Sieci przemysłowe mogą sterować wyposażeniem warsztatów fabrycznych, przesyłać dane i obrazy do zdalnych monitorów oraz zapewniać bezproblemową komunikację i transmisję danych zarówno lokalnie, jak i zdalnie. Na przestrzeni lat technologia Ethernet stosowana w tej sieci ewoluowała od systemów 10BASE-T zdolnych do przesyłania danych z szybkością 10 Mb/s do przewodowych sieci Ethernet i bezprzewodowych sieci transmisyjnych 5G obsługujących prędkość do 400 Gb/s. Postęp ten opiera się na komponentach sieciowych, które łączą urządzenia z siecią lokalną (LAN) za pomocą kabli Ethernet w celu poprawy transmisji sygnału i zarządzania przepływem danych.
Projektanci mogą wybierać pojedyncze urządzenia sieci przemysłowej lub łączyć najlepsze komponenty w produkty łatwe do wdrożenia. Zrozumienie różnych opcji jest pierwszym krokiem we wdrażaniu przyszłościowej sieci przemysłowej.
Komponenty do realizacji połączeń przemysłowych
W sieciach przemysłowych każde urządzenie zawiera warstwę fizyczną (PHY), czyli układ Ethernet wbudowany w płytkę drukowaną (PCB). PHY zarządza dwukierunkową komunikacją pomiędzy urządzeniami.
Dane opuszczające urządzenie są zwykle przesyłane za pośrednictwem nośników fizycznych, takich jak kable Ethernet. Kabel i PHY wspólnie określają prędkość transmisji danych. Większość nowych urządzeń obsługuje co najmniej standard 1000BASE-T Ethernet, co oznacza, że urządzenia mogą przesyłać i odbierać dane z szybkością do 1000 Mb/s (lub 1 Gb/s) za pośrednictwem linii danych składających się z wielu skrętek dwużyłowych.
Zintegrowany moduł złącza (ICM) znajduje się pomiędzy warstwą PHY a medium transmisyjnym, umożliwiając efektywną komunikację między nimi. ICM musi zapewnić interfejs związany z multimediami (MDI), taki jak standardowe gniazdo Ethernet RJ45 do podłączania kabli. ICM musi również odpowiadać impedancji PHY i kabla oraz zapewniać izolację galwaniczną, aby chronić połączenie przed przepięciami, pętlami uziemienia i szumami sygnału, ostatecznie zapewniając kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) w systemie.
Wbudowany transformator 1:1 IMC będzie również używany do izolowania polaryzacji prądu stałego (DC) używanego do obsługi PHY od polaryzacji DC używanej do przesyłania danych lub zasilania do podłączonych urządzeń za pośrednictwem technologii Power over Ethernet (PoE).
ICM zarządza PoE, zapewniając polaryzację DC pomiędzy dwiema skrętkami używanymi do transmisji danych lub pomiędzy dwiema nieużywanymi skrętkami w kablach Ethernet. PoE może znacznie uprościć okablowanie w warsztatach fabrycznych, ale należy dokonać starannego doboru kabli, modułów ICM i innych elementów sieci, aby zapewnić minimalne zakłócenia elektromagnetyczne.
Wciel się w rolę PoE
Aby wdrożyć PoE w środowiskach przemysłowych, inżynierowie muszą użyć transformatorów LAN, takich jak transformator PulseChip LAN firmy Pulse Electronics z serii TCxG (rysunek 1). Urządzenia te mogą przesyłać dane z szybkością pasma podstawowego 1 Gb/s, 2,5 Gb/s, 5 Gb/s lub 10 Gb/s, a także mocą od 0 do 90 W prądu stałego, za pośrednictwem czterech par skrętek.
