Хотя интернет вещей наиболее заметен непрофессионалам в потребительских устройствах, IIoT масштабен. Большинство приложений используются в бизнесе, на заводах и в здравоохранении, и более трети рынка интернета вещей стоимостью почти 6 триллионов долларов приходится на производство.

Подключение является основой всего этого IIoT — обеспечение электропитания и передачи данных, необходимых элементам управления, устройствам, машинам и облаку для выполнения функций IIoT. Как мы изложили в нашей серии из шести частей по этой теме (на motioncontroltips.com/category/networking-iot) ведущими тенденциями здесь в настоящее время являются передовые вычисления, а также облачные сервисы подключения; компоненты с беспроводной связью; сети на базе Ethernet; программирование с открытым исходным кодом; программное обеспечение в виде унифицирующих сред разработки (UDE) для крупномасштабной интероперабельности; и стандартизированные протоколы, кабели и варианты разъемов.

В этой статье мы подробно остановимся всего на двух стандартах подключения с поддержкой IIoT, столь необходимых для современных систем управления движением, — скромном разъеме M12 и power over Ethernet (PoE). Затем мы кратко коснемся третьего связанного стандарта — однопарного Ethernet или SPE — как еще одного стандарта, упрощающего автоматизацию.

Рассмотрим разъем M12 с кодировкой X на Шаговые двигатели NEMA-14 с замкнутым контуром регулирования тока из продуктов Applied Motion. Эти двигатели используют питание по сети Ethernet (PoE). В прошлом получение энергии, достаточной для питания двигателя по PoE, было сложной задачей, но теперь ситуация меняется благодаря более мощным стандартам IEEE для промышленных коммутаторов Ethernet. Фактически, стандарт 802.3at (PoE+) обеспечивает мощность подключенных устройств 30 Вт — этого достаточно для работы шагового двигателя NEMA-14 на полную мощность. Мы рассмотрим PoE в следующем разделе этой статьи. Но почему разъем M12 на этом шаговом двигателе и что означает обозначение “X-coded”?

Напомним, что разъемы M8 и M12 and представляют собой круглые кабельные наконечники, которые надежно подключают устройства автоматизации к более крупным системам, а также к общим сетям полевой шины. Они значительно сокращают время монтажа по сравнению с проводными конструкциями прошлых лет и могут даже избавить от необходимости нанимать электриков для установки автоматизированного оборудования.

Сейчас трудно представить себе подключение автоматизированных систем до появления шнуров и разъемов: в конце концов, все датчики и исполнительные механизмы приходилось подключать с помощью предварительно подсоединенной проводки, часто без упаковки. Эти проводники требовали, чтобы электрик подсоединил их по кабелепроводу к элементам управления. При выходе из строя какого—либо компонента всю проводку компонентов приходилось отсоединять и вытаскивать, а затем заново подключать электрику. Риск неисправности проводки требовал проведения экспертного тестирования перед запуском. Обратитесь к партнерскому сайту Design World www.connectortips.com подробнее по этой теме.

Разъемы M8 и M12 на кабеле с кожухом позволяют избежать этих сложных процедур. Разъемы ведут свое происхождение от выпуска в 1982 году фирменного ⁷⁄₈ внутри трехконтактный разъем со свободно вращающимся наружным корпусом, называемым соединительной гайкой. Как и у большинства современных разъемов M8 и M12, наружная соединительная гайка этой конструкции навинчивается на разъемы устройств и оборудования для максимально надежного соединения кабельных проводников, а также механической защиты от пыли и жидкостей. Разъемы M12 были представлены несколько лет спустя и быстро стали доминирующим стандартом. Название M12 относится к стандартной метрической резьбе M12 (диаметром 12 мм) соединительной гайки этого соединителя. Меньшие по размеру соединители M8, появившиеся несколькими годами позже, в 1989 году, также получили название из—за метрической резьбы их соединительных гаек, в данном случае более грубой резьбы M8 с основным диаметром 8 мм.

Сегодня разъемы M8 соединяют приводы промышленных датчиков, переключатели, ПЛК и устройства ввода-вывода с различными автоматизированными системами. Напротив, разъемы M12 используются в более широком спектре приложений для автоматизации производства, тестирования и измерений, производства продуктов питания и напитков, а также робототехники. Они поставляются с тремя или четырьмя контактами (как в первоначальных версиях, поступающих на рынок — с последними для продвинутых датчиков и исполнительных механизмов), а также с пятью, шестью, восемью или 12 контактами. Они превосходно работают в суровых условиях, подверженных вымыванию и воздействию агрессивных веществ, и на самом деле довольно часто можно увидеть разъемы M12 с классами защиты IP65, IP67, IP68 и IP69K. Эти разъемы остаются водонепроницаемыми даже при погружении в воду. Это одна из причин, по которой они так распространены в продуктах питания и напитках, резине и пластмассе, текстиле и полиграфии.

Для большинства датчиков и систем питания требуются трех- и четырехконтактные разъемы M12. PROFINET и Ethernet используют четыре и восемь контактов, в то время как большинство подключений CANbus и DeviceNet используют четыре и пять контактов. Для определенных режимов передачи сигнала необходимы 12 контактов.

