Индустриални Ethernet конектори

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 6/2018 • 19.09.2018

Индустриални Ethernet конектори
Индустриални Ethernet конектори

Ethernet е най-популярната мрежова компютърна технология за изграждане на локални (Local Area Network, LAN) мрежи в наши дни. Този мрежов протокол е популярен и като стандарт – IEEE 802.3. Той се отнася до комуникационната структура на мрежата на по-ниско йерархично ниво. Съществуват различни версии на Ethernet, като EtherNet/IP, PROFINET и Modbus-TCP, които са базирани на различни спецификации, но на практика използват почти един и същ метод за физическа комуникация. Те могат да функционират едновременно по един и същи кабел, но не е задължително непременно да могат да комуникират помежду си.

Благодарение на по-високите скорости и по-големите разстояния, които поддържа днес след неколкократното си усъвършенстване, Ethernet става все по-предпочитан стандарт в редица високотехнологични приложения в сферата на индустриалната автоматизация. Индустриалният Ethernet е резултат от адаптирането на традиционни мрежови стандарти за трансфер на данни към изискванията на индустриалните системи.

Макар че физическият слой на кабелите и скоростите на предаване често могат да бъдат еднакви, съществуват редица значителни разлики между комерсиалните и индустриалните Ethernet кабели и конектори. Наред с популярните типове съединители за конвенционални потребителски и офис приложения, които се използват в индустриалните Ethernet мрежи, са разработени и специални стандарти за промишлени приложения, които се отличават със специален усилен дизайн и висока устойчивост на различни агресивни условия.

Фактори на средата
За да е възможно прилагането на Ethernet технологията в индустриална среда, кабелите и конекторите е необходимо да бъдат специално проектирани така, че да издържат въздействието на редица тежки фактори, които не са характерни за конвенционалните приложения на стандарта. Първата стъпка при избор на съединители за индустриални Ethernet системи е да се проучат всички особености на инсталационната среда по цялата дължина на кабелната мрежа.

Трябва да се провери дали и в кои зони кабелите и конекторите ще бъдат в контакт със специфични характеристики на средата, сред които масла, химикали, влага, прах, озон, ултравиолетови лъчения, пръски от заваряване, интензивно огъване, големи температурни колебания и т. н.

Важно е да се вземе предвид, че част от тежките работни условия в промишлените среди е и шумът, който може да окаже негативно влияние върху мрежовата комуникация. Освен акустичните шумове от машините и оборудването в индустриалните обекти са налице и електрически шумове, идващи от разположени в близост правотокови и променливотокови вериги, моторни задвижвания, заваръчно и друго електрическо оборудване. В резултат се наблюдават повишени нива на електромагнитни и радиочестотни смущения (EMI/RFI), които могат да влошат качеството на мрежовата Ethernet комуникация.

Индустриалните конектори е необходимо да са проектирани и изработени така, че да издържат на всички тези критични условия и същевременно да функционират надеждно. Все повече приложения в сферата на индустриалната автоматизация и процесния контрол изискват трансфер и обработка на данни в реално време, което превръща Ethernet в оптимално мрежово решение за промишлени среди.

Особеност на такива приложения обаче е, че кабелите и конекторите е нужно да са високоустойчиви на тежки индустриални условия по цялата дължина на мрежата, като видът им е съобразен с най-агресивните зони по трасето. Ако един Ethernet кабел преминава например през помещение с технологични пещи, където околната температура е над 60°C, всички кабели и конектори в тази зона е необходимо да бъдат от съответния температуроустойчив клас.

С цел по-добра защита на кабелите и конекторите в промишлени условия производителите използват различни технологии при предпазните обвивки например полиуретанови защитни слоеве или такива от термопластичен полиуретан, устойчиви на абразивни и химически въздействия, контакт с масла и възпламеняване. Достъпни са и версии с по-нисък клас защитни обвивки като PVC, които са подходящи за по-леки промишлени приложения, които не включват досег с масла и химикали, а също и работа при ниски температури. Студът втвърдява PVC материала и създава риск от разкъсване при падане на температурите под даден праг.

Видове индустриални Ethernet конектори
При индустриалните Ethernet конектори, също както и при комерсиалните, са достъпни различни стандарти за физически интерфейс. Популярният модулен RJ45 конектор, използван широко в потребителските и офис приложения, намира място и в индустриалните Ethernet мрежи. Налични са версии с 8 или 4 пина, в мъжки и женски конфигурации, а също и в капсуловани или подходящи за полево терминиране (кримпване) варианти.