Transformatory LAN serii PulseChip TCxG firmy Pulse Electronics
Rysunek 1: Transformatory LAN serii PulseChip TCxG w połączeniu z dławikami magnetycznymi mogą zredukować szum sygnału i zapewnić PoE o mocy od 0 W do 90 W DC i szybkości transmisji danych do 10 Gb/s. (Źródło obrazu: Pulse Electronics)
Transformatory z rdzeniem żelaznym do montażu powierzchniowego (SMD) mają zdolność izolacji galwanicznej na poziomie 1500 VRMS w celu zmniejszenia szumów i zakłóceń elektromagnetycznych. Seria TCxG spełnia lub przekracza wymagania elektryczne dla sprzętu komunikacyjnego Ethernet i Wi Fi określone w specyfikacji 802.3 Instytutu Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE), w szczególności wymagania dotyczące transmisji 1G, 2.5G, 5G i 10GBASE-T Ethernet, a także wymagania aplikacji IEEE 802.3bt Class 4 6/8 PoE.
Transformator sieciowy serii TCxG wykorzystuje rdzenie magnetyczne o specyfikacji 1812 (4732), a jego konstrukcja jest kompatybilna ze standardowym układem PCB z sześcioma podkładkami. Seria TCxG00P osiąga możliwości zarządzania PoE o mocy 60 W w obudowie o wymiarach 4,70 ± 0,25 mm x 3,20 mm. Transformator serii TCxG001P może przesyłać moc 90 W i został zaprojektowany w obudowie o wymiarach 4,60 ± 0,25 mm x 3,40 mm specjalnie dla małych układów rdzeni magnetycznych. Jednakże inżynierowie Pulse Electronics zalecają pozostawienie dodatkowej przestrzeni po stronie kabla transformatora, aby zmniejszyć wzrost temperatury przy dużej mocy. Temperatura pracy tego transformatora wynosi od -40°C do +85°C, włączając wzrost temperatury spowodowany samonagrzewaniem się podzespołów.
Obie konstrukcje charakteryzują się stratami wtrąceniowymi mniejszymi niż -1 dB przy częstotliwościach do 200 MHz. Aby jeszcze bardziej zmniejszyć straty sygnału, transformatory serii TCxG zostały specjalnie zaprojektowane do użytku z dławikami magnetycznymi SMT, takimi jak seria PE-0805GCMC firmy Pulse Electronics. Te cewki dławikowe pomagają filtrować szum elektroniczny w sygnałach i są używane w połączeniu z transformatorami LAN przy szybkości transmisji danych, aby zapewnić dopasowanie impedancji. Dławiki te są odpowiednie dla mniejszych rdzeni magnetycznych 0805 (2012) (2,00 mm x 1,2 mm) i można je elastycznie umieszczać w projektach PCB ze względu na brak ograniczeń dotyczących polaryzacji.
Transformator TCxG i jego sparowany dławik mają elastyczną konstrukcję modułową, w połączeniu z obsługą funkcji zasilania PoE, co czyni go idealnym wyborem do zastosowań takich jak interfejs człowiek-maszyna (HMI), przemysłowe przełączniki Ethernet LAN, routery i serwery, a także bezprzewodowe punkty dostępowe 5G i Wi Fi (WAP).
Łączenie łączności z ICM
Chociaż oddzielne specyfikowanie transformatorów LAN i dławików magnetycznych zapewnia elastyczność, wiele zastosowań wymaga zintegrowanych rozwiązań. ICM integruje transformatory LAN z dławikami magnetycznymi i gniazdami RJ45 na wtyki kabla Ethernet, zachowując jednocześnie kompatybilność z powszechnie stosowanymi chipami PHY.
W modułach Ethernet ICM Pulsejack JXT7 firmy Pulse Electronics (rysunek 2) komponenty te współpracują ze sobą, aby osiągnąć szybkość transmisji danych do 10 Gb/s zgodnie ze specyfikacją IEEE 802.3an lub pracę z wieloma szybkościami 2,5 Gb/s i 5 Gb/s zgodnie ze specyfikacją IEEE 802.3bz. Seria ta może również zapewniać moc prądu stałego do 140 W zgodnie z normą IEEE 802.3bt do nieekranowanych skrętek dwużyłowych (UTP) o długości 30 metrów (takich jak kable Cat5e lub Cat6).
