PoE и разъемы M12: Питание устройств Motion Designs

В то время как Интернет вещей (IoT) обычно наблюдается в повседневных потребительских устройствах, промышленный Интернет вещей (IIoT) охватывает обширную территорию. Его приложения в основном находят применение в бизнесе, на заводах и в здравоохранении. Интересно, что более трети рынка IoT объемом около 6 триллионов долларов приходится на производственный сектор.

Связь служит фундаментальной основой IIoT, обеспечивая жизненно важную передачу энергии и данных для управления механизмами, устройствами, машинами и облаком, облегчая выполнение функциональных возможностей IIoT. Кроме того, компоненты с беспроводной связью, сети на базе Ethernet, программирование с открытым исходным кодом, программное обеспечение в виде унифицированных сред разработки (UDE) для обеспечения масштабной совместимости, а также стандартизированные протоколы, кабели и варианты разъемов вносят дополнительный вклад в развитие этого ландшафта.

В этой статье мы рассмотрим два ключевых критерия подключения. Они играют важнейшую роль в современных системах управления движением: разъем разъем M12 и питание через Ethernet (PoE). Третий, родственный стандарт, Single Pair Ethernet (SPE), также кратко представлен как еще одно средство упрощения процессов автоматизации.

Повсеместное использование разъемов M12 и M8 в компонентах движения

Давайте разберемся в значении Х-кодового разъема M12, используемого в шаговых двигателях NEMA-14 с замкнутым циклом управления током. Эти двигатели подключаются по технологии Power over Ethernet (PoE). С появлением стандартов высокой мощности для промышленных Ethernet-коммутаторов проблема обеспечения достаточной мощности для питания двигателей постепенно решается.

Разъемы M8 и M12 — это надежные круглые кабельные наконечники, с помощью которых устройства автоматизации подключаются к большим системам и сетям полевых шин. Эти разъемы значительно сокращают время установки по сравнению с традиционными проводными конструкциями. Можно отказаться от необходимости нанимать электрика для установки автоматизированных машин, упростив процесс внедрения.

Преимущества разъемов M8 и M12 в системах автоматизации

Разъемы M8 и M12, а также кабели в оболочке упрощают процедуры. Источником этих разъемов является запатентованный 7/8-дюймовый трехконтактный разъем, выпущенный в 1982 году. Он имеет свободно вращающийся корпус, известный как накидная гайка. Эта конструкция такая же, как у большинства современных разъемов M8 и M12. Надежное крепление внешней накидной гайки к гнезду устройства обеспечивает надежное соединение и механическую защиту от пыли и жидкостей.

Сегодня разъемы M8 широко используются для подключения промышленных датчиков, исполнительных механизмов, переключателей, ПЛК и модулей ввода/вывода к различным системам автоматизации. С другой стороны, разъемы M12 используются в широком спектре приложений. К ним относятся автоматизация производства, испытания и измерения, производство продуктов питания и напитков, а также робототехника. Они доступны в трех- или четырехконтактных конфигурациях, а также в пяти-, шести-, восьми- или двенадцатиконтактных версиях для установки современных датчиков и исполнительных механизмов.

Разъемы M12 отлично подходят для работы в жестких условиях, связанных с процедурами промывки и воздействием коррозионных веществ. На самом деле, разъемы M12 со степенью защиты IP65, IP67, IP68 и IP69K встречаются довольно часто. Это гарантирует, что они не протекут даже при погружении в воду. Это одна из причин, по которой они так распространены в таких отраслях, как производство продуктов питания и напитков, резины и пластмасс, а также текстиля и полиграфии.

Для большинства приложений, связанных с датчиками и электропитанием, требуются трех- и четырехконтактные разъемы M12. PROFINET и Ethernet используют четырех- и восьмиконтактные разъемы ……, в то время как большинство приложений CANbus CANbus и DeviceNet используют четырех- и пятиконтактные разъемы. В некоторых случаях для определенных режимов передачи сигналов требуется двенадцатиконтактная конфигурация.

Вариации кодирования и варианты настройки разъемов M12

Кодировка разъемов M12 — это стандартизированная система, которая обеспечивает правильное применение различных типов разъемов. Система кодирования помогает предотвратить неправильное сопряжение и обеспечивает совместимость между разъемами и соответствующими им устройствами.

Из этих вариантов наиболее распространены разъемы A, B и D. Это связано с тем, что они являются вариантами оригинальных разъемов M12. Однако разъемы с X-кодом становятся все более популярными, особенно в высокоскоростных промышленных Ethernet-приложениях. Они отвечают требованиям CAT6A и поддерживают скорость передачи данных до 10 Гб/с. Разъемы с кодом X постепенно вытесняют разъемы M12 с кодами A и D в приложениях Ethernet.

Помимо этих вариантов кодировки, существуют также более новые разъемы M12. Например, разъем с кодом K предназначен для работы с переменным током. Разъем с кодом L разработан специально для питания PROFINET постоянным током.

