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在智能制造的浪潮下，工业自动化正经历着深刻变革。在生产现场忙碌的机器设备，已经与无处不在的传感器，以及算力日趋强大的控制中心整合在一起，构成一个数据驱动的高密度、模块化和分布式的自动化系统，实现前所未有的高效率和灵活性。
这一趋势正在重塑工业自动化的底层技术逻辑，自然也包括作为自动化系统神经中枢的控制柜，进而对高性能、高可靠性的柜内互连，也提出了更严苛要求。
具体来讲，工业自动化柜内互连方案面临着三方面的核心挑战：
1、确保可靠的连接
高可靠性是工业应用永恒的“底色”。因此，在持续振动、粉尘油污、电磁干扰等复杂的生产现场环境中，提供稳固的机械和电气连接，实现更高的可靠性和耐用性，也是工业自动化柜内互连必备的一项“基本功”。
2、实现更高的速率
既然是“数据驱动”，那么在确保可靠性的同时，能否支持更高的数据传输效率，确保数据完整性，也是工业自动化互连必须考量的关键要素。
3、突破空间的极限
自动化控制柜内空间有限，而功能的集成度却越来越高，如何化解这一“矛盾”，在有限的柜内空间容纳更高密度的信号与电源传输，是自动化柜内互连必须面对的一个课题。
简而言之，面对工业自动化技术变革带来的互连挑战，如果一个产品或方案能够满足高可靠、高速率、小型化等复合要求，那无疑就是工程师的理想之选。
如何将这些美好的设计愿景变为现实，让理想的方案在工业应用中落地？接下来，本文将以全球知名连接器厂商Samtec的产品组合为例，围绕上述三个核心技术要素，为大家做详细地分解。
确保可靠的连接
提升连接器的可靠性和耐用性，以应对严苛工业环境的挑战，一般来讲需要从以下几个方面做综合的技术优化：
触点材料：高可靠性连接器通常会选择铍铜 (BeCu) 作为触点材料，虽然其成本相对较高，但成型并硬化后，在各种条件下都能保持形状不变，提供更佳、更稳定的机械和电气性能，支持更高的插拔次数。
触点结构：多指结构，有助于提供冗余接触，确保触点在振动条件下稳固的电气连接，因此是很常用的高可靠性触点设计。有些连接器还会采用“浮动”触点设计，允许配接时在X/Y/Z方向上提供更大的错位容差，以应对更复杂的机械应力挑战。
镀层：金镀层在恶劣环境中不会因氧化而导致接触电阻的增加，所以常用于高插拔次数、高可靠性应用。不过，镀金的成本较高，因此Samtec推出了一种“选择性镀金-锡 (selective gold-tin )”镀层工艺，在接触区镀金锡合金，而在焊接区镀纯锡，由此实现可靠性和成本的平衡。
外壳设计：提升连接器可靠性，在连接器的绝缘外壳设计上也有不少文章可做，相关措施包括但不限于：增加锁定系统，实现抗振和防脱落；通过焊接片及螺丝固定，强化连接器与PCB连接的稳固性；使用具有更高IP等级、阻燃等级的材料等。
综合利用上述优化设计，Samtec开发出了一系列具有更高可靠性的耐用型互连产品。其中，采用Tiger Eye™耐用型触点系统的产品，在工业应用中备受欢迎。
图1：Tiger Eye™耐用型触点系统（图源：Samtec）
Tiger Eye触点系统采用多指、热处理过的铍铜触点结构，这种设计能提供冗余接触点，确保在强冲击和持续振动环境下保持电气导通，且具有超过1,000次的插拔次数，非常适用于需要频繁维护和长期稳定运行的工业设备。
为了进一步提升可靠性，Tiger Eye触点还在端子尾部设计有微槽，增加了与焊锡的接触表面积，回流焊时使其能更牢固地附着在PCB上，增强焊点的连接强度。在鸥翼尾部和接触区的过渡处，Tiger Eye触点设有开槽，可防止回流焊时焊锡因毛细作用爬升到接触区域，确保触点清洁和性能可靠。
