Детальніше про промислове використання USB
"Технічний спеціаліст Джон Бейкер з компанії Premier Resource Services підключив свій ноутбук до промислового обладнання клієнта та отримав неприємний сюрприз - з'явився дим та Джон втратив свій жорсткий диск, порт USB та адаптер USB, який він підключив до машини.
Проблема полягала в тому що, хоча його ноутбук і був підключений до стіни, верстат, який він обслуговував, був підключений до однофазної електромережі магазину, а його дроти були перевернуті, щоб нес працьовува вимикач GFI. Оскільки ноутбук та поідключений пристрій тепер мали різні потенціали заземлення, USB-кабель став шляхом до більш низького стану заземлення. Це був дорогий урок"
"Виробник кіоску підключив зчитувач карт до вбудованого комп'ютера кіоску. Все було включено, всі з'єднання виглядали нормально, але пристрої не обмінювалися даними. Логічно було би припустити, що несправний або зчитувач карт, або кабель. Але проблема була не в цьому. Проблема полягала у вбудованому комп'ютері кіоску. Це був недорогий одноплатний пристрій, і його USB-порти не забезпечували повну потужність"
"Виробник машин для лиття під тиском знайшов спосіб підвищити якість деталей і знизити витрати на матеріали, регулюючи температуру декількох нагрівальних елементів. Цей процес створював потужне електромагнітне поле. Керуючий комп'ютер можна було тримати на безпечній відстані, але USB-концентратор і кабелі перебували всередині поля, і електромагнітні завади, які виникали при цьому - були кошмаром зв'язку"
Ці історії демонструють які різнопланові проблеми можуть виникати при роботі з USB в промислових умовах.
"При роботі з USB можна очікувати усіляких проблем", - говорить Брайан Фостер, менеджер з продукції Advantech B + B SmartWorx і експерт в області передачі даних. "Спочатку він був розроблений як стандартна шина для підключення комп'ютерної периферії в безпечних домашніх і офісних настільних середовищах. Але її багатоплатформовий інтерфейс з можливістю гарячої заміни виявився настільки корисним і зручним, що тепер USB використовується у всьому, починаючи від обладнання для екстреної медичної допомоги та закінчуючи системами точного сільськогосподарського наведення - в середовищах, для яких вона ніколи не призначалася".
Список недоліків, властивих USB - USB призначався для підключення стандартних домашніх і офісних пристроїв, таких як принтери, клавіатури, медіаплеєри, камери і зовнішні дискові накопичувачі. І він не просто з'єднував їх; він також передавав живлення 5 В постійного струму, що в багатьох випадках усувало необхідність використання власних джерел живлення для периферійних пристроїв. Більш того, акумуляторні пристрої зможуть використовувати USB для відновлення повної потужності своїх внутрішніх батарей.
Пристрої зможуть отримувати до 5 одиниць навантаження від порту USB, причому одиничне навантаження в USB 2.0 визначається як 100 мА.
"Малопотужні" пристрою будуть споживати одну одиницю навантаження або менше (менш 100 мА).
"Потужні" пристрої можуть споживати всі 500 мА. Крім того, пристрої, яким потрібно більше 500 мА, могли бути оснащені Y-образним кабелем, який дозволяв би їм отримувати живлення від двох портів USB одночасно.
Пристрої з внутрішнім живленням, наприклад, принтери, реєструвалися як "малопотужні", що вимагають всього 100 мА. Пристрої спочатку працювали на малій потужності, але при необхідності могли запросити велику потужність. У всякому разі, така була специфікація.
Надійний захист USB від контурів заземлення - Дуже корисно мати можливість підключити віддалений пристрій через USB. Але чим більше відстань між підключеними пристроями, тим більша ймовірність того, що підключені пристрої будуть отримувати живлення від різних заземлень будівлі. В цьому випадку заземлення USB-кабелю може створити контур заземлення.