RJ45 конекторите типично се предлагат с клас на защита IP20 или IP67. В индустрията при версиите с рейтинг IP67 често се използва т. нар. байонетно свързване, което осигурява по-голяма здравина на връзката. В допълнение, завъртането на четвърт оборот, необходимо за свързване на кабела, съединява RJ45 щепсела с контакта и гарантира добре напаснато и уплътнено съединение.

RJ45 конекторите в индустриално изпълнение обикновено са по-големи устройства със заключващ механизъм. Те разполагат с уплътнителна система с IP67 рейтинг, която ги защитава от замърсявания и вибрации. За по-чисти зони или за приложения във вътрешността на контролни шкафове например се предлага по-малка версия с клас на защита IP20.
Други популярни стандарти при Ethernet конекторите за индустриални среди са кръглите M12 и M8 съединители. Достъпни са версии с 4 или 8 позиции, мъжки и женски, в капсуловани или подходящи за полево терминиране варианти, с клас на защита IP67/IP69K. M12 конекторите типично са по-малки (12-милиметрови) и са популярен аналог на RJ45, основно поради размера и издръжливостта си.

Международната асоциация ODVA, съставена от членове на водещи глобални компании в сферата на индустриалната автоматизация, е възприела M12 конекторите със спецификация 4 позиции и код D като стандарт за индустриални Ethernet приложения. Този тип съединители защитават връзката от навлизане на прах и влага, вибрации и екстремни температурни колебания, което ги прави отлично решение за тежките промишлени среди.

Сред най-новите попълнения при индустриалните Ethernet конектори са т. нар. X-Code съединители (с кодировка X). Те се различават по начина, по който 8-те проводника на Ethernet кабела са сегментирани в 4 екранирани двойки. Този тип съединители са разработени в отговор на нарастващите приложения на високоскоростната Gigabit Ethernet технология в промишлените системи.

Насоки за избор и инсталация
Най-общо изборът на индустриален Ethernet конектор трябва да е стриктно съобразен със средата, в която ще се експлоатира. В повечето промишлени приложения се използват мрежови конектори с минимален клас на защита (Ingress Protection Rating, IP) IP65 и IP67, който ги предпазва от навлизането на влага, прах и различни замърсители. Друго важно правило е при избор на екранирани кабели да се използват и екранирани конектори с оглед гарантирането на безпроблемна работа на системата.

Препоръчително е броят точки на свързване в една Ethernet мрежа да се намали, доколкото е възможно. Всяко сдвоено с конектор съединение представлява отсек от мрежата с малка дължина, в който двойките Ethernet проводници не са усукани и са по-уязвими на шумови смущения.
Обичайна практика при индустриалните Ethernet мрежи е да се използват кабели с мъжки съединители от двете страни, което намалява възможностите кабелната система да се удължи. Всички щепселни съединения и “bulkhead” конектори е препоръчително да бъдат женски. Тази практика се прилага често, независимо дали използваните конектори са RJ45, M12 или M8. ODVA препоръчва да се използват не повече от 6 сдвоени съединения на канал, тъй като повече биха компрометирали качеството на комуникацията.

Оптични кабели и конектори
Оптичните кабели и конектори стават все по-популярни и по-предпочитани от медните в редица индустриални приложения. Оптичното окабеляване се отличава с множество предимства пред конвенционалните решения, включително: високи скорости на пренос на данни; елиминирана необходимост от екраниране; подходящо е за бърза Gigabit Ethernet комуникация в съответствие със стандарта IEC 11801 и др.

На пазара се предлага широка гама от възможности по отношение на кабелите и съответните конектори за приложения в промишлени условия. POF (Plastic Optical Fiber) кабелите притежават същите характеристики по отношение на преноса на данни като Cat5e (популярно като “категория 5”) окабеляването – скорост от 100 mbps при максимална дължина на кабела от 100 метра и възможности за лесна инсталация. HCS (Hard Clad Silica) кабелите с покритие от твърд силициев диоксид представляват стъклени влакна с полимерна обвивка. Те осигуряват по-високи скорости на пренос на данни, но при тях терминирането и инсталацията като цяло са по-сложни.

GOF (Glass Optical Fiber) кабелите със стъклени оптични влакна гарантират най-високи скорости на трансфер, но изискват специални инструменти и умения за кримпване и инсталация. Максималната дължина на GOF кабелите е от порядъка на няколко километра. При индустриалните оптични конектори са достъпни следните стандарти: SC, ST, FSMA, SCRJ и др.

Особености и приложения
Важни съображения във връзка с приложението на индустриалните Ethernet конектори са: експлоатационните условия, на които ще бъдат изложени, типът монтаж, необходимо ли е екраниране и т. н. Конекторите от типа RJ45 (познати и като 8P8C – 8 позиции 8 контакта) са най-популярната технология при Ethernet мрежите. Такива конектори са достъпни за повечето категории Ethernet кабели, включително CAT 5e, CAT 6 и др.