Кодировка разъема M12 — это система стандартизированной геометрии сопряжения и экранирования, обеспечивающая правильное применение множества вариантов типа разъема. Например, разъемы с кодировкой X (упомянутые ранее в нашем примере PoE с шаговым двигателем) являются новым восьмиконтактным вариантом, отвечающим требованиям CAT6A для передачи данных со скоростью 10 Гбит/с. Другими распространенными вариантами ключа (кодирования) являются:

Наиболее распространены разъемы A, B и D, поскольку они являются оригинальными вариантами разъемов M12. Тем не менее, разъемы с кодировкой X становятся все более распространенными для высокоскоростных промышленных сетей Ethernet и заменяют разъемы M12 с кодировкой A и D для приложений Ethernet. Другие новые разъемы M12 включают разъемы с кодировкой K для питания переменным током и разъемы с кодировкой L для питания PROFINET постоянным током. Обратитесь к партнерскому сайту Design World www.connectortips.com подробнее об этой теме читайте здесь.

Конструкция разъемов M12 (прямых и под прямым углом) стандартизирована в соответствии с IEC 61076-2-101. Кабели как с ПВХ, так и с полиуретановой оболочкой хорошо сочетаются с разъемами M12; множество вариантов позволяют полностью настроить комплекты кабелей. Варианты включают экранированный и неэкранированный кабель и разъемы; бронированный кабель; а также соединительные гайки из нержавеющей стали и другие элементы.

Power over Ethernet (PoE) — это стандартизированное сетевое устройство, использующее витую пару — Ethernet-провода Cat5e, Cat6 и Cat6a для передачи данных (с повышенным уровнем защиты от помех сигнала), а также электроэнергии.

Определенные IEEE версии PoE включают версии для передачи данных со скоростью 10, 100 и 1000 Мбит/с, а также для передачи электроэнергии со скоростью:

Стандарты IEEE 802.3af, выпущенные примерно в 2003 году, и более новые стандарты 802.3at (PoE+), а также стандарты 802.3bt с более высокой мощностью (включая 60-ваттный “ultra” UPoE) определяют специфику кабелей и компонентов для таких функций подключения. Таким образом, PoE в основном ассоциируется с датчиками, камерами и другими устройствами обратной связи. Однако стандарт 802.3at PoE+ (и так называемые устройства типа 2, принимающие питание от PoE+) в настоящее время наиболее быстро внедряется в сфере управления движением благодаря своей способности приводить в действие приводы. Вышеупомянутый стандарт 802.3at особенно актуален для приложений управления движением среднего размера, поскольку он определяет системы с мощностью, достаточной для обеспечения полной мощности электродвигателей (в данном контексте устройств с питанием от PoE или палладийs) используется для приведения в действие осей перемещения.

Устранение необходимости в источнике питания переменного тока является еще одним преимуществом PoE в самых удаленных точках доступа к оборудованию без потенциально опасных электрических подключений, которые в противном случае были бы необходимы. Кроме того, компоненты PoE обеспечивают функциональность IIoT, позволяя осуществлять физическую реконфигурацию с подключением и отключением компонентов на системных коммутаторах (в отличие от сложностей с проводкой) в дополнение к возможности реконфигурирования, которая стала возможной благодаря современным UDEs и другому программному обеспечению.

Есть несколько предостережений: для каждого коммутатора или концентратора в системе PoE существует бюджет мощности — мощность коммутатора, деленная на количество используемых портов. Кроме того, для любой установки с компонентами, отличными от PoE (и для настройки отдельных проводов питания и передачи данных) требуется один из двух подкомпонентов:

Последнее предостережение: PoE без дополнительных устройств может передавать сигналы только на расстояние более 100 м от данного коммутатора или концентратора, и в установках со многими устройствами PoE могут потребоваться компенсационные источники питания, а также удлинители (сигнала передачи данных).

До сих пор мы подробно описывали использование стандартного четырехпарного (восьмипроводного) Ethernet для передачи данных и относительно новое внедрение PoE. Теперь другой стандарт Ethernet называется однопарный Ethernet (SPE) цель — преодолеть мешанину полевых шин, представленных на рынке, упростить и улучшить подключение полевых устройств и элементов управления, а также реализовать потенциал сквозных промышленных протоколов Ethernet.

SPE устраняет упомянутое выше ограничение стандартного Ethernet на 100 м с возможностью пробега до 1 км, что может оказаться весьма полезным на очень крупных установках или в автоматизированных установках. Кабель SPE также примерно на четверть меньше по диаметру (и весу) традиционного кабеля Ethernet, что может оказаться весьма полезным там, где в оборудовании установлены очень плотно расположенные блоки полевых устройств. Определенный стандартом IEEE 802.3cg 10 Мбит/с, SPE не способен поддерживать стандартную скорость передачи данных по четырем парам Ethernet, хотя 1 Гбит/с, столь полезную в промышленных условиях, возможен — и SPE поддерживает встроенную защиту данных всех стандартов IEEE 802.3.

Обратите внимание, что PoE и SPE не являются взаимоисключающими: SPE может передавать энергию и данные, используя существующие стандарты PoE в настройке power over data line (PoDL). Методы распределения мощности стандартизированы для проводников витой пары со скоростью 10 Мбит/с и мощностью, сопоставимой со стандартом IEEE 802.3af 15 Вт и выше.