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工業設施已變成一個越來越復雜的線纜網絡，除了數字電子互連器件之外，還包括物聯網 (IoT) 節點的互聯。雖然數字網絡已利用以太網、BACnet 等有線協議和 Wi-Fi、藍牙等無線網絡協議實現標準化，但單板計算機 (SBC) 或可編程邏輯控制器 (PLC) 等控制計算機與傳感器或致動器等外設之間的數字互連器件卻千差萬別。 更讓人困惑的是，互連器件使用各種各樣的電纜、連接器和引腳分配，這些看上去非常相似，卻又完全不兼容。 系統設計人員有責任減少這些不兼容性并確保互操作性，同時還要降低成本，加快系統組裝并提高可靠性；即使在惡劣的工業環境條件下亦是如此。若要實現這一目標，一種方法是對 IP67 或 IP68 等級的 USB-C 電纜組件進行標準化。如此即可改進各種設備間的電纜組件兼容性，這就能讓技術人員更輕松。 本文介紹工業應用中的數字互連器件問題，以及如何通過對 USB-C 電纜和連接器進行標準化以實現簡單數字互連器件，來解決其中諸多問題。然后，本文介紹 PEI-Genesis、Amphenol LTW 和 Bulgin 的各種 USB-C 連接器和電纜組件及其獨有特點，包括 IP67 合規性。最后討論它們如何為計算機到傳感器/致動器應用提供無處不在的可靠且穩健的連接。 工業自動化中的數字互連器件 工業設備是由控制計算機管理，后者可以是 SBC、PLC 或附近的筆記本電腦。控制計算機經常連接到工業設備所需的附近設備，這些設備可以泛稱為傳感器，包括開關、光學和環境傳感器，另外還有電機、螺線管或燈等致動器。對于大多數重型工業設備，設備制造商的設計人員會選擇用于電纜端的連接器類型，并選擇所使用的電氣協議。對于定制工業控制，工程師和技術人員會選擇并安裝計算機、致動器、傳感器、連接器和電纜。一旦選定連接器類型和電氣協議，這些之后就無法更改，因為重新適配過程會很漫長且昂貴。因此，當規劃工業運營時，必須在設計流程的很早期就決定傳感器和致動器使用的數字互連器件類型。與任何廣泛使用互連數字系統的系統一樣，運行規模越大，對設備（包括電纜）進行標準化可以節省的時間和金錢就越多。 在設置或重新配置設備時，技術人員必須有現成的適當電纜和兼容的連接器端接可用。乍一看，兩種電氣不兼容的電纜組件可能貌似相同，甚至可能有看上去能夠配接的相似連接器，但實際上并非如此。這種非顯而易見的兼容性問題會給技術人員造成挫折，并導致系統部署延遲。即使使用適當的電纜，也可能需要多次嘗試才能將電纜上的不可逆鍵合連接器正確定位到設備上，以確保穩固連接。在低光環境或部署速度至關重要的情況下，對一種電纜組件進行標準化可以減少挫折感，同時確保機器之間的互操作性。這不僅節省時間，還能節省成本，因為可以批量購買電纜組件。 利用 USB-C 實現數字互連的優勢 USB-C 電纜組件適用于工業設備之間的大多數應用，可解決無處不在的數字互連問題。USB-C 插頭和插座是旋轉對稱的無鍵雙面刀片式連接器，可確保首次插入即牢固連接，從而節省時間并減少挫折感，技術人員再也不需要幾經摸索才能正確定位鍵控連接器。USB-C 電纜還有附加優勢，可以為傳感器或致動器提供電源。 工業設施可以對控制計算機與傳感器和致動器之間的大多數數字互連器件采用的 USB-C 電纜和連接器進行標準化，簡化電纜組件庫存管理和連接器的互操作性。工業 IP67 USB-C 電纜和連接器是重型產品，可以經受惡劣的工業設施環境中常見的高溫、溶劑和液體影響。USB-C 工業電纜還能最大限度減少電力和信號損失，并且對不當彎曲和扭曲力的耐受程度更高。 USB-C 連接器支持 USB 2.0 和 USB 3.1。USB-C 標準要求 USB 3.1 端口和電纜組件向后兼容 USB 2.0 480 Mb/s 的速度。這樣 USB 2.0 端口可以使用與 USB 3.1 相同的電纜組件，從而防止兼容性問題。