Cómo utilizar los cables industriales USB-C para garantizar la interoperabilidad, reducir los costes y mejorar la fiabilidad

Las instalaciones industriales son un entramado de cableado cada vez más complejo, que incluye la conexión en red de los nodos del Internet de las cosas (IoT) junto con la interconexión de la electrónica digital. Mientras que la interconexión digital está estandarizada mediante protocolos por cable como Ethernet y BACnet, y protocolos de interconexión inalámbrica como Wi-Fi y Bluetooth, la interconexión digital entre computadoras de control, como los computadoras monoplaca (SBC) o los controladores lógicos programables (PLC), y periféricos como sensores o actuadores, puede variar mucho.

Para confundir aún más las cosas, los interconectores pueden utilizar una variedad de cables, conectores y pinouts que parecen muy similares, pero que son totalmente incompatibles.

Los diseñadores de sistemas tienen la responsabilidad de reducir estas incompatibilidades y garantizar la interoperabilidad, al tiempo que reducen los costos, aceleran el montaje del sistema y mejoran la fiabilidad, a pesar de las duras condiciones del entorno industrial. Una forma de lograrlo es estandarizar un conjunto de cables USB-C con clasificación IP67 o IP68. Esto puede facilitar mucho la vida de los técnicos al mejorar la compatibilidad del montaje de los cables en una serie de equipos.

Este artículo describe los problemas de la interconexión digital en las aplicaciones industriales y cómo la estandarización de los cables y conectores USB-C para la interconexión digital simple puede resolver muchos de estos problemas. A continuación, presenta una variedad de conectores USB-C y conjuntos de cables con características únicas, incluyendo el cumplimiento de IP67, de PEI-Genesis, Amphenol LTW y Bulgin, antes de discutir cómo pueden proporcionar una conectividad ubicua, fiable y resistente para aplicaciones de computadora a sensor/actuador.

Interconexión digital en la automatización industrial

Los equipos industriales se gestionan mediante computadoras de control, que pueden ser un SBC, un PLC o un portátil cercano. La computadora de control suele conectarse a los dispositivos cercanos que necesita el equipo, que pueden definirse a grandes rasgos como sensores. Entre ellos se encuentran los interruptores, los sensores ópticos y ambientales, y los actuadores, como motores, solenoides o luces. En la mayoría de los equipos industriales pesados, los diseñadores del fabricante del equipo seleccionan el tipo de conector utilizado para los extremos del cable y seleccionan el protocolo eléctrico utilizado. Para un control industrial a medida, los ingenieros y técnicos seleccionan e instalan el ordenador, los actuadores, los sensores, los conectores y los cables. Una vez seleccionados el tipo de conector y el protocolo eléctrico, no se puede cambiar posteriormente sin un largo y costoso proceso de reequipamiento. Por ello, a la hora de planificar la operación industrial, es importante decidir el tipo de interconexión digital que se utilizará para los sensores y actuadores en una fase muy temprana del proceso de diseño. Como ocurre con cualquier sistema que haga un uso extensivo de los sistemas digitales interconectados, cuanto mayor sea la operación, más tiempo y dinero se puede ahorrar estandarizando los equipos, incluidos los cables.

A la hora de configurar o reconfigurar los equipos, los técnicos deben tener a mano el cableado adecuado con terminaciones de conectores compatibles. A primera vista, dos conjuntos de cables eléctricamente incompatibles pueden tener el mismo aspecto e incluso pueden tener conectores similares que parece que podrían encajar, pero no lo hacen. Esta compatibilidad no evidente puede frustrar a los técnicos y retrasar la implantación del sistema. Incluso cuando se utilizan cables adecuados, pueden ser necesarios varios intentos para orientar correctamente un conector con llave no reversible del cable al equipo para garantizar una conexión sólida. En un entorno con poca luz o en el que la velocidad de despliegue es esencial, la estandarización de un conjunto de cables reduce la frustración al tiempo que garantiza la interoperabilidad entre máquinas. Esto no solo ahorra tiempo, sino también costes, ya que el conjunto de cables puede comprarse al por mayor.