У домашніх/офісних умовах проблема контуру заземлення виникає рідко. Підключені пристрої зазвичай знаходяться досить близько один до одного, зазвичай мають спільну розетку і заземлення. Але промислові установки можуть бути набагато складніше. Уявіть собі ситуацію, коли система управління технологічним процесом живиться від джерела в одному місці будівлі, а передня панель - в іншому місці. При підключенні ПК до передньої панелі через USB, подаючи живлення на ПК в тому ж місці, ви можете створити контур заземлення з системою управління процесом, яка може перебувати на відстані сотень метрів. Магнітний потік від двигунів або інших потужних пристроїв може використовувати цей контур заземлення для наведення струмових завад на землю. Якщо вам пощастить, єдиним результатом будуть помилки передачі даних. Більш екстремальні події, такі як стрибки і перевантаження напруги, приведуть до згорання інтегральних схем і роз'ємів. (див. малюнок 1.)
Ваші комп'ютери і підключені пристрої мають бути захищені за допомогою USB-ізоляторів. Звичайні засоби заглушування перенапруг намагаються обмежити стрибки напруги між сигналом і лінією заземлення. Але якщо лінія заземлення піднімається, як це відбувається в ситуаціях з контуром заземлення, то приглушення перенапруги не зупинить його. Ізоляція дозволяє лініям плавати, зберігаючи локальну сторону на належному рівні заземлення і сигналу. Ізолятор контролює електричні потоки, одночасно гарантуючи, що потік даних не перерветься. Ви можете встановити спеціальні вбудовані USB-ізолятори, а також USB-пристрої, які виконують додаткові функції, включаючи ізоляцію, наприклад, ізольовані концентратори або послідовні перетворювачі. (див. малюнок 2.)
Малюнок 1. Різниця напруг на землі - потенціал для виникнення контурів заземлення.
Малюнок 2. Поточний ізолятор USB з портом USB з високим ступенем фіксації.
Ізоляція працює шляхом зміни природи як сигналу даних, так і живлення 5 В постійного струму, переданого кабелем USB. Дані надходять в ізолятор у вигляді електричного сигналу, перетворюються або в імпульси світла, або в електричне поле, а потім знову в електричний сигнал. Потік даних не переривається, але скачки напруги і електростатичне розрядження опиняються в зоні ізоляції. (див. малюнок 3.)
Малюнок 3. Принцип роботи оптичної ізоляції.
Ізолятор захищає від стрибків напруги і електростатичного розряду в лінії живлення шляхом короткочасного перетворення живлення USB 5 В постійного струму в змінний, через розділовий трансформатор, а потім знову в постійний.
Підвищення міцності роз'ємів USB - Кабелі USB мають деякі приємні особливості. Наприклад, специфікація навмисно зробила так, що неправильно прикріпити роз'єм USB дуже складно. Хост-пристрої, що подають живлення, використовують роз'єм типу A, а пристрої, які отримують живлення, - роз'єм типу B. Їх не можна поміняти місцями. Користувачі не можуть випадково підключити два джерела живлення USB і створити ризик пожежі або пошкодження дорогих схем.
Згідно зі специфікацією, роз'єми живлення в роз'ємі типу A повинні знаходитися зовні, а роз'єми даних (D + і D-) - всередині і бути утопленими. Це означає, що спочатку встановлюється з'єднання живлення і це попереджує помилки при передачі даних.
Самі роз'єми були розроблені для легкого вводу та вилучення. Роз'єми будуть утримувати кабелі на місці без використання гвинтів з накатаною головкою або затискачів. Це виявилося дуже зручним в офісному середовищі, де люди часто виконують з'єднання під незручними кутами, наприклад, під столами або за різними видами офісного обладнання. Це було чудове кабельне рішення для домашніх і офісних комп'ютерів.
Але та ж легкість підключення і вилучення, яка робить USB корисним в офісному середовищі, може стати проблемою, коли ви забираєте USB з робочого столу і з офісу. Сильна вібрація в промислових додатках може призвести до розбовтування USB-кабелів. Будь-яке випадкове натягування кабелю USB призведе до того ж результату. А оскільки по USB передається живлення, незакріплений USB-кабель може стати причиною виникнення іскри - серйозної проблеми в середовищах, де існує ризик пожежі або вибуху.
