Le reti industriali possono controllare le apparecchiature delle officine di fabbrica, trasmettere dati e immagini a monitor remoti e ottenere comunicazioni e trasmissioni di dati senza soluzione di continuità sia a livello locale che remoto. Nel corso degli anni, la tecnologia Ethernet utilizzata in questa rete si è evoluta dai sistemi 10BASE-T in grado di trasmettere 10 Mbps a reti di trasmissione Ethernet cablate e wireless 5G in grado di supportare fino a 400 Gbps. Questo progresso si basa su componenti di rete che collegano i dispositivi a una rete locale (LAN) tramite cavi Ethernet per migliorare la trasmissione del segnale e gestire il flusso di dati.
I progettisti possono scegliere singoli dispositivi di rete industriale o combinare i migliori componenti in prodotti facili da implementare. Comprendere le varie opzioni è il primo passo per implementare una rete industriale orientata al futuro.
Componenti per realizzare l'interconnessione industriale
Nelle reti industriali, ogni dispositivo contiene uno strato fisico (PHY), ovvero un chip Ethernet incorporato nel suo circuito stampato (PCB). PHY gestisce la comunicazione bidirezionale tra i dispositivi.
I dati in uscita dal dispositivo vengono solitamente trasmessi tramite supporti fisici, come cavi Ethernet. Il cavo e PHY determinano congiuntamente la velocità di trasmissione dei dati. La maggior parte dei nuovi dispositivi supporta almeno 1000BASE-T Ethernet, il che significa che i dispositivi possono trasmettere o ricevere dati a velocità fino a 1000 Mbps (o 1 Gb/s) attraverso linee dati composte da più cavi a doppino intrecciato.
Il modulo connettore integrato (ICM) si trova tra il PHY e il mezzo di trasmissione, consentendo una comunicazione efficace tra i due. L'ICM deve fornire una Media Related Interface (MDI), come un jack Ethernet RJ45 standard per l'inserimento dei cavi. L'ICM deve inoltre corrispondere all'impedenza del PHY e del cavo e fornire isolamento elettrico per proteggere la connessione da sovratensioni, anelli di terra e rumore del segnale, garantendo in definitiva la compatibilità elettromagnetica (EMC) all'interno del sistema.
Il trasformatore 1:1 integrato dell'IMC verrà utilizzato anche per isolare la polarizzazione della corrente continua (CC) utilizzata per far funzionare il PHY dalla polarizzazione CC utilizzata per trasmettere dati o alimentazione ai dispositivi collegati tramite la tecnologia Power over Ethernet (PoE).
ICM gestisce PoE garantendo la polarizzazione CC tra due cavi a doppino intrecciato utilizzati per la trasmissione dei dati o tra due cavi a doppino intrecciato non utilizzati nei cavi Ethernet. PoE può semplificare in modo significativo il cablaggio delle applicazioni delle officine di fabbrica, ma è necessario effettuare un'attenta selezione di cavi, ICM e altri componenti di rete per garantire EMI minime.
Gioca il ruolo di PoE
Per implementare PoE in ambienti industriali, gli ingegneri devono utilizzare trasformatori LAN come la serie TCxG di trasformatori LAN PulseChip di Pulse Electronics (Figura 1). Questi dispositivi possono trasmettere dati a velocità in banda base di 1 Gbps, 2,5 Gbps, 5 Gbps o 10 Gbps, nonché una potenza CC da 0 a 90 W, attraverso quattro coppie di cavi a doppino intrecciato.
Trasformatori LAN serie PulseChip TCxG di Pulse Electronics
Figura 1: I trasformatori LAN serie PulseChip TCxG abbinati a induttanze magnetiche possono ridurre il rumore del segnale e fornire PoE CC da 0 W a 90 W e velocità dati fino a 10 Gbps. (Fonte immagine: Pulse Electronics)
I trasformatori con nucleo in ferro per dispositivi a montaggio superficiale (SMD) hanno una capacità di isolamento elettrico di 1500 VRMS per ridurre il rumore e le EMI. La serie TCxG soddisfa o supera i requisiti elettrici per le apparecchiature di comunicazione Ethernet e Wi-Fi della specifica 802.3 dell'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), in particolare i requisiti di trasmissione Ethernet 1G, 2,5G, 5G e 10GBASE-T, nonché i requisiti applicativi IEEE 802.3bt Classe 4 6/8 PoE.
Il trasformatore di rete della serie TCxG adotta nuclei magnetici con specifica 1812 (4732) e il suo design è compatibile con il layout PCB standard a sei pad. La serie TCxG00P raggiunge una capacità di gestione PoE di 60 W in un package da 4,70 ± 0,25 mm x 3,20 mm. Il trasformatore della serie TCxG001P può trasmettere una potenza di 90 W ed è progettato in un contenitore da 4,60 ± 0,25 mm x 3,40 mm specifico per layout di nuclei magnetici di piccole dimensioni. Tuttavia, gli ingegneri di Pulse Electronics consigliano di lasciare spazio aggiuntivo sul lato cavo del trasformatore per ridurre l'aumento di temperatura ad alta potenza. La temperatura di funzionamento di questo trasformatore è compresa tra -40 °C e +85 °C, compreso l'aumento di temperatura causato dall'autoriscaldamento dei componenti.
