Industrielle Netzwerke können die Ausrüstung von Werkshallen steuern, Daten und Bilder an entfernte Monitore übertragen und eine nahtlose Kommunikation und Datenübertragung sowohl lokal als auch aus der Ferne erreichen. Im Laufe der Jahre hat sich die in diesem Netzwerk verwendete Ethernet-Technologie von 10BASE-T-Systemen, die 10 Mbit/s übertragen können, zu kabelgebundenen Ethernet- und drahtlosen 5G-Übertragungsnetzwerken entwickelt, die bis zu 400 Gbit/s unterstützen können. Dieser Fortschritt beruht auf Netzwerkkomponenten, die Geräte über Ethernet-Kabel mit einem lokalen Netzwerk (LAN) verbinden, um die Signalübertragung zu verbessern und den Datenfluss zu verwalten.
Designer können einzelne industrielle Netzwerkgeräte auswählen oder die besten Komponenten zu Produkten kombinieren, die einfach zu implementieren sind. Das Verständnis verschiedener Optionen ist der erste Schritt zur Umsetzung eines zukunftsorientierten Industrienetzwerks.
Komponenten für die industrielle Vernetzung
In industriellen Netzwerken enthält jedes Gerät eine physikalische Schicht (PHY), bei der es sich um einen Ethernet-Chip handelt, der in seine Leiterplatte (PCB) eingebettet ist. PHY verwaltet die bidirektionale Kommunikation zwischen Geräten.
Die das Gerät verlassenden Daten werden normalerweise über physische Medien wie Ethernet-Kabel übertragen. Kabel und PHY bestimmen gemeinsam die Datenübertragungsgeschwindigkeit. Die meisten neuen Geräte unterstützen mindestens 1000BASE-T-Ethernet, was bedeutet, dass die Geräte Daten mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000 Mbit/s (oder 1 Gbit/s) über Datenleitungen, die aus mehreren Twisted-Pair-Kabeln bestehen, senden oder empfangen können.
Das Integrated Connector Module (ICM) befindet sich zwischen dem PHY und dem Übertragungsmedium und ermöglicht eine effektive Kommunikation zwischen beiden. ICM muss eine medienbezogene Schnittstelle (MDI) bereitstellen, beispielsweise eine Standard-RJ45-Ethernet-Buchse zum Einführen von Kabeln. ICM muss außerdem an die Impedanz von PHY und Kabel angepasst sein und eine elektrische Isolierung bieten, um die Verbindung vor Überspannungen, Erdschleifen und Signalrauschen zu schützen und letztendlich die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) innerhalb des Systems sicherzustellen.
Der eingebaute 1:1-Transformator des IMC wird auch verwendet, um die Gleichstromvorspannung (DC), die zum Betrieb des PHY verwendet wird, von der Gleichstromvorspannung zu isolieren, die zur Übertragung von Daten oder Strom an angeschlossene Geräte über die Power over Ethernet (PoE)-Technologie verwendet wird.
ICM verwaltet PoE, indem es eine Gleichstromvorspannung zwischen zwei Twisted-Pair-Kabeln zur Datenübertragung oder zwischen zwei ungenutzten Twisted-Pair-Kabeln in Ethernet-Kabeln sicherstellt. PoE kann die Verkabelung von Werkstattanwendungen erheblich vereinfachen, allerdings muss eine sorgfältige Auswahl von Kabeln, ICMs und anderen Netzwerkkomponenten getroffen werden, um minimale EMI zu gewährleisten.
Spielen Sie die Rolle von PoE
Um PoE in industriellen Umgebungen zu implementieren, müssen Ingenieure LAN-Transformatoren wie den PulseChip LAN-Transformator der TCxG-Serie von Pulse Electronics verwenden (Abbildung 1). Diese Geräte können Daten mit Basisbandraten von 1 Gbit/s, 2,5 Gbit/s, 5 Gbit/s oder 10 Gbit/s sowie 0 bis 90 W Gleichstromleistung über vier Paare von Twisted-Pair-Kabeln übertragen.
LAN-Transformatoren