Industriële netwerken kunnen fabriekswerkplaatsapparatuur besturen, gegevens en beelden naar externe monitoren verzenden en naadloze communicatie en gegevensoverdracht realiseren, zowel lokaal als op afstand. In de loop der jaren is de Ethernet-technologie die in dit netwerk wordt gebruikt, geëvolueerd van 10BASE-T-systemen die 10 Mbps kunnen verzenden naar bekabelde Ethernet- en draadloze 5G-transmissienetwerken die tot 400 Gbps kunnen ondersteunen. Deze vooruitgang is afhankelijk van netwerkcomponenten die apparaten via Ethernet-kabels verbinden met een lokaal netwerk (LAN) om de signaaloverdracht te verbeteren en de gegevensstroom te beheren.
Ontwerpers kunnen individuele industriële netwerkapparaten kiezen of de beste componenten combineren tot producten die eenvoudig te implementeren zijn. Het begrijpen van verschillende opties is de eerste stap in het implementeren van een toekomstgericht industrieel netwerk.
Componenten voor het realiseren van industriële interconnectie
In industriële netwerken bevat elk apparaat een fysieke laag (PHY), een Ethernet-chip ingebed in de printplaat (PCB). PHY beheert bidirectionele communicatie tussen apparaten.
De gegevens die het apparaat verlaten, worden meestal verzonden via fysieke media, zoals Ethernet-kabels. De kabel en PHY bepalen samen de datatransmissiesnelheid. De meeste nieuwe apparaten ondersteunen minimaal 1000BASE-T Ethernet, wat betekent dat de apparaten gegevens kunnen verzenden of ontvangen met snelheden tot 1000 Mbps (of 1 Gb/s) via datalijnen die zijn samengesteld uit meerdere twisted pair-kabels.
De Integrated Connector Module (ICM) bevindt zich tussen de PHY en het transmissiemedium, waardoor effectieve communicatie tussen de twee mogelijk is. ICM moet een Media Related Interface (MDI) bieden, zoals een standaard RJ45 Ethernet-aansluiting voor het invoeren van kabels. ICM moet ook overeenkomen met de impedantie van PHY en kabel, en elektrische isolatie bieden om de verbinding te beschermen tegen spanningspieken, aardlussen en signaalruis, waardoor uiteindelijk de elektromagnetische compatibiliteit (EMC) binnen het systeem wordt gegarandeerd.
De ingebouwde 1:1-transformator van de IMC zal ook worden gebruikt om de gelijkstroomvoorspanning (DC) die wordt gebruikt om de PHY te bedienen te isoleren van de gelijkstroomvoorspanning die wordt gebruikt om gegevens of stroom naar aangesloten apparaten te verzenden via Power over Ethernet (PoE)-technologie.
ICM beheert PoE door DC-bias te garanderen tussen twee twisted pair-kabels die worden gebruikt voor gegevensoverdracht of tussen twee ongebruikte twisted pair-kabels in Ethernet-kabels. PoE kan de bedrading van fabriekswerkplaatstoepassingen aanzienlijk vereenvoudigen, maar er moet een zorgvuldige selectie van kabels, ICM's en andere netwerkcomponenten worden gemaakt om minimale EMI te garanderen.
Speel de rol van PoE
Om PoE in industriële omgevingen te implementeren, moeten ingenieurs LAN-transformatoren gebruiken, zoals de PulseChip LAN-transformator TCxG-serie van Pulse Electronics (Afbeelding 1). Deze apparaten kunnen gegevens verzenden met basisbandsnelheden van 1 Gbps, 2,5 Gbps, 5 Gbps of 10 Gbps, evenals 0 tot 90 W gelijkstroom, via vier paar twisted pair-kabels.