Entrambi i modelli presentano perdite di inserzione inferiori a -1 dB a frequenze fino a 200 MHz. Per ridurre ulteriormente le perdite di segnale, i trasformatori della serie TCxG sono progettati specificamente per l'uso con induttanze magnetiche SMT, come la serie PE-0805GCMC di Pulse Electronics. Queste bobine d'arresto aiutano a filtrare il rumore elettronico nei segnali e vengono utilizzate insieme ai trasformatori LAN a velocità di trasmissione dati per garantire l'adattamento dell'impedenza. Queste induttanze sono adatte per nuclei magnetici 0805 (2012) più piccoli (2,00 mm x 1,2 mm) e possono essere posizionate in modo flessibile nella progettazione PCB grazie all'assenza di restrizioni di polarità.
Il trasformatore TCxG e il suo induttore accoppiato adottano un design modulare flessibile, abbinato al supporto per la funzione di alimentazione PoE, che lo rende la scelta ideale per applicazioni quali interfaccia uomo-macchina (HMI), switch LAN Ethernet industriali, router e server, nonché punti di accesso wireless 5G e Wi-Fi (WAP).
Combinare la connettività con l'ICM
Sebbene specificare separatamente trasformatori LAN e induttanze magnetiche sia flessibile, molte applicazioni richiedono soluzioni integrate. ICM integra trasformatori LAN con induttanze magnetiche e prese RJ45 per connettori per cavi Ethernet, pur mantenendo la compatibilità con i chip PHY comunemente utilizzati.
Nell'ICM Ethernet serie Pulsejack JXT7 di Pulse Electronics (Figura 2), questi componenti lavorano insieme per raggiungere velocità dati fino a 10 Gbps come specificato da IEEE 802.3an, o operazioni multi-rate di 2,5 Gbps e 5 Gbps come specificato da IEEE 802.3bz. Questa serie può anche fornire fino a 140 W di potenza CC come specificato da IEEE 802.3bt attraverso cavi UTP (non schermati) lunghi 100 piedi (come cavi Cat5e o Cat6).
ICM serie Pulsejack JXT7 di Pulse Electronics
Figura 2: L'ICM serie Pulsejack JXT7 combina trasformatori LAN, induttanze magnetiche e prese RJ45, supportando velocità di trasmissione dati da 1 Gbps a 10 Gbps e fino a 140 W DC PoE. È confezionato in un pacchetto SMD robusto e durevole, che lo rende la scelta ideale per WAP. (Fonte immagine: Pulse Electronics)
Le dimensioni complessive dell'ICM JXT7 sono profonde 34,29 mm, larghe 16,51 mm e alte 13,33 mm. Adotta un design della cavità più grande per far fronte al possibile surriscaldamento a livelli di potenza elevati e correnti fino a 1,3 A. Questa serie presenta un design completo di schermatura elettromagnetica, comprese piastre a molla EMI superiori e inferiori, nonché piastre di messa a terra aggiuntive. JXT7 ICM è robusto e durevole, adatto per applicazioni industriali ed esterne nell'intervallo di temperature da -40 ° C a +85 ° C.
Elevare la costruzione della rete a un nuovo livello
L'ICM è un componente chiave per connettere singoli dispositivi alle reti Ethernet industriali, ma la realizzazione di questa rete richiede switch, router e antenne in grado di eguagliare la velocità di trasmissione dati dei dispositivi. Per mantenere l'utilizzo dello spazio dell'officina ottenuto dalla tecnologia compatta ICM e PoE, questi dispositivi di rete devono adattarsi al layout PCB esistente.
Uno dei metodi per raggiungere questo tasso di utilizzo è utilizzare Ball Grid Array (BGA), che può ottenere un confezionamento ad alta densità di componenti di rete nei dispositivi SMD. Il modulo LAN Ethernet SMD BGA da 1 GB di Pulse Electronics (Figura 3) supporta connessioni Ethernet da 10BASE-T a 1000BASE-T, fornendo fino a 70 W di PoE CC a densità inferiori a 140 mm² per porta.
Modulo LAN Ethernet BGA SMD da 1 Gb di Pulse Electronics
Figura 3: Il modulo LAN Ethernet SMD BGA da 1 GB di Pulse Electronics è uno switch di rete aggiornabile che supporta PoE avanzato supportando anche velocità di trasferimento dati fino a 1 Gbps. (Fonte immagine: Pulse Electronics)
Queste unità possono essere installate in posizioni che supportano componenti meno recenti con velocità dati o consumi inferiori e possono essere installate nello spazio dietro un connettore 2xN con due file di porte, ciascuna fila contenente da una a otto porte. La temperatura operativa nominale dei moduli progettati per ambienti industriali è compresa tra -40 ° C e +80 ° C.
Questi moduli ad alta densità supportano anche l'aggiunta di antenne 5G per la comunicazione video wireless. Le soluzioni di antenne per applicazioni 5G come l'antenna di Pulse Electronics (Figura 4) possono essere installate all'interno di dispositivi su PCB o circuiti stampati flessibili (FPC) o esternamente tramite hardware o magneti. La scelta dell'antenna dipende dalla velocità di trasmissione dati e dalla larghezza di banda richieste, dalla distanza dal ricevitore e da ostacoli o fattori di disturbo durante la trasmissione dati.
Queste antenne supportano la trasmissione 5G nella gamma di frequenze medio-basse tra 617 MHz e 7125 MHz. All’interno di questa banda di frequenza, i dati possono essere trasmessi dai sensori ai dispositivi intelligenti con velocità dati elevate e bassa latenza.