Τα βιομηχανικά δίκτυα μπορούν να ελέγχουν τον εξοπλισμό του εργοστασίου, να μεταδίδουν δεδομένα και εικόνες σε απομακρυσμένες οθόνες και να επιτυγχάνουν απρόσκοπτη επικοινωνία και μετάδοση δεδομένων τόσο τοπικά όσο και εξ αποστάσεως. Με τα χρόνια, η τεχνολογία Ethernet που χρησιμοποιείται σε αυτό το δίκτυο έχει εξελιχθεί από συστήματα 10BASE-T ικανά να μεταδίδουν 10 Mbps σε ενσύρματα δίκτυα Ethernet και ασύρματα δίκτυα μετάδοσης 5G ικανά να υποστηρίζουν έως και 400 Gbps. Αυτή η πρόοδος βασίζεται σε στοιχεία δικτύου που συνδέουν συσκευές σε ένα τοπικό δίκτυο (LAN) μέσω καλωδίων Ethernet για τη βελτίωση της μετάδοσης σήματος και τη διαχείριση της ροής δεδομένων.
Οι σχεδιαστές μπορούν να επιλέξουν μεμονωμένες συσκευές βιομηχανικού δικτύου ή να συνδυάσουν τα καλύτερα εξαρτήματα σε προϊόντα που είναι εύκολο να αναπτυχθούν. Η κατανόηση των διαφόρων επιλογών είναι το πρώτο βήμα για την υλοποίηση ενός μελλοντικού προσανατολισμένου βιομηχανικού δικτύου.
Εξαρτήματα για την επίτευξη βιομηχανικής διασύνδεσης
Στα βιομηχανικά δίκτυα, κάθε συσκευή περιέχει ένα φυσικό στρώμα (PHY), το οποίο είναι ένα τσιπ Ethernet ενσωματωμένο στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB). Το PHY διαχειρίζεται την αμφίδρομη επικοινωνία μεταξύ συσκευών.
Τα δεδομένα που φεύγουν από τη συσκευή μεταδίδονται συνήθως μέσω φυσικών μέσων, όπως καλώδια Ethernet. Το καλώδιο και το PHY καθορίζουν από κοινού την ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων. Οι περισσότερες νέες συσκευές υποστηρίζουν τουλάχιστον 1000BASE-T Ethernet, πράγμα που σημαίνει ότι οι συσκευές μπορούν να μεταδίδουν ή να λαμβάνουν δεδομένα με ταχύτητες έως και 1000 Mbps (ή 1 Gb/s) μέσω γραμμών δεδομένων που αποτελούνται από πολλαπλά καλώδια συνεστραμμένου ζεύγους.
Το Integrated Connector Module (ICM) βρίσκεται μεταξύ του PHY και του μέσου μετάδοσης, επιτρέποντας την αποτελεσματική επικοινωνία μεταξύ των δύο. Η ICM πρέπει να παρέχει μια διεπαφή σχετική με τα μέσα (MDI), όπως μια τυπική υποδοχή Ethernet RJ45 για την εισαγωγή καλωδίων. Η ICM πρέπει επίσης να ταιριάζει με την αντίσταση του PHY και του καλωδίου και να παρέχει ηλεκτρική μόνωση για να προστατεύει τη σύνδεση από υπερτάσεις, βρόχους γείωσης και θόρυβο σήματος, διασφαλίζοντας τελικά ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα (EMC) εντός του συστήματος.
Ο ενσωματωμένος μετασχηματιστής 1:1 του IMC θα χρησιμοποιηθεί επίσης για την απομόνωση της πόλωσης συνεχούς ρεύματος (DC) που χρησιμοποιείται για τη λειτουργία του PHY από τη πόλωση DC που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση δεδομένων ή ισχύος σε συνδεδεμένες συσκευές μέσω τεχνολογίας Power over Ethernet (PoE).
