Промышленные сети могут управлять оборудованием заводских цехов, передавать данные и изображения на удаленные мониторы, а также обеспечивать бесперебойную связь и передачу данных как локально, так и удаленно. За прошедшие годы технология Ethernet, используемая в этой сети, превратилась из систем 10BASE-T, способных передавать 10 Мбит/с, в проводные сети Ethernet и беспроводные сети передачи 5G, способные поддерживать скорость до 400 Гбит/с. Этот прогресс основан на сетевых компонентах, которые подключают устройства к локальной сети (LAN) через кабели Ethernet для улучшения передачи сигналов и управления потоком данных.
Проектировщики могут выбирать отдельные промышленные сетевые устройства или объединять лучшие компоненты в продукты, которые легко развертывать. Понимание различных вариантов — это первый шаг к созданию промышленной сети, ориентированной на будущее.
Компоненты для достижения промышленной взаимосвязи
В промышленных сетях каждое устройство содержит физический уровень (PHY), который представляет собой чип Ethernet, встроенный в его печатную плату (PCB). PHY управляет двунаправленной связью между устройствами.
Данные, покидающие устройство, обычно передаются через физические носители, например, по кабелям Ethernet. Кабель и PHY совместно определяют скорость передачи данных. Большинство новых устройств поддерживают как минимум 1000BASE-T Ethernet, что означает, что устройства могут передавать или получать данные со скоростью до 1000 Мбит/с (или 1 Гбит/с) через линии передачи данных, состоящие из нескольких кабелей витой пары.
Интегрированный соединительный модуль (ICM) расположен между PHY и средой передачи, обеспечивая эффективную связь между ними. ICM должен предоставить интерфейс, связанный со средой передачи данных (MDI), например стандартный разъем Ethernet RJ45 для подключения кабелей. ICM также должен соответствовать импедансу PHY и кабеля и обеспечивать электрическую изоляцию для защиты соединения от скачков напряжения, контуров заземления и помех сигнала, в конечном итоге обеспечивая электромагнитную совместимость (ЭМС) внутри системы.
Встроенный трансформатор 1:1 IMC также будет использоваться для изоляции смещения постоянного тока (DC), используемого для работы PHY, от смещения постоянного тока, используемого для передачи данных или питания на подключенные устройства через технологию Power over Ethernet (PoE).
ICM управляет PoE, обеспечивая смещение постоянного тока между двумя кабелями витой пары, используемыми для передачи данных, или между двумя неиспользуемыми кабелями витой пары в кабелях Ethernet. PoE может значительно упростить проводку в заводских цехах, но необходимо тщательно выбирать кабели, модули ICM и другие сетевые компоненты, чтобы обеспечить минимальные электромагнитные помехи.
Играйте роль PoE
Чтобы реализовать PoE в промышленных средах, инженерам необходимо использовать трансформаторы локальной сети, такие как трансформатор локальной сети PulseChip серии TCxG от Pulse Electronics (рис. 1). Эти устройства могут передавать данные со скоростью основной полосы частот 1 Гбит/с, 2,5 Гбит/с, 5 Гбит/с или 10 Гбит/с, а также мощность постоянного тока от 0 до 90 Вт через четыре пары кабелей витой пары.
Сетевые трансформаторы PulseChip серии TCxG от Pulse Electronics
Рис. 1. Трансформаторы локальной сети PulseChip серии TCxG в сочетании с магнитными дросселями могут снизить шум сигнала и обеспечить PoE постоянного тока от 0 до 90 Вт и скорость передачи данных до 10 Гбит/с. (Источник изображения: Pulse Electronics)
Трансформаторы с железным сердечником для устройств поверхностного монтажа (SMD) имеют электрическую изоляцию 1500 В (среднеквадратичное значение) для снижения шума и электромагнитных помех. Серия TCxG соответствует или превосходит электрические требования к оборудованию связи Ethernet и Wi-Fi в спецификации Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) 802.3, в частности требования к передаче Ethernet 1G, 2.5G, 5G и 10GBASE-T, а также требования к приложениям IEEE 802.3bt класса 4 6/8 PoE.
Сетевой трансформатор серии TCxG использует магнитные сердечники спецификации 1812 (4732), а его конструкция совместима со стандартной шестиконтактной компоновкой печатной платы. Серия TCxG00P обеспечивает возможность управления PoE мощностью 60 Вт в корпусе размером 4,70 ± 0,25 мм x 3,20 мм. Трансформатор серии TCxG001P может передавать мощность 90 Вт и имеет корпус размером 4,60 ± 0,25 мм x 3,40 мм специально для небольших схем расположения магнитных сердечников. Однако инженеры Pulse Electronics рекомендуют оставлять дополнительное пространство со стороны кабеля трансформатора, чтобы уменьшить рост температуры при высокой мощности. Рабочая температура этого трансформатора составляет от -40°C до +85°C, включая повышение температуры, вызванное самонагревом компонентов.