PulseChip TCxG-serie LAN-transformatoren van Pulse Electronics
Afbeelding 1: LAN-transformatoren uit de PulseChip TCxG-serie gecombineerd met magnetische smoorspoelen kunnen signaalruis verminderen en 0 W tot 90 W DC PoE en datasnelheden tot 10 Gbps leveren. (Afbeeldingsbron: Pulse Electronics)
SMD-transformatoren met ijzeren kern (Surface Mount Device) hebben een elektrisch isolatievermogen van 1500 VRMS om ruis en EMI te verminderen. De TCxG-serie voldoet aan of overtreft de elektrische vereisten voor Ethernet- en Wi-Fi-communicatieapparatuur in de Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.3-specificatie, met name de 1G-, 2.5G-, 5G- en 10GBASE-T Ethernet-transmissievereisten, evenals de IEEE 802.3bt Klasse 4 6/8 PoE-toepassingsvereisten.
De netwerktransformator uit de TCxG-serie maakt gebruik van magnetische kernen met specificatie 1812 (4732) en het ontwerp is compatibel met de standaard PCB-indeling met zes pads. De TCxG00P-serie bereikt 60 W PoE-beheervermogen binnen een pakket van 4,70 ± 0,25 mm x 3,20 mm. De transformator uit de TCxG001P-serie kan een vermogen van 90 W overbrengen en is ontworpen in een pakket van 4,60 ± 0,25 mm x 3,40 mm, speciaal voor kleine magnetische kernlay-outs. De technici van Pulse Electronics raden echter aan extra ruimte vrij te laten aan de kabelzijde van de transformator om de temperatuurstijging bij hoog vermogen te verminderen. De werktemperatuur van deze transformator bedraagt -40°C tot+85°C, inclusief temperatuurstijging veroorzaakt door zelfverhitting van de componenten.
Beide ontwerpen hebben invoegverliezen van minder dan -1 dB bij frequenties tot 200 MHz. Om signaalverliezen verder te verminderen, zijn de transformatoren uit de TCxG-serie speciaal ontworpen voor gebruik met magnetische SMT-smoorspoelen, zoals de PE-0805GCMC-serie van Pulse Electronics. Deze smoorspoelen helpen bij het filteren van elektronische ruis in signalen en worden gebruikt in combinatie met LAN-transformatoren op datasnelheden om impedantie-matching te garanderen. Deze smoorspoelen zijn geschikt voor kleinere 0805 (2012) magneetkernen (2,00 mm x 1,2 mm) en kunnen door het ontbreken van polariteitsbeperkingen flexibel in PCB-ontwerp worden geplaatst.
De TCxG-transformator en de bijbehorende smoorspoel hebben een flexibel modulair ontwerp, gekoppeld aan ondersteuning voor de PoE-voedingsfunctie, waardoor het een ideale keuze is voor toepassingen zoals mens-machine-interface (HMI), industriële Ethernet LAN-switches, routers en servers, evenals 5G en Wi-Fi draadloze toegangspunten (WAP).
Connectiviteit combineren met ICM
Hoewel het afzonderlijk specificeren van LAN-transformatoren en magnetische smoorspoelen flexibiliteit biedt, vereisen veel toepassingen geïntegreerde oplossingen. ICM integreert LAN-transformatoren met magnetische smoorspoelen en RJ45-aansluitingen voor Ethernet-kabelstekkers, terwijl de compatibiliteit met veelgebruikte PHY-chips behouden blijft.
In de Pulsejack JXT7-serie Ethernet ICM van Pulse Electronics (Afbeelding 2) werken deze componenten samen om datasnelheden tot 10 Gbps te bereiken zoals gespecificeerd door IEEE 802.3an, of multi-rate werking van 2,5 Gbps en 5 Gbps zoals gespecificeerd door IEEE 802.3bz. Deze serie kan ook tot 140 W gelijkstroom leveren, zoals gespecificeerd door IEEE 802.3bt, via 30 meter lange UTP-kabels (unshielded twisted pair) (zoals Cat5e- of Cat6-kabels).