Η ICM διαχειρίζεται το PoE εξασφαλίζοντας προκατάληψη DC μεταξύ δύο καλωδίων συνεστραμμένου ζεύγους που χρησιμοποιούνται για μετάδοση δεδομένων ή μεταξύ δύο αχρησιμοποίητων καλωδίων συνεστραμμένου ζεύγους σε καλώδια Ethernet. Το PoE μπορεί να απλοποιήσει σημαντικά την καλωδίωση των εφαρμογών εργοστασιακών εργαστηρίων, αλλά πρέπει να γίνει προσεκτική επιλογή καλωδίων, ICM και άλλων στοιχείων δικτύου για να διασφαλιστεί η ελάχιστη EMI.
Παίξτε το ρόλο του PoE
Για να εφαρμόσουν το PoE σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, οι μηχανικοί πρέπει να χρησιμοποιούν μετασχηματιστές LAN όπως ο μετασχηματιστής LAN PulseChip της σειράς TCxG της Pulse Electronics (Εικόνα 1). Αυτές οι συσκευές μπορούν να μεταδίδουν δεδομένα με ρυθμούς ζώνης βάσης 1 Gbps, 2,5 Gbps, 5 Gbps ή 10 Gbps, καθώς και ισχύ 0 έως 90 W DC, μέσω τεσσάρων ζευγών καλωδίων συνεστραμμένου ζεύγους.
Μετασχηματιστές LAN σειράς PulseChip TCxG από την Pulse Electronics
Εικόνα 1: Οι μετασχηματιστές LAN σειράς PulseChip TCxG σε συνδυασμό με μαγνητικά τσοκ μπορούν να μειώσουν το θόρυβο του σήματος και να παρέχουν 0 W έως 90 W DC PoE και έως και 10 Gbps ρυθμούς δεδομένων. (Πηγή εικόνας: Pulse Electronics)
Οι μετασχηματιστές με πυρήνα σιδήρου συσκευής επιφανειακής στήριξης (SMD) έχουν ικανότητα ηλεκτρικής απομόνωσης 1500 VRMS για μείωση του θορύβου και του EMI. Η σειρά TCxG πληροί ή υπερβαίνει τις ηλεκτρικές απαιτήσεις για εξοπλισμό επικοινωνίας Ethernet και Wi Fi στην προδιαγραφή 802.3 του Ινστιτούτου Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (IEEE), ιδιαίτερα τις απαιτήσεις μετάδοσης Ethernet 1G, 2.5G, 5G και 10GBASE-T, καθώς και τις απαιτήσεις IEEE 684 Class 802.
Ο μετασχηματιστής δικτύου της σειράς TCxG υιοθετεί μαγνητικούς πυρήνες προδιαγραφών 1812 (4732) και ο σχεδιασμός του είναι συμβατός με την τυπική διάταξη PCB έξι επιφανειών. Η σειρά TCxG00P επιτυγχάνει δυνατότητα διαχείρισης PoE 60 W σε συσκευασία 4,70 ± 0,25 mm x 3,20 mm. Ο μετασχηματιστής της σειράς TCxG001P μπορεί να μεταδώσει ισχύ 90 W και έχει σχεδιαστεί σε συσκευασία 4,60 ± 0,25 mm x 3,40 mm ειδικά για μικρές διατάξεις μαγνητικού πυρήνα. Ωστόσο, οι μηχανικοί της Pulse Electronics συνιστούν να αφήσετε επιπλέον χώρο στην πλευρά του καλωδίου του μετασχηματιστή για να μειωθεί η αύξηση της θερμοκρασίας σε υψηλή ισχύ. Η θερμοκρασία λειτουργίας αυτού του μετασχηματιστή είναι -40 ° C έως + 85 ° C, συμπεριλαμβανομένης της αύξησης της θερμοκρασίας που προκαλείται από την αυτοθέρμανση του εξαρτήματος.
