USB: Надежная защита для сложных условий эксплуатации

Подробнее о промышленном использовании USB

Пресс-центр >> Публикации >> 22.10.2021

"Технический специалист Джон Бейкер из компании Premier Resource Services подключил свой ноутбук к промышленному оборудованию клиента и получил неприятный сюрприз - появился дым и Джон потерял свой жесткий диск, порт USB и адаптер USB, который он подключил к машине.

Проблема заключалась в том, что, хотя его ноутбук был подключен к стене, станок, который он обслуживал, был подключен к однофазной электросети магазина, а его провода были перевернуты, чтобы не сработал выключатель GFI. Поскольку ноутбук и подключенное устройство теперь имели разные потенциалы заземления, USB-кабель стал путем к более низкому состоянию заземления. Это был дорогой урок."

"Производитель киоска подключил считыватель карт к встроенному компьютеру киоска. Все было включено, все соединения выглядели нормально, но два устройства не обменивались данными. Естественно было предположить, что неисправен либо считыватель карт, либо кабель. Но проблема была не в этом. Проблема заключалась во встроенном компьютере киоска. Это было недорогое одноплатное устройство, и его USB-порты не обеспечивали полную мощность."

"Производитель машин для литья под давлением нашел способ повысить качество деталей и снизить затраты на материалы, регулируя температуру нескольких нагревательных элементов. Этот процесс создавал мощное электромагнитное поле. Управляющий компьютер можно было держать на безопасном расстоянии, но USB-концентратор и кабели находились внутри поля, и возникающие электромагнитные помехи были кошмаром связи."

Эти истории демонстрируют какие разноплановые проблемы могут возникать при работе с USB в промышленных условиях.

"При работе с USB можно ожидать всевозможных проблем", - говорит Брайан Фостер, менеджер по продукции Advantech B+B SmartWorx и эксперт в области передачи данных. "Изначально он был разработан как стандартная шина для подключения компьютерной периферии в безопасных домашних и офисных настольных средах. Но ее кроссплатформенный интерфейс с возможностью горячей замены оказался настолько полезным и удобным, что теперь USB используется во всем, начиная от оборудования для экстренной медицинской помощи и заканчивая системами точного сельскохозяйственного наведения - в средах, для которых она никогда не предназначалась".

Список недостатков, присущих USB - USB предназначался для подключения стандартных домашних и офисных устройств, таких как принтеры, клавиатуры, медиаплееры, камеры и внешние дисковые накопители. И он не просто соединял их; он также передавал питание 5 В постоянного тока, что во многих случаях устраняло необходимость использования собственных источников питания для периферийных устройств. Более того, перезаряжаемые устройства смогут использовать USB для восстановления полной мощности своих внутренних батарей.

Устройства смогут получать до 5 единиц нагрузки от порта USB, причем единичная нагрузка в USB 2.0 определяется как 100 мА.

"Маломощные" устройства будут потреблять одну единицу нагрузки или меньше (менее 100 мА).

"Мощные" устройства могут потреблять все 500 мА. Кроме того, устройства, которым требовалось более 500 мА, могли быть оснащены Y-образным кабелем, который позволял бы им получать питание от двух портов USB одновременно.

Устройства с внутренним питанием, например, принтеры, регистрировались как "маломощные" устройства, требующие всего 100 мА. Устройства изначально работали на малой мощности, но при необходимости могли запросить большую мощность. Во всяком случае, такова была спецификация.

Надежная защита USB от контуров заземления - Очень полезно иметь возможность подключить удаленное устройство через USB. Но чем больше расстояние между подключенными устройствами, тем больше вероятность того, что подключаемые устройства будут получать питание от разных заземлений здания. В этом случае заземляющий провод USB-кабеля может создать контур заземления.

