品可與 Fluke Networks 的 DSX CableAnalyzer 測試儀搭配使用。若使用這些適配器全面測試 IEEE 802.3 規格，可產(chǎn)生合格/不合格結果，并生成廣泛的診斷信息，便于加速識別任何問(wèn)題。


圖 6：DSX-CHA-5-IX-S 適配器套件可加快 ix 連接器和電纜組件的現場(chǎng)測試。（圖片來(lái)源：Fluke）

總結

設計人員可以使用 ix 連接器來(lái)支持工業(yè) 4.0 系統對高密度、穩固連接的需求。這些連接器具有以太網(wǎng)和非以太網(wǎng)配置以及各種機械配置，可支持一系列系統設計需求。焊接連接可用于大批量制作環(huán)境，而 IDC 型號則可用于在現場(chǎng)制作電纜組件。此外，市場(chǎng)上還有相關(guān)工具和測試儀，可確保制作的電纜組件滿(mǎn)足所有 ix 性能要求。