基于Tiger Eye触点，Samtec开发出了板对板连接器、分立电缆组件、IDC电缆组件等适用于工业自动化互连应用的丰富产品组合，如TFM / SFM 1.27mm端子和插座，可提供高达100引脚数的极化单排和双排配置，以及垂直、直角和水平方向安装选项，还通过了严苛环境测试 (SET)，非常适合于坚固耐用的高可靠性、长寿命工业应用。
图2：TFM/SFM 1.27mm端子和插座（图源：Samtec）
URSA®️ I/O超耐用型电源电缆系统，是Samtec高可靠工业互连产品组合中的另一个亮点产品，其通过独特的结构设计，在超耐用型应用中实现了极高的可靠性和超高的插拔次数，并兼具EMI防护特性，适用于在极小空间内实现出色的机械耐用性和电气可靠性的线对线、线对板等工业自动化互连应用，在一个1RU面板上的I/O总数可高达1,450个。
图3：URSA®️ I/O超耐用型电源电缆系统（图源：Samtec）
URSA I/O超耐用型系统高可靠性的奥秘在于其采用了Samtec独特的Hyper Claw™双曲面型触点：
Hyper Claw触点采用四指结构，即每个触点通过四个接触点同时连接，因此在振动、冲击等恶劣环境下的连接更可靠。
双曲面型的笼式结构，使其在插拔时产生柔和的刮擦动作，同时保持稳定的正向力，并承受极高的插拔次数。
集成了EMI屏蔽设计，可有效限制信号衰减，确保信号在嘈杂的工业环境中完整传输。
支持高达3.8A的额定电流和200VAC / 282VDC的额定电压，满足更高的工业连接的需求。
图4：Hyper Claw™双曲面型触点（图源：Samtec）
实现更高的速率
在确保高可靠性和高耐用性的同时，为工业自动化互连中的数据传输“提速”也是一大刚需。为此，需要对相关互连产品进行优化。
Edge Rate®️就是Samtec专门针对高速信号传输和高可靠性应用而优化的触点系统，其在触点设计、信号完整性、插拔寿命等需求之间实现了出色的平衡。Edge Rate技术的核心优势包括：
独特的触点结构：Edge Rate触点不同于传统冲压成型的连接器触点，而是采用铣削加工，因此具有一个更平滑的配接表面，显著减少了插拔时的摩擦和磨损，从而延长插拔寿命和系统耐用性，可承受高达2,500次的插拔次数。
优化的信号完整性：Edge Rate触点在连接器绝缘体中经过特殊定位，使引脚的窄边相互平行，此举更大限度地减少了引脚间的平行表面积，从而有效降低宽边耦合和串扰。因此，Edge Rate技术支持高达56 Gbps PAM4 的数据速率，可满足现代高速数据通信协议所需。
高耐用性与可靠性：Edge Rate触点采用铍铜合金材料，以确保其在各种环境条件下都能保持形状和正向力。
Samtec的SEARAY™ SEAF和SEAM系列就是采用Edge Rate端子系统的1.27mm间距网络连接器，具有高达56Gbps的数据传输性能，同时提供各种产品配置，满足多样化的高速、高可靠、高密度的工业自动化互连应用要求。
图6：SEARAY™ SEAF和SEAM连接器（图源：Samtec）
除了Edge Rate触点系统，Razor Beam™也是Samtec推出的一项高密度、高性能、无极性（即不分连接器不分公母端）触点技术，其在极小尺寸内，通过独特的梁结构实现了极高的可靠性、出色的信号完整性和极大的机械设计灵活性。
Razor Beam™采用了低串扰设计，连接器内部的接地引脚和信号引脚排列经过优化，能有效控制阻抗，减少信号之间的串扰，因此可以支持高达28Gbps NRZ甚至更高的数据速率。
Samtec的LSHM系列高速连接器就是基于Razor Beam™技术的产品，其可提供多达100个I/O口，对接和拆拔力约为普通微间距连接器的4至6倍，超紧密的排间距设计使其十分适用于高速、高可靠和小间距工业自动化互连系统。