В домашних/офисных условиях проблема контура заземления возникает редко. Подключенные устройства обычно находятся довольно близко друг к другу, обычно имеют общую розетку и общее заземление. Но промышленные установки могут быть гораздо сложнее. Представьте себе ситуацию, когда система управления технологическим процессом питается от источника в одном месте здания, а передняя панель питается в другом месте. При подключении ПК к передней панели через USB, подавая питание на ПК в том же месте, вы можете создать контур заземления с системой управления процессом, которая может находиться на расстоянии сотен метров. Магнитный поток от двигателей или других мощных устройств может использовать этот контур заземления для наведения токовых помех на землю. Если вам повезет, единственным результатом будут ошибки передачи данных. Более экстремальные события, такие как скачки и перегрузки напряжения, приведут к сгоранию интегральных схем и разъемов. (См. рисунок 1.)

Ваши компьютеры и подключенные устройства должны быть защищены с помощью USB-изоляторов. Обычные средства подавления перенапряжений пытаются ограничить скачки напряжения между сигналом и линией заземления. Но если линия заземления поднимается, как это происходит в ситуациях с контуром заземления, то подавление перенапряжения не остановит его. Изоляция позволяет линиям плавать, сохраняя локальную сторону на должном уровне заземления и сигнала. Изолятор контролирует электрические потоки, одновременно гарантируя, что поток данных не прервется. Вы можете установить специальные встроенные USB-изоляторы, а также USB-устройства, которые выполняют дополнительные функции, включая изоляцию, например, изолированные концентраторы или последовательные преобразователи. (См. Рисунок 2.)

Рисунок 1. Разница напряжений на земле - потенциал для возникновения контуров заземления.

Рисунок 2. Поточный изолятор USB с портом USB с высокой степенью фиксации.

Изоляция работает путем изменения природы как сигнала данных, так и питания 5 В постоянного тока, передаваемого по кабелю USB. Данные поступают в изолятор в виде электрического сигнала, преобразуются либо в импульсы света, либо в электрическое поле, а затем снова в электрический сигнал. Поток данных не прерывается, но скачки напряжения и электростатическое разряжение останавливаются в зоне изоляции. (См. рисунок 3.)

Рисунок 3. Принцип работы оптической изоляции.

Изолятор защищает от скачков напряжения и электростатического разряда в линии питания путем кратковременного преобразования питания USB 5 В постоянного тока в переменный, через разделительный трансформатор, а затем снова в постоянный.

Повышение прочности разъемов USB - Кабели USB обладают некоторыми приятными особенностями. Например, спецификация намеренно сделала так, что неправильно прикрепить разъем USB очень сложно. Хост-устройства, подающие питание, используют разъем типа A, а устройства, получающие питание, - разъем типа B. Их нельзя поменять местами. Пользователи не могут случайно подключить два источника питания USB и создать риск возгорания или повреждения дорогостоящих схем.

Согласно спецификации, разъемы питания в разъеме типа A должны находиться снаружи, а разъемы данных (D+ и D-) - внутри и быть утопленными. Это означает, что сначала устанавливается соединение питания, что предотвращает ошибки при передаче данных.

Сами разъемы были разработаны для легкого введения и извлечения. Разъемы будут удерживать кабели на месте без использования винтов с накатанной головкой или зажимов. Это оказалось весьма удобным в офисной среде, где люди часто выполняют соединения под неудобными углами, например, под столами или за различными видами офисного оборудования. Это было замечательное кабельное решение для домашних и офисных компьютеров.

Но та же легкость подключения и извлечения, которая делает USB полезным в офисной среде, может стать проблемой, когда вы убираете USB с рабочего стола и из офиса. Сильная вибрация в промышленных приложениях может привести к разбалтыванию USB-кабелей. Любое случайное натяжение кабеля USB приведет к тому же результату. А поскольку по USB передается питание, незакрепленный USB-кабель может стать причиной возникновения искры - серьезной проблемы в средах, где существует риск пожара или взрыва.