Виробники почали вирішувати цю проблему. Одне з рішень передбачає з'єднання USB-кабелів і портів за допомогою гвинтів з накатаною голівкою. Але це вимагає використання фірмових кабелів, які навряд чи можна придбати в найближчому магазині канцелярських товарів. Крім того, гвинти з накатаною голівкою усувають одну з найбільш корисних особливостей USB: простоту підключення і відключення USB-кабелів.
Більш елегантним рішенням є використання "високоміцних" USB-портів. Вони працюють з будь-яким кабелем і зберігають функцію швидкого підключення/відключення USB. Різниця лише в тому, що для їх від'єднання потрібно більше зусилль. Наприклад, порти з високим ступенем фіксації, що використовуються компанією Advantech B + B, утримують кабель настільки надійно, що для його вилучення потрібно зусилля в 15 Ньютонів (3,2 фунти) - настільки надійно, що вони відповідають вимогам UL для небезпечних зон класу 1 відділу 2. (див. малюнок 4.)
Малюнок 4. USB-порти з високим ступенем фіксації міцно тримають стандартні USB-кабелі.
Захист від електромагнітних завад і електростатичних розрядів - Стандартні кабелі USB призначалися для офісного середовища, тому вони не захищені від значних електростатичних розрядів (ESD) або електромагнітних завад (EMI). Очікувалося, що ESD і EMI не стануть серйозними проблемами. Але в міру просування USB в такі місця, як переповнені пульти управління, заводські цехи і автомобілі екстрених служб, переповнені електронікою всіх видів, електромагнітні та електростатичні завади стають щоденним ризиком. У цих більш жорстких умовах USB-кабелі можуть передавати ненавмисні сплески і стрибки напруги, які можуть пошкодити підключене устаткування. Крім того, стандартні кабелі забезпечують дуже низьку стійкість до впливу вологи, пилу і температури.
Більш надійні USB-кабелі доступні в декількох варіантах. Варіанти варіюються від екранованого пластикового кабелю, стійкого до електромагнітних завад, до металізованого пластикового кабелю зі ступенем захисту IP67, який стійкий також до потенційних фізичних пошкоджень в жорстких умовах навколишнього середовища.
Збільшення радіусу дії - USB має обмеження радіусу дії в п'ять метрів. Це цілком прийнятно в офісних умовах, але менш корисно в інших місцях. Ви можете збільшити радіус дії до 30 метрів за допомогою USB-концентраторів, які також дають можливість додати додаткові порти. (USB дозволяє одному комп'ютеру управляти до 127 різними пристроями). USB-концентратори, призначені для дому / офісу, часто досить "ніжні", але ви можете встановити USB-концентратори промислового класу в металевому корпусі, які мають високоміцні роз'єми, універсальний монтаж і стійкі до впливу навколишнього середовища. Концентратори промислового класу з вбудованою ізоляцією дозволять вам більш ефективно використовувати обмежений простір, виконуючи кілька функцій в одному пристрої.
Надійне встановлення - USB-пристрої користувацького класу не призначені для жорсткого використання. Коли ви перейдете від настільного комп'ютера, вам захочеться встановити більш досконале обладнання, і вам, можливо, знадобиться надійно закріпити його на місці. При покупці концентраторів, ізоляторів, перетворювачів USB в послідовний порт або будь-якого іншого USB-пристрою промислового класу шукайте обладнання, яке можна встановити в панелі або на DIN-рейку.
Несправності USB можуть бути дорогими в тих випадках, коли вони не так очевидні, як згоріла друкована плата або роз'єм. Ремонт обладнання пов'язаний з трудовитратами, як і перепрограмування. І, хоча це важко оцінити кількісно, час простою теж коштує грошей.
"Це ціна зручності", - говорить Фостер - "USB занадто корисний, щоб його ігнорувати. Але всякий раз, коли ви забираєте його з робочого столу, вам доведеться використовувати кілька обхідних шляхів".
В наші дні USB з'являється в кожній галузі, і є велика ймовірність, що він ніколи не був призначений для вашої.
USB всюдисущий і корисний.
Але за своєю природою він не є міцним або надійним. Ви самі повинні зробити його таким.