Те разполагат с възможности за лесно съединяване и разединяване, което ги прави предпочитано решение не само за офис приложения, но и във все повече мрежи за процесен контрол и индустриална автоматизация. Въпреки нарастващата им популярност в промишлените системи този тип конектори са подходящи за по-леки експлоатационни условия, предимно в защитени зони или в шкафове. Достъпни са варианти за 2- и 4-проводниково окабеляване с класове на защита IP20 и IP67.
M12 конекторите са предназначени за по-тежки работни условия благодарение на специалния си индустриален дизайн и здрава конструкция. Те защитават съединението от навлизане на влага и прах и го правят устойчиво на вибрации и удар.

Всички тези предимства на M12 конекторите ги превръщат в по-рентабилен избор за поддържане на високо качество и надеждност на комуникацията в мрежите за индустриална автоматизация. Стандартът M12 е достъпен в 3 различни конфигурации за индустриални Ethernet приложения: 4 пина код D, 8 пина код А и 8 пина код X. Конекторите с код D са предназначени за използване само с 4-проводникови (2 двойки) индустриални Ethernet кабели. Код А конекторите са подходящи за използване с кабели с 2 двойки или 4 двойки (с 8 проводника) проводници. Код X е предназначен само за екранирани индустриални Ethernet кабели с 4 двойки проводници.

Версиите с клас на защита IP67 и IP69K са подходящи за по-тежки индустриални приложения, включително такива, включващи напръскване с вода, а във втория случай – омокряне с вода под налягане. Предлагат се варианти с компоненти от неръждаема стомана, подходящи за силно корозивни среди. Подобно на RJ45 съединителите, конекторите M12 могат да бъдат използвани с повечето от съществуващите категории Ethernet кабели (включително от CAT 5 до CAT 7).
М8 конекторите с 4 пина и рейтинг IP67 също са подходящи за индустриални Ethernet приложения.

По-малкият им размер позволява на инсталаторите да внедряват мрежови комуникации при много по-ограничено пространство. Съединителите от този тип са съвместими и със спецификацията EtherCAT за Ethernet-базирани fieldbus системи. Конфигурацията с 4 пина е подходяща за индустриални Ethernet кабели с 2 двойки проводници.

Съвременните приложения в областта на машинното зрение, индустриалните камери и високоскоростното събиране на данни в индустриалната автоматизация изискват мрежови кабели, които са в състояние надеждно да осъществяват пренос на данни със скорости от порядъка на 10/100 Mbps. Технологията Gigabit Ethernet, която прави възможен бързия трансфер на информация със скорости 1-10 Gbps (гигабита в секунда), осигурява необходимата скорост и капацитет за подобни приложения. За приложения със скорост на пренос от 1 Gbps се изискват кабели от категория 5e или по-висока.

За приложения с 10 Gbps се изискват кабели от категория 6A или по-висока. За системи, които изискват 1 Gb комуникация (или ако са налице повече от четири съединителни точки в канала), се препоръчва използването на CAT 5e, CAT 6 или CAT 6A кабели заедно с по-високия рейтинг M12 конектор – код X. За приложения с 10 Gb скорост на пренос експертите препоръчват CAT 7 индустриални Ethernet кабели заедно с M12 конектор код X. Т. нар. код X указва усъвършенстван дизайн с подобрено екраниране. Металният държач, осигуряващ контакта, изолира всяка от двойките проводници от останалите. В допълнение, версията на M12 с кодировка X е с клас на защита IP67 и позволява надеждна работа при ниски температури под -20°C и високи – до 70°C.

Популярно приложение на Gigabit Ethernet технологията е в мрежи, свързани с индустриални камери. Обикновено тези камери са позиционирани в защитени зони и не се нуждаят задължително от издръжливи M12 конектори. В такива сценарии се препоръчва използването на RJ45 съединители с кабели от категория CAT 6.
Технологията Power-over-Ethernet (PoE) за пренос на електроенергия по мрежови кабели постепенно набира популярност и в индустриалните приложения.

Концепцията наподобява тази при офис потребителите, но има и някои съществени разлики. Идеята е същата – да се използва един-единствен кабел за трансфер на данни и енергия. Тук вместо да се подава ниско напрежение/ток през двойките проводници, кабелът включва допълнителни габаритни проводници, специално предназначени за захранване. Тази технология все още не е дефинирана в стандарти, които да задават спецификации по отношение на дизайна. Ето защо на пазара са достъпни множество вариации с различен брой двойки проводници за данни, силови проводници и типове конектори.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top