Και τα δύο σχέδια έχουν απώλειες εισαγωγής μικρότερες από -1 dB σε συχνότητες έως 200 MHz. Για περαιτέρω μείωση των απωλειών σήματος, οι μετασχηματιστές της σειράς TCxG έχουν σχεδιαστεί ειδικά για χρήση με μαγνητικά τσοκ SMT, όπως η σειρά PE-0805GCMC της Pulse Electronics. Αυτά τα πηνία τσοκ βοηθούν στο φιλτράρισμα του ηλεκτρονικού θορύβου στα σήματα και χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με μετασχηματιστές LAN σε ρυθμούς δεδομένων για να διασφαλιστεί η αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης. Αυτά τα τσοκ είναι κατάλληλα για μικρότερους μαγνητικούς πυρήνες 0805 (2012) (2,00 mm x 1,2 mm) και μπορούν να τοποθετηθούν με ευελιξία σε σχέδιο PCB λόγω της απουσίας περιορισμών πολικότητας.
Ο μετασχηματιστής TCxG και το ζευγαρωμένο τσοκ του υιοθετούν έναν ευέλικτο αρθρωτό σχεδιασμό, σε συνδυασμό με υποστήριξη για λειτουργία τροφοδοσίας PoE, καθιστώντας τον ιδανική επιλογή για εφαρμογές όπως η διεπαφή ανθρώπου-μηχανής (HMI), οι βιομηχανικοί διακόπτες LAN Ethernet, οι δρομολογητές και οι διακομιστές, καθώς και τα σημεία ασύρματης πρόσβασης 5G και Wi Fi (WAP).
Συνδυασμός συνδεσιμότητας με ICM
Αν και ο ξεχωριστός καθορισμός μετασχηματιστών LAN και μαγνητικών τσοκ έχει ευελιξία, πολλές εφαρμογές απαιτούν ολοκληρωμένες λύσεις. Η ICM ενσωματώνει μετασχηματιστές LAN με μαγνητικά τσοκ και υποδοχές RJ45 για βύσματα καλωδίων Ethernet, διατηρώντας παράλληλα τη συμβατότητα με τα συνήθως χρησιμοποιούμενα τσιπ PHY.
Στο ICM Ethernet της σειράς Pulsejack JXT7 της Pulse Electronics (Εικόνα 2), αυτά τα στοιχεία συνεργάζονται για να επιτύχουν ρυθμούς δεδομένων έως και 10 Gbps όπως καθορίζεται από το IEEE 802.3an ή λειτουργία πολλαπλών ρυθμών 2,5 Gbps και 5 Gbps όπως καθορίζεται από το IEEE3bz.802. Αυτή η σειρά μπορεί επίσης να παρέχει ισχύ συνεχούς ρεύματος έως και 140 W, όπως καθορίζεται από το IEEE 802.3bt μέσω καλωδίων συνεστραμμένου ζεύγους χωρίς θωράκιση (UTP) μήκους 100 ποδιών (όπως τα καλώδια Cat5e ή Cat6).
ICM σειράς Pulsejack JXT7 από την Pulse Electronics
Εικόνα 2: Το ICM της σειράς Pulsejack JXT7 συνδυάζει μετασχηματιστές LAN, μαγνητικά τσοκ και υποδοχές RJ45, υποστηρίζοντας ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων από 1 Gbps έως 10 Gbps και έως 140 W DC PoE. Είναι συσκευασμένο σε στιβαρή και ανθεκτική συσκευασία SMD, καθιστώντας την ιδανική επιλογή για WAP. (Πηγή εικόνας: Pulse Electronics)
Οι συνολικές διαστάσεις του JXT7 ICM είναι 34,29 mm βάθος, 16,51 mm πλάτος και 13,33 mm ύψος. Υιοθετεί σχεδιασμό μεγαλύτερης κοιλότητας για να αντιμετωπίσει πιθανή υπερθέρμανση κάτω από υψηλά επίπεδα ισχύος και ρεύματα έως 1,3 A. Αυτή η σειρά διαθέτει ολοκληρωμένο σχέδιο ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης, συμπεριλαμβανομένων των άνω και κάτω πλακών ελατηρίου EMI, καθώς και πρόσθετων πλακών γείωσης. Το JXT7 ICM είναι στιβαρό και ανθεκτικό, κατάλληλο για βιομηχανικές και εξωτερικές εφαρμογές στην περιοχή θερμοκρασιών από -40 ° C έως +85 ° C.