Ventajas del USB-C para la interconexión digital

Para abordar el problema de la interconexión digital omnipresente, los conjuntos de cables USB-C son adecuados para la mayoría de las aplicaciones entre equipos industriales. Las clavijas y receptáculos USB-C son conectores de cuchilla de doble cara sin llave y con simetría de rotación. Esto garantiza una conexión sólida en la primera inserción, ahorrando tiempo y frustración para que los técnicos ya no tengan que tantear para orientar correctamente un conector con llave. Los cables USB-C también pueden proporcionar energía al sensor o al actuador, una ventaja añadida.

Una instalación industrial puede estandarizar el cableado y los conectores USB-C para la mayor parte de la interconexión digital entre las computadoras de control y los sensores y actuadores, simplificando el inventario de montaje de cables y la interoperabilidad de los conectores. Los cables y conectores USB-C industriales IP67 son muy resistentes y pueden soportar el calor, los disolventes y los líquidos que suelen encontrarse en las instalaciones industriales más duras. Los cables industriales USB-C también están construidos para minimizar la pérdida de energía y señal y son más tolerantes a los abusos de las fuerzas de flexión y torsión.

Los conectores USB-C pueden soportar USB 2.0 y USB 3.1. El estándar USB-C requiere que los puertos USB 3.1 y los conjuntos de cables sean compatibles con velocidades USB 2.0 de 480 megabits por segundo (Mbits/s). Esto evita problemas de compatibilidad al permitir que los puertos USB 2.0 utilicen los mismos conjuntos de cables que los USB 3.1. Sin embargo, el USB 3.1 permite velocidades mucho mayores. Los conjuntos de cables USB 3.1 Gen 1 admiten hasta 5 gigabits por segundo (Gbits/s), mientras que los conjuntos de cables USB Gen 2 admiten hasta 10 Gbits/s. Para identificar la velocidad de transmisión, los conjuntos de cables con conectores USB-C en cada extremo están obligados por la especificación USB a tener un chip e-marker incrustado en la carcasa del conector que identifica la potencia máxima del conjunto de cables y la velocidad de transmisión de datos. Los datos del chip e-marker son leídos por el host USB en la primera inserción e informan al host USB sobre la velocidad máxima de transmisión del cable, asegurando que el host USB envíe los datos adecuadamente. Los conjuntos de cables USB-C que solo admiten velocidades USB 2.0 no están obligados a tener un chip de marcado electrónico, por lo que si no se envían datos del chip, el host USB enviará datos a 480 Mbits/s.

El estándar USB-C permite una entrega de energía máxima de 3 amperios (A) a 5 voltios DC para un total de 15 vatios de potencia. Este es el estándar para los conjuntos de cables USB comunes. Sin embargo, la especificación para USB 3.1 Gen 1 y posteriores permite 5 A a 20 voltios para 100 vatios de potencia. Los conjuntos de cables USB-C diseñados para la entrega de energía USB 3.1 deben contener un chip marcador electrónico que identifique la capacidad de entrega de energía o el host USB se ajustará por defecto a 15 vatios. Esto mejora la seguridad al evitar condiciones de sobrecarga de energía que podrían destruir el cable.

Aunque el enfoque aquí es la estandarización de los conjuntos de cables USB-C para la interconexión digital, es importante tener en cuenta que hay tres capacidades de montaje de cables:

1. Modo USB 2.0: sin marcador electrónico, puede suministrar 15 vatios de potencia y 480 Mbits/s de datos
2. USB 3.1 Gen 1: e-marker, proporciona 100 vatios de potencia y 5 Gbits/s de datos
3. USB 3.1 Gen 2: e-marker, proporciona 100 vatios de potencia y 10 Gbits/s de datos