Производители начали решать эту проблему. Одно из решений предполагает соединение USB-кабелей и портов с помощью винтов с накатанной головкой. Но это требует использования фирменных кабелей, которые вряд ли можно приобрести в ближайшем магазине канцелярских товаров. Кроме того, винты с накатанной головкой устраняют одну из самых полезных особенностей USB: простоту подключения и отключения USB-кабелей.

Более элегантным решением является использование "высокопрочных" USB-портов. Они работают с любым кабелем и сохраняют функцию быстрого подключения/отключения USB. Разница лишь в том, что для их отсоединения требуется большее усилие. Например, порты с высокой степенью фиксации, используемые компанией Advantech B+B, удерживают кабель настолько надежно, что для его извлечения требуется усилие в 15 Ньютонов (3,2 фунта) - настолько надежно, что они соответствуют требованиям UL для опасных зон класса 1 отдела 2. (См. рисунок 4.)

Рисунок 4. USB-порты с высокой степенью фиксации крепко держат стандартные USB-кабели.

Защита от электромагнитных помех и электростатических разрядов - Стандартные кабели USB предназначались для офисной среды, поэтому они не защищены от значительных электростатических разрядов (ESD) или электромагнитных помех (EMI). Ожидалось, что ESD и EMI не станут серьезными проблемами. Но по мере продвижения USB в такие места, как переполненные пульты управления, заводские цеха и автомобили экстренных служб, переполненные электроникой всех видов, электромагнитные и электростатические помехи становятся ежедневным риском. В этих более жестких условиях USB-кабели могут передавать непреднамеренные всплески и скачки напряжения, которые могут повредить подключенное оборудование. Кроме того, стандартные кабели обеспечивают очень низкую устойчивость к воздействию влаги, пыли и температуры.

Более надежные USB-кабели доступны в нескольких вариантах. Варианты варьируются от экранированного пластикового кабеля, устойчивого к электромагнитным помехам, до металлизированного пластикового кабеля со степенью защиты IP67, который устойчив к электромагнитным помехам, а также к потенциальным физическим повреждениям в жестких условиях окружающей среды.

Увеличение радиуса действия - USB имеет ограничение радиуса действия в пять метров. Это вполне приемлемо в офисных условиях, но менее полезно в других местах. Вы можете увеличить радиус действия до 30 метров с помощью USB-концентраторов, которые также дают возможность добавить дополнительные порты. (USB позволяет одному компьютеру управлять до 127 различными устройствами). USB-концентраторы, предназначенные для дома/офиса, часто довольно хлипкие, но вы можете установить USB-концентраторы промышленного класса в металлическом корпусе, которые имеют высокопрочные разъемы, универсальный монтаж и устойчивы к воздействию окружающей среды. Концентраторы промышленного класса со встроенной изоляцией позволят вам более эффективно использовать ограниченное пространство, выполняя несколько функций в одном устройстве.

Надежная установка - USB-устройства потребительского класса не предназначены для жесткого использования. Когда вы перейдете от настольного компьютера, вам захочется установить более совершенное оборудование, и вам, возможно, понадобится надежно закрепить его на месте. При покупке концентраторов, изоляторов, преобразователей USB в последовательный порт или любого другого USB-устройства промышленного класса ищите оборудование, которое можно установить в панели или на DIN-рейку прямо из коробки.

Неисправности USB могут быть дорогостоящими в тех случаях, когда они не так очевидны, как сгоревшая печатная плата или разъем. Ремонт оборудования связан с трудозатратами, как и перепрограммирование. И, хотя это трудно оценить количественно, время простоя тоже стоит денег.

"Это цена удобства", - говорит Фостер - "USB слишком полезен, чтобы его игнорировать. Но всякий раз, когда вы убираете его с рабочего стола, вам придется использовать несколько обходных путей".

В наши дни USB появляется в каждой отрасли, и есть большая вероятность, что он никогда не был предназначен для вашей. USB вездесущ и полезен.

Но по своей природе он не является прочным или надежным. Вы сами должны сделать его таким.