Ανεβάστε την κατασκευή δικτύου σε νέο επίπεδο
Το ICM είναι ένα βασικό στοιχείο για τη σύνδεση μεμονωμένων συσκευών σε βιομηχανικά δίκτυα Ethernet, αλλά η δημιουργία αυτού του δικτύου απαιτεί διακόπτες, δρομολογητές και κεραίες που μπορούν να ταιριάζουν με τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων των συσκευών. Προκειμένου να διατηρηθεί η χρήση του χώρου εργαστηρίου του εργοστασίου που επιτυγχάνεται με τη συμπαγή τεχνολογία ICM και PoE, αυτές οι συσκευές δικτύου πρέπει να προσαρμοστούν στην υπάρχουσα διάταξη PCB.
Μία από τις μεθόδους για την επίτευξη αυτού του ποσοστού χρήσης είναι η χρήση Ball Grid Array (BGA), η οποία μπορεί να επιτύχει συσκευασία υψηλής πυκνότητας στοιχείων δικτύου σε συσκευές SMD. Η μονάδα LAN SMD BGA Ethernet 1-GB της Pulse Electronics (Εικόνα 3) υποστηρίζει συνδέσεις Ethernet από 10BASE-T έως 1000BASE-T, ενώ παρέχει έως και 70 W DC PoE σε πυκνότητες κάτω από 140 mm² ανά θύρα.
Μονάδα LAN Ethernet 1Gb SMD BGA της Pulse Electronics
Εικόνα 3: Η μονάδα SMD BGA Ethernet LAN 1-GB της Pulse Electronics είναι ένας αναβαθμιζόμενος διακόπτης δικτύου που υποστηρίζει προηγμένο PoE ενώ υποστηρίζει επίσης ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων έως και 1 Gbps. (Πηγή εικόνας: Pulse Electronics)
Αυτές οι μονάδες μπορούν να εγκατασταθούν σε τοποθεσίες που υποστηρίζουν παλαιότερα εξαρτήματα με χαμηλότερους ρυθμούς δεδομένων ή χαμηλότερη ισχύ και μπορούν να εγκατασταθούν στο χώρο πίσω από μια υποδοχή 2xN με δύο σειρές θυρών, κάθε σειρά να περιέχει μία έως οκτώ θύρες. Η ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας των μονάδων που έχουν σχεδιαστεί για βιομηχανικά περιβάλλοντα είναι -40 ° C έως + 80 ° C.
Αυτές οι μονάδες υψηλής πυκνότητας υποστηρίζουν επίσης την προσθήκη κεραιών 5G για ασύρματη επικοινωνία βίντεο. Οι λύσεις κεραιών εφαρμογών 5G, όπως η κεραία της Pulse Electronics (Εικόνα 4) μπορούν να εγκατασταθούν μέσα σε συσκευές σε PCB ή ευέλικτες πλακέτες κυκλωμάτων (FPC) ή εξωτερικά μέσω υλικού ή μαγνητών. Η επιλογή των κεραιών εξαρτάται από τον απαιτούμενο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και το εύρος ζώνης, την απόσταση από τον δέκτη και τα εμπόδια ή τους παράγοντες παρεμβολής κατά τη μετάδοση δεδομένων.
Αυτές οι κεραίες υποστηρίζουν μετάδοση 5G στη μεσαία έως χαμηλή περιοχή συχνοτήτων μεταξύ 617 MHz και 7125 MHz. Εντός αυτής της ζώνης συχνοτήτων, τα δεδομένα μπορούν να μεταδοθούν από αισθητήρες σε έξυπνες συσκευές με υψηλούς ρυθμούς δεδομένων και χαμηλή καθυστέρηση.