Si se utiliza un cable USB-C de menor capacidad con hosts y dispositivos USB-C de mayor capacidad debidamente configurados, el host USB acelerará la energía y los datos a la capacidad inferior. Esto aumenta la seguridad al evitar una sobrecarga de energía en el cable, al tiempo que mejora la fiabilidad al garantizar velocidades de datos compatibles. Una instalación puede simplificar esto aún más utilizando sólo el estándar que proporciona la máxima potencia y entrega de datos requerida. A menos que una instalación de automatización industrial realice operaciones de gran cantidad de datos, como la transmisión de vídeo en directo, estandarizar los conjuntos de cables USB 3.1 Gen 1 puede ser una opción segura. Normalmente, los cables USB 3.1 Gen 1 de 5 Gbit/s están especificados para un máximo de 2 metros (m), lo que es suficiente para que los ordenadores de control se conecten a los sensores y actuadores cercanos. Si es necesario enviar datos a 10 Gbit/s de forma fiable, los cables USB 3.1 Gen 2 están especificados para un máximo de 1 m, ya que el envío de 10 Gbits/s a través de cables más largos puede provocar una pérdida de datos a lo largo del cable debido a la reflexión o atenuación de la señal.

Conjuntos de cables USB-C

Para los diseñadores que esperan enviar datos de alta velocidad en un entorno adverso, hay una serie de soluciones resistentes y fiables. Por ejemplo, PEI-Genesis suministra el conjunto de cables IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 Gen 2 (Figura 1). El cable tiene una longitud de 1 m y está preparado para funcionar entre -20 °C y +85 °C, lo que resulta adecuado para la mayoría de los entornos industriales difíciles. La cubierta del cable está hecha de resina de cloruro de polivinilo (PVC) que tiene una excelente resistencia al agua y tolerancia a los rayos ultravioleta (UV). Las chaquetas comerciales pueden agrietarse o decolorarse bajo una exposición prolongada a la luz solar.

Figura 1: El Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M es un conjunto de cables USB-C de 1 m hecho para aplicaciones industriales. El conector con la junta de tuerca de seguridad proporciona una conexión segura a prueba de agua IP67 a un sensor o actuador. Las dimensiones indicadas están en milímetros. (Fuente de la imagen: PEI-Genesis)

El IPUSB-31WPCPC-1M tiene un conector de enchufe USB-C estándar en un extremo hecho de resina de PVC moldeada con un enchufe USB-C de acero inoxidable. Este extremo se conecta a un conector de host USB en el SBC o PLC. El otro extremo tiene un tapón moldeado sellado con una tuerca de bloqueo de nylon y una junta de goma. Esto proporciona un sello sólido y seguro IP67 al sensor o actuador.

El Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M contiene un chip marcador electrónico integrado que identifica su capacidad para el equipo conectado. El chip marcador electrónico funciona en todo el rango de -20 °C a +85 °C del conjunto de cables. Esto garantiza que el cable pueda ser identificado correctamente incluso cuando el equipo se enciende en cualquiera de los dos extremos de temperatura.

Conectividad USB-C en entornos extremos

Para entornos extremadamente duros, Amphenol LTW ofrece el conjunto de cables USB-C de un metro UC30FL-NCML-SC01 (Figura 2). Toda la longitud del cable está rodeada por un conducto de plástico de polipropileno (PP) que proporciona una protección adicional contra los golpes, las fuerzas de corte y la tensión de la flexión en las esquinas. El conducto también proporciona protección para el cable encerrado cuando está sometido a vibraciones extremas. El conducto está pegado a cada extremo del cable y no se puede quitar.

Figura 2: El conjunto de cables USB-C del UC30FL-NCML-SC01 está encerrado en un conducto de PP que protege el cable encerrado de golpes y vibraciones fuertes. Las dimensiones están en milímetros. (Fuente de la imagen: Amphenol LTW)

El conjunto de cables tiene un conector de host USB-C común en un extremo que se conecta al host USB. El otro extremo tiene un conector circular de alta resistencia con un alivio de tensión reforzado. Dispone de un tapón moldeado sellado con una junta de silicona asegurada por una contratuerca de nylon. Esto proporciona un sello impermeable y hermético que es resistente a la mayoría de los productos químicos. El cable y el conector circular tienen la clasificación IP67, tanto acoplado como desacoplado, lo que protege el conector circular USB-C del entorno incluso cuando no está conectado.