Pulsejack serii JXT7 ICM firmy Pulse Electronics
Rysunek 2: Seria ICM Pulsejack JXT7 łączy w sobie transformatory LAN, dławiki magnetyczne i gniazda RJ45, obsługujące szybkości transmisji danych od 1 Gb/s do 10 Gb/s i moc PoE do 140 W DC. Jest zapakowany w solidną i trwałą obudowę SMD, co czyni go idealnym wyborem dla WAP. (Źródło obrazu: Pulse Electronics)
Całkowite wymiary JXT7 ICM to 34,29 mm głębokości, 16,51 mm szerokości i 13,33 mm wysokości. Przyjmuje większą konstrukcję wnęki, aby poradzić sobie z możliwym przegrzaniem przy dużych poziomach mocy i prądach do 1,3 A. Seria ta charakteryzuje się kompleksową konstrukcją ekranowania elektromagnetycznego, obejmującą górne i dolne płytki sprężynowe EMI, a także dodatkowe płytki uziemiające. JXT7 ICM jest wytrzymały i trwały, nadaje się do zastosowań przemysłowych i zewnętrznych w zakresie temperatur od -40°C do +85°C.
Podnieś budowę sieci na nowy poziom
ICM jest kluczowym komponentem do łączenia poszczególnych urządzeń z przemysłowymi sieciami Ethernet, ale budowanie tej sieci wymaga przełączników, routerów i anten, które mogą dopasować się do szybkości transmisji danych urządzeń. Aby utrzymać wykorzystanie przestrzeni warsztatu fabrycznego osiągnięte dzięki kompaktowej technologii ICM i PoE, te urządzenia sieciowe muszą dostosować się do istniejącego układu PCB.
Jedną z metod osiągnięcia tego stopnia wykorzystania jest zastosowanie Ball Grid Array (BGA), która umożliwia upakowanie komponentów sieciowych o dużej gęstości w urządzeniach SMD. Moduł SMD BGA Ethernet LAN firmy Pulse Electronics o pojemności 1 GB (rysunek 3) obsługuje połączenia Ethernet od 10BASE-T do 1000BASE-T, zapewniając jednocześnie do 70 W DC PoE przy gęstości poniżej 140 mm² na port.
Moduł sieci LAN SMD BGA Ethernet 1 Gb firmy Pulse Electronics
Rysunek 3: Moduł SMD BGA Ethernet LAN firmy Pulse Electronics o pojemności 1 GB to przełącznik sieciowy z możliwością rozbudowy, który obsługuje zaawansowane PoE, a jednocześnie obsługuje szybkości przesyłania danych do 1 Gb/s. (Źródło obrazu: Pulse Electronics)
Jednostki te można instalować w lokalizacjach obsługujących starsze komponenty o niższych szybkościach transmisji danych lub mniejszej mocy i można je instalować w przestrzeni za złączem 2xN z dwoma rzędami portów, każdy rząd zawierający od jednego do ośmiu portów. Nominalna temperatura pracy modułów przeznaczonych do środowisk przemysłowych wynosi -40°C do +80°C.
Te moduły o dużej gęstości obsługują także dodawanie anten 5G do bezprzewodowej komunikacji wideo. Rozwiązania antenowe do zastosowań 5G, takie jak antena firmy Pulse Electronics (rysunek 4), można instalować wewnątrz urządzeń na płytkach PCB lub elastycznych płytkach drukowanych (FPC) lub zewnętrznie za pomocą sprzętu lub magnesów. Dobór anten zależy od wymaganej szybkości i szerokości pasma transmisji danych, odległości od odbiornika oraz przeszkód lub czynników zakłócających podczas transmisji danych.
Anteny te obsługują transmisję 5G w średnim i niskim zakresie częstotliwości od 617 MHz do 7125 MHz. W tym paśmie częstotliwości dane mogą być przesyłane z czujników do inteligentnych urządzeń z dużą szybkością transmisji danych i niskimi opóźnieniami.