图7：LSHM系列高速连接器（图源：Samtec）
突破空间的极限
小型化与高密度设计，一直是工业互连，特别是空间受限的自动化柜内互连的痛点。尤其是小型化的诉求往往与提升可靠性和性能的需求相互制约，这使得“压缩”连接器的尺寸成为极具挑战性的工作。
不过，从上文中我们不能发现，Samtec追求产品小型化的理念和努力，在很多产品设计上都有所体现。这里我们要特别介绍Samtec在连接器小型化设计方面的集大成之作——AcceleRate®️系列极高密度高性能互连产品。
图8：AcceleRate®️系列高密度高性能连接器（图源：Samtec）
AcceleRate产品包括一系列0.635mm间距的板对板连接器和电缆组件，单一连接组件中的I/O数高达1,000个，并可支持高达112 Gbps PAM4的数据传输速率，可以说是在小巧造型之中实现了惊人的连接密度和出色的性能。
今天，AcceleRate产品家族已经发展出了多个产品子系列，可以满足多样化的互连场景要求：
AcceleRate HD：具有多达240个Edge Rate端子的高密度阵列，采用细长、轻薄型设计。
AcceleRate HP：112Gbps PAM4高性能阵列，具有灵活的开放式端子设计。
AcceleRate mP：高密度电源/信号阵列，每个刀片高达22A电流和56 Gbps PAM4性能。
AcceleRate电缆：外形纤薄的电缆系统，采用直连技术，可实现56 Gbps PAM4速度。
AcceleRate HP电缆：高密度的112Gbps PAM4连接系统，用于基板电缆应用。
AcceleRate Mini电缆：凭借Eye Speed®️ Thinax™超高性能双芯电缆，以小巧尺寸实现112Gbps PAM4性能。
所有这些AcceleRate系列产品的共性，当然就是节省空间的小型化设计，其在这方面的优势，大家可以从图9中一目了然。
图9：AcceleRate系列出色的小型化设计（图源：Samtec）
面向行业标准的解决方案
上文中，我们已经通过几款Samtec产品的解析，比较全面地了解到如何从可靠性、数据传输速度、小型化设计等三个方面入手，为工业自动化应用打造理想的互连解决方案。
不过，这还不是故事的全部。在实际的互连产品开发中，还有一个重要的考量维度不容忽视，那就是——行业标准。
行业标准通常是整个产业链上下游的参与者，针对行业发展中面临的某个或某类“痛点”，通过共识制定的规范，关乎相关产品和方案的兼容性和互操作性，既有利于集中资源、加速技术迭代，又有助于通过标准化有效减少终端客户在产品选型和评估上的成本，还代表着技术演进的大趋势，为产品未来发展指明方向。
因此，我们不难发现，像Samtec这些头部连接器厂商，都会积极参与各个行业标准化组织的工作，其前沿性技术的应用落地，最终往往会体现在一个面向特定行业标准的解决方案上，并且随着标准的演进不断发展。
而从开发者和用户的角度，从行业标准这个维度入手，也十分有助于快速锁定符合相关领域应用设计规范的互连产品，这不啻为一条产品选型捷径。
图10：Samtec产品支持的行业标准（资料来源：Samtec）
本文小结
现代工业自动化互连，特别是自动化柜内连接方案，需满足更高的可靠性、更快的数据传输速率、更高效的空间利用率三大核心要求，同时也要与时俱进，紧跟不断演化的行业标准的发展。
如何以这样的需求为蓝图，打造理想的工业自动化互连解决方案？Samtec通过其基于创新技术的丰富产品组合，构建起一个覆盖PCB板内、板间、柜内、柜外的高可靠、高性能、小型化的互连生态系统，为我们提供了一个成功的范例。
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