El UC30FL-NCML-SC01 es resistente al fuego según la norma UL94V-0, lo que significa que el cable de PP puede soportar hasta 10 segundos de llamas. El cable de PP también es resistente al aceite, la gasolina y la mayoría de los disolventes. Cada enchufe puede funcionar entre -40 °C y +85 °C, mientras que la tuerca de bloqueo de nylon y el conducto de PP pueden soportar temperaturas más altas, de -40 °C a +115 °C. Esto hace que este conjunto de cables sea especialmente apropiado para conectarse a sensores y actuadores en motores de gasolina y generadores industriales.

El chip e-marker incrustado identifica el cable como compatible con transferencias de datos de 5 Gbit/s, apropiado para generadores de gasolina de alta velocidad que necesitan supervisar constantemente el funcionamiento del motor para maximizar su eficiencia.

Sensores USB en aplicaciones marinas

En algunos casos, el ordenador de control del equipo tiene un conector USB-A pero necesita conectarse a un conector USB-C. Para ello es necesario un cable como el conjunto de cables USB-A a USB-C PXP4040/C/A/2M00 de Bulgin (Figura 3). Este cable tiene una clavija USB-A en un extremo y una clavija circular USB-C en el otro y funciona a más de -40 °C a +80 °C. El conector USB-C y el cable pueden funcionar cuando se sumergen bajo 10 m de agua durante dos semanas. También es resistente al agua salada, lo que lo hace apropiado para equipos marinos, incluida la maquinaria industrial a bordo de petroleros y buques de carga. El conjunto de cables está clasificado como IP68, excepto el conector USB-A, que está clasificado como IP66.

Figura 3: El PXP4040/C/A/2M00 tiene un conector USB-A en un extremo y un conector USB-C en el otro. Es resistente al agua salada y el enchufe USB-C puede soportar ser sumergido en 10 m de agua hasta dos semanas. (Fuente de la imagen: Bulgin)

El Bulgin PXP4040/C/A/2M00 también tiene una clasificación de inflamabilidad de UL94V-0. La cubierta del cable está hecha de resina de PVC, lo que la hace adecuada para aplicaciones en cubiertas marinas.

La carcasa del cable USB-C está hecha de policarbonato-polibutileno tereftalato (PC/PBT), un material de alta resistencia que suele utilizarse en los parachoques de los coches. La carcasa del conector de PC/PBT es muy resistente a los productos químicos y tiene la suficiente flexibilidad para tolerar grandes impactos a temperaturas de hasta -40 °C. Incluso cuando se golpea con mucha fuerza, el conector resistirá la fractura y se agrietará con elegancia. Esto proporciona resistencia a la manipulación de los sensores de seguridad USB, incluidos los ataques por congelación en los que un conector se congela rápidamente y luego se golpea con un martillo.

La especificación USB-C no permite incrustar un chip de marcador electrónico en un cable que tenga un conector USB-A en un extremo. Este conjunto de cables está especificado para proporcionar hasta 5 A y admitir una velocidad de datos de hasta 5 Gbit/s en sus 2 m de longitud, aunque algunos periféricos USB-C pueden notar la ausencia de un chip de marca electrónica y establecer por defecto 480 Mbits/s.

Conclusión:

La estandarización de los conjuntos de cables USB-C para la interconexión digital en un entorno industrial simplifica el inventario de cables y proporciona una conectividad rápida y sencilla gracias al diseño rotacionalmente simétrico del enchufe y el receptáculo. Los cables USB-C pueden identificar su capacidad de transferencia de energía y datos al ordenador de control del host para evitar la pérdida de datos y las peligrosas condiciones de sobrecarga de energía. La selección y el uso adecuados de un conjunto de cables USB-C apropiado en los sistemas industriales también pueden mejorar la fiabilidad, reducir el mantenimiento y disminuir el coste global.