Конструкции разъемов M12, включая прямые и прямоугольные конфигурации, стандартизированы в IEC 61076-2-101. Кабели с оболочкой из ПВХ и полиуретана совместимы с разъемами M12. Также доступны различные нестандартные варианты, включая экранированные или неэкранированные кабели, бронированные кабели, а также соединительные гайки и узлы из нержавеющей стали. Эти опции обеспечивают гибкость и позволяют адаптировать разъемы M12 к конкретным требованиям приложений.

Стандартизированный вариант подключения — Power Over Ethernet (PoE)

Power over Ethernet (PoE) — это стандартизированная сетевая схема, которая позволяет передавать данные и электроэнергию по витой паре Ethernet-кабелей, таких как Cat5e, Cat6 и Cat6a.

IEEE определил различные версии PoE, которые поддерживают разные скорости передачи данных и уровни мощности. К ним относятся:

• 15 Вт для устройств IEEE 802.3af Тип 1
• 30 Вт для устройств IEEE 802.3at Type 2
• 60 Вт для устройств IEEE 802.3bt Тип 3
• 90 Вт для устройств IEEE 802.3bt Type 4

Хотя PoE обычно ассоциируется с питанием датчиков, камер и других устройств обратной связи, в индустрии управления движением быстро растет число пользователей 802.3at PoE+ (тип 2). Этот стандарт особенно актуален для приложений управления движением среднего размера, поскольку он обеспечивает достаточную мощность для питания электродвигателей, используемых для приведения в действие осей движения. В данном контексте устройства с питанием по PoE (PD) — это исполнительные механизмы, которые пользуются питанием по PoE+ для управления движением.

Преимущества и примечания

PoE устраняет необходимость использования питания переменного тока на удаленных устройствах, что позволяет избежать потенциально опасных электрических соединений. Передавая данные и питание по кабелям Ethernet, PoE упрощает установку и повышает безопасность.

Еще одно преимущество PoE — возможность легко подключать и отключать компоненты для изменения физической конфигурации. Такая гибкость дополняет современные UDE и другие программные инструменты по сравнению с традиционными проводными соединениями.

Есть несколько предостережений: Для каждого коммутатора или концентратора в системе PoE существует свой бюджет мощности (мощность коммутатора, деленная на количество используемых портов). Кроме того, любая установка с компонентами, не относящимися к PoE (в том числе с отдельными проводами питания и передачи данных), требует наличия одного из двух компонентов:

1. Инжекторы: Обычно они используются для добавления PoE-устройств в существующую систему. Инжектор обеспечивает питание PoE-совместимого устройства и передает данные через существующий коммутатор без PoE. Этот метод позволяет сэкономить деньги и избавляет от необходимости приобретать новые коммутаторы с поддержкой PoE.

2. Сплиттеры: Они разделяют питание и данные на отдельные проводники, чтобы обеспечить подключение к компонентам, не соответствующим стандарту PoE.

И последнее предостережение: PoE без дополнительного устройства может передавать сигналы длиной не более 100 метров на данном коммутаторе или концентраторе. В установках с большим количеством PoE-устройств могут потребоваться компенсационные источники питания, а также удлинители (сигналов данных).

Еще один новый стандарт — однопоточный Ethernet (SPE)

До сих пор мы подробно рассказывали об использовании стандартной четырехпроводной пары (восьми проводников) Ethernet для передачи данных и относительно новом применении PoE. Теперь появился еще один стандарт Ethernet под названием Single Pair Ethernet (SPE), цель которого — выйти за рамки путаницы полевых шин, представленных на рынке, и упростить и улучшить подключение полевых устройств и систем управления.

SPE решает ограничения традиционного 100-метрового расстояния передачи данных Ethernet, позволяя передавать данные на расстояние до 1 км. Это удобно для очень больших установок или систем автоматизации, поскольку обеспечивает больший охват. Диаметр и вес кабелей SPE составляют всего четверть от диаметра и веса традиционных кабелей Ethernet. Это очень полезно в оборудовании с плотными группами полевых устройств. Небольшие размеры и малый вес облегчают прокладку кабеля в ограниченном пространстве. В соответствии со стандартом IEEE 802.3cg 10 Мбит/с, SPE не может достичь стандартной скорости передачи данных четырехпарного Ethernet. Хотя в промышленных условиях может быть достигнута скорость 1 Гбит/с, и SPE сохраняет все встроенные средства защиты данных стандарта IEEE 802.3.

Обратите внимание, что PoE и SPE не являются взаимоисключающими. SPE может передавать питание и данные, используя существующие стандарты PoE в системе Power over Data Line (PoDL). Технология распределения питания стандартизирована для витой пары 10 Мбит/с с мощностью, сопоставимой со стандартом IEEE 802.3af 15-W и выше.