Обе конструкции имеют вносимые потери менее -1 дБ на частотах до 200 МГц. Чтобы еще больше снизить потери сигнала, трансформаторы серии TCxG специально разработаны для использования с магнитными дросселями SMT, такими как серия PE-0805GCMC компании Pulse Electronics. Эти дроссельные катушки помогают фильтровать электронные помехи в сигналах и используются вместе с трансформаторами локальной сети на скоростях передачи данных, чтобы обеспечить согласование импедансов. Эти дроссели подходят для магнитопроводов 0805 (2012) меньшего размера (2,00 мм х 1,2 мм) и могут гибко размещаться в конструкции печатной платы благодаря отсутствию ограничений по полярности.
Трансформатор TCxG и его спаренный дроссель имеют гибкую модульную конструкцию в сочетании с поддержкой функции электропитания PoE, что делает его идеальным выбором для таких приложений, как человеко-машинный интерфейс (HMI), промышленные коммутаторы локальной сети Ethernet, маршрутизаторы и серверы, а также точки беспроводного доступа 5G и Wi-Fi (WAP).
Объединение возможностей подключения с ICM
Хотя отдельное определение трансформаторов локальной сети и магнитных дросселей обеспечивает гибкость, во многих приложениях требуются интегрированные решения. ICM объединяет трансформаторы локальной сети с магнитными дросселями и разъемами RJ45 для вилок кабеля Ethernet, сохраняя при этом совместимость с широко используемыми чипами PHY.
В Ethernet ICM серии Pulsejack JXT7 компании Pulse Electronics (рис. 2) эти компоненты работают вместе для достижения скорости передачи данных до 10 Гбит/с, как указано в стандарте IEEE 802.3an, или многоскоростной работы 2,5 Гбит/с и 5 Гбит/с, как указано в стандарте IEEE 802.3bz. Эта серия также может обеспечивать мощность постоянного тока до 140 Вт, как указано в стандарте IEEE 802.3bt, через неэкранированную витую пару (UTP) длиной 100 футов (например, кабели Cat5e или Cat6).
ICM серии Pulsejack JXT7 от Pulse Electronics
Рис. 2. ICM серии Pulsejack JXT7 сочетает в себе трансформаторы локальной сети, магнитные дроссели и разъемы RJ45, поддерживая скорость передачи данных от 1 до 10 Гбит/с и мощность PoE постоянного тока до 140 Вт. Он упакован в прочный и долговечный корпус SMD, что делает его идеальным выбором для WAP. (Источник изображения: Pulse Electronics)
Габаритные размеры JXT7 ICM составляют 34,29 мм в глубину, 16,51 мм в ширину и 13,33 мм в высоту. В нем используется конструкция большего размера полости, чтобы противостоять возможному перегреву при высоких уровнях мощности и токах до 1,3 А. Эта серия отличается комплексной конструкцией электромагнитного экранирования, включая верхнюю и нижнюю пружинные пластины от электромагнитных помех, а также дополнительные пластины заземления. JXT7 ICM прочный и долговечный, подходит для промышленного и наружного применения в диапазоне температур от -40°C до +85°C.
Поднимите построение сети на новый уровень
ICM является ключевым компонентом для подключения отдельных устройств к промышленным сетям Ethernet, но для построения этой сети требуются коммутаторы, маршрутизаторы и антенны, которые могут соответствовать скорости передачи данных устройств. Чтобы сохранить использование пространства заводского цеха, обеспечиваемое компактными технологиями ICM и PoE, эти сетевые устройства необходимо адаптировать к существующей компоновке печатной платы.
Одним из способов достижения такого уровня использования является использование Ball Grid Array (BGA), который позволяет обеспечить высокую плотность упаковки сетевых компонентов в устройствах SMD. Модуль локальной сети Ethernet SMD BGA компании Pulse Electronics емкостью 1 ГБ (рис. 3) поддерживает соединения Ethernet от 10BASE-T до 1000BASE-T, обеспечивая при этом до 70 Вт постоянного тока PoE при плотности менее 140 мм² на порт.
Модуль локальной сети Ethernet BGA SMD 1 Гбит Pulse Electronics
Рис. 3. Модуль локальной сети SMD BGA Ethernet компании Pulse Electronics емкостью 1 ГБ представляет собой модернизируемый сетевой коммутатор, который поддерживает усовершенствованный PoE, а также поддерживает скорость передачи данных до 1 Гбит/с. (Источник изображения: Pulse Electronics)
Эти устройства можно устанавливать в местах, где поддерживаются старые компоненты с более низкой скоростью передачи данных или меньшей мощностью, а также в пространстве за разъемом 2xN с двумя рядами портов, каждый ряд содержит от одного до восьми портов. Номинальная рабочая температура модулей, предназначенных для промышленных условий, составляет от -40°С до +80°С.
Эти модули высокой плотности также поддерживают добавление антенн 5G для беспроводной видеосвязи. Антенные решения для приложений 5G, такие как антенна Pulse Electronics (рис. 4), можно устанавливать внутри устройств на печатных платах или гибких платах (FPC), а также снаружи с помощью оборудования или магнитов. Выбор антенн зависит от требуемой скорости и полосы пропускания передачи данных, расстояния до приемника, а также препятствий или факторов помех при передаче данных.
Эти антенны поддерживают передачу 5G в диапазоне средних и низких частот от 617 МГц до 7125 МГц. В этом диапазоне частот данные могут передаваться от датчиков на интеллектуальные устройства с высокой скоростью передачи данных и низкой задержкой.