Pulsejack JXT7-serie ICM van Pulse Electronics
Afbeelding 2: De ICM uit de Pulsejack JXT7-serie combineert LAN-transformatoren, magnetische smoorspoelen en RJ45-aansluitingen en ondersteunt datatransmissiesnelheden van 1 Gbps tot 10 Gbps en tot 140 W DC PoE. Het is verpakt in een stevige en duurzame SMD-verpakking, waardoor het een ideale keuze is voor WAP. (Afbeeldingsbron: Pulse Electronics)
De totale afmetingen van JXT7 ICM zijn 34,29 mm diep, 16,51 mm breed en 13,33 mm hoog. Het heeft een groter holteontwerp om mogelijke oververhitting bij hoge vermogensniveaus en stromen tot 1,3 A het hoofd te bieden. Deze serie beschikt over een uitgebreid elektromagnetisch afschermingsontwerp, inclusief EMI-veerplaten aan de boven- en onderkant, evenals extra aardingsplaten. JXT7 ICM is stevig en duurzaam, geschikt voor industriële en buitentoepassingen in het temperatuurbereik van -40°C tot+85°C.
Breng netwerkconstructie naar een nieuw niveau
ICM is een belangrijk onderdeel voor het verbinden van individuele apparaten met industriële Ethernet-netwerken, maar voor het bouwen van dit netwerk zijn switches, routers en antennes nodig die de datatransmissiesnelheid van de apparaten kunnen evenaren. Om het gebruik van de fabriekswerkplaatsruimte die wordt bereikt door compacte ICM- en PoE-technologie te behouden, moeten deze netwerkapparaten zich aanpassen aan de bestaande PCB-indeling.
Een van de methoden om deze bezettingsgraad te bereiken is het gebruik van Ball Grid Array (BGA), waarmee netwerkcomponenten met hoge dichtheid in SMD-apparaten kunnen worden verpakt. De 1-GB SMD BGA Ethernet LAN-module van Pulse Electronics (Afbeelding 3) ondersteunt Ethernet-verbindingen van 10BASE-T tot 1000BASE-T, terwijl hij tot 70 W DC PoE levert bij dichtheden van minder dan 140 mm² per poort.
Pulse Electronics' 1Gb SMD BGA Ethernet LAN-module
Afbeelding 3: De 1-GB SMD BGA Ethernet LAN-module van Pulse Electronics is een uitbreidbare netwerkswitch die geavanceerde PoE ondersteunt en tegelijkertijd gegevensoverdrachtsnelheden tot 1 Gbps ondersteunt. (Afbeeldingsbron: Pulse Electronics)
Deze units kunnen worden geïnstalleerd op locaties die oudere componenten ondersteunen met lagere datasnelheden of een lager vermogen, en kunnen worden geïnstalleerd in de ruimte achter een 2xN-connector met twee rijen poorten, waarbij elke rij één tot acht poorten bevat. De nominale bedrijfstemperatuur van modules ontworpen voor industriële omgevingen is -40 ° C tot +80 ° C.
Deze modules met hoge dichtheid ondersteunen ook de toevoeging van 5G-antennes voor draadloze videocommunicatie. Antenne-oplossingen voor 5G-toepassingen, zoals de antenne van Pulse Electronics (Figuur 4), kunnen in apparaten op PCB's of flexibele printplaten (FPC's) worden geïnstalleerd, of extern via hardware of magneten. De keuze van de antennes is afhankelijk van de benodigde datatransmissiesnelheid en bandbreedte, de afstand tot de ontvanger en obstakels of interferentiefactoren tijdens de datatransmissie.
Deze antennes ondersteunen 5G-transmissie in het midden- tot lage frequentiebereik tussen 617 MHz en 7125 MHz. Binnen deze frequentieband kunnen gegevens van sensoren naar slimme apparaten worden verzonden met hoge datasnelheden en lage latentie.