然而，USB 3.1 支持的速度要高得多。USB 3.1 第 1 代電纜組件支持高達 5 Gb/s 的速度，USB 第 2 代電纜組件支持高達 10 Gb/s 的速度。為了識別傳輸速度，USB 規格要求兩端帶有 USB-C 連接器的電纜組件在連接器外殼中嵌入電子標記芯片，以明確電纜組件的最大功率和數據傳輸速度。電子標記芯片中的數據在首次插入時由 USB 主機讀取，告知 USB 主機該電纜的最大傳輸速度，以確保 USB 主機正確發送數據。只支持 USB 2.0 速度的 USB-C 電纜組件不需要電子標記芯片，因此如未發送芯片數據，USB 主機將以 480 Mb/s 的速度發送數據。 USB-C 標準允許的最大功率輸送為 5 V DC 和 3 A，總功率為 15 W。這是常見 USB 電纜組件的標準。不過，USB 3.1 第 1 代及以后的規格允許以 20 V 和 5 A 提供 100 W 功率。為 USB 3.1 功率輸送而設計的 USB-C 電纜組件必須包含可識別功率輸送容量的電子標記芯片，否則 USB 主機將默認其為 15 W。這樣可防止因功率過載而破壞電纜，從而提高安全性。 雖然這里關注的是數字互連器件的 USB-C 電纜組件標準化，但需要知道有三種電纜組件容量： USB 2.0 模式：無電子標記，可提供 15 W 的功率和 480 Mb/s 的數據 USB 3.1 第 1 代：電子標記，提供 100 W 的功率和 5 Gb/s 的數據 USB 3.1 第 2 代：電子標記，提供 100 W 的功率和 10 Gb/s 的數據 如果較低容量的 USB-C 電纜與正確配置的較高容量 USB-C 主機和器件一起使用，USB 主機將把電源和數據限制到較低容量。這樣可防止電纜上的功率過載，從而提高安全性，同時確保數據速率兼容以提高可靠性。工業設施可以只使用提供最大要求功率和數據傳輸的標準來實現進一步簡化操作。除非工業自動化設施要進行高速數據操作，如傳輸實時視頻流，否則對 USB 3.1 第 1 代電纜組件進行標準化就是保險的選擇。通常，5 Gb/s USB 3.1 第 1 代規定電纜最長為 2 m，這足以讓控制計算機連接到附近的傳感器和致動器。如果需要可靠地發送 10 Gb/s 數據，USB 3.1 第 2 代規定電纜最長為 1 m。若通過更長的電纜發送 10 Gb/s 數據，由于信號反射或衰減，電纜上的數據可能會丟失。 USB-C 電纜組件 對于想要在惡劣環境下發送高速數據的設計人員，有許多堅固可靠的解決方案可供選擇。例如，PEI-Genesis 提供 IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 第 2 代電纜組件（圖 1）。該電纜長 1 米，額定工作溫度為 -20°C 至 +85°C，適合大多數惡劣的工業環境。電纜護套由聚氯乙烯 (PVC) 樹脂制成，具有良好的耐水性和抗紫外線 (UV) 能力。商用護套長期暴露于陽光下會出現裂紋或變色。 
圖 1：Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M 是專為工業應用制造的 1 m 長 USB-C 電纜組件。連接器附帶鎖緊螺母襯墊，能夠與傳感器或致動器進行安全的 IP67 防水連接。所示尺寸以毫米為單位。（圖片來源：PEI-Genesis） IPUSB-31WPCPC-1M 的一端由 PVC 樹脂模制而成，具有標準 USB-C 插頭連接器和不銹鋼 USB-C 插頭。這一端連接到 SBC 或 PLC 上的 USB 主機連接器。另一端有密封模壓插頭，附帶尼龍鎖緊螺母和橡膠襯墊。這為與傳感器或致動器的連接提供牢固安全的 IP67 密封。 Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M 含有嵌入式電子標記芯片，用于向所連接設備表明其容量。電子標記芯片可在電纜組件的 -20°C 至 +85°C 的完整溫度范圍內工作。這樣可確保即使在任一極端溫度下打開設備，電纜也能被正確識別。 極端環境下的 USB-C 連接 針對極端惡劣的環境，Amphenol LTW 提供 1 m 長 USB-C 電纜組件 UC30FL-NCML-SC01（圖 2）。整條電纜以聚丙烯塑料 (PP) 導管所包覆，以提供額外保護，防止受到沖擊、切割力和轉角處彎曲應變的影響。在極端振動情況下，導管也能為其中包裹的電纜提供保護。導管被粘在電纜兩端，不能拆除。
圖 2：UC30FL-NCML-SC01 USB-C 電纜組件包裹在 PP 導管中，從而免受沖擊和劇烈振動的影響。尺寸以毫米為單位。（圖片來源：Amphenol LTW） 電纜組件的一端帶有常見 USB-C 主機連接器，可插入 USB 主機。另一端帶有重型圓形連接器；該連接器具有增強的防拉特性，并有一個密封模制插頭和用尼龍鎖緊螺母固定的硅膠襯墊，以提供防水性和良好的氣密性，能夠耐受大多數化學品。該電纜和圓形連接器達到 IP67 等級，無論是否配接都能保護圓形 USB-C 插頭不受環境影響，即使在未連接時也能提供保護。 UC30FL-NCML-SC01 防火性能達到 UL94V-0，即 PP 電纜可以承受 10 秒火焰。PP 電纜還耐油、汽油和大多數溶劑。每個插頭都能在 -40°C 至 +85°C 范圍內工作，尼龍鎖緊螺母和 PP 導管可以承受更高的溫度，從 -40°C 至 +115°C。因此，這種電纜組件特別適合于連接工業汽油發動機和發電機的傳感器和致動器。 內嵌電子標記芯片標明電纜支持 5 Gb/s 數據傳輸，適合于需要不斷監測發動機運行以最大限度提高效率的高速汽油發電機。 海洋應用中的 USB 傳感器 在某些情況下，設備的控制計算機有 USB-A 接口，但需要連接到 USB-C 接口。這時需要電纜，如 Bulgin 的 PXP4040/C/A/2M00 USB-A 轉 USB-C 電纜組件（圖 3）。這種電纜一端有 USB-A 插頭，另一端有圓形 USB-C 插頭，工作溫度在 -40°C 至 +80°C 之間。在 10 m 深水中浸泡兩周后，USB-C 連接器和電纜依然能正常使用。它還耐鹽水，適合于海洋設備，包括油輪和貨輪上的工業機械。除 USB-A 連接器的等級為 IP66 外，電纜組件的等級為 IP68。
圖 3：PXP4040/C/A/2M00 的一端為 USB-A 插頭，另一端為 USB-C 插頭。它耐鹽水，USB-C 插頭在 10 m 深水中浸泡兩周依然能正常使用。（圖片來源：Bulgin） Bulgin 的 PXP4040/C/A/2M00 防燃等級達到 UL94V-0。電纜護套由 PVC 樹脂制成，適合海上甲板應用。 USB-C 電纜外殼由聚碳酸酯-聚對苯二甲酸丁二醇酯 (PC/PBT) 制成，這是一種通常用于汽車保險杠的高強度材料。PC/PBT 連接器外殼具有很高的耐化學性，并具有足夠的柔韌性，可在低至 -40°C 低溫環境下承受高沖擊。即使受到大力沖擊，連接器也不會破碎，只會輕微開裂。這就為 USB 安全傳感器提供了防破壞能力，包括防凍結攻擊，即連接器被快速冰凍，然后用錘子敲打。 USB-C 規格不允許將電子標記芯片嵌入一端為 USB-A 插頭的電纜中。該電纜組件額定提供高達 5 A 的電流，并在 2 m 長度上支持高達 5 Gb/s 的數據速率，但一些 USB-C 外設可能發現沒有電子標記芯片，因而默認采用 480 Mb/s 的傳輸速率。 結語 對工業環境中用于數字互連的 USB-C 電纜組件進行標準化，可簡化電纜庫存管理，并且由于插頭和插座采用旋轉對稱設計，連接工作也能快速方便地進行。USB-C 電纜可以向主控計算機表明其功率和數據傳輸能力，以防數據丟失和危險的功率過載情況。在工業系統中正確選擇和使用適當的 USB-C 電纜組件，還能提高可靠性，減少維護工作，并降低總體成本。 來源：Digi-Key 作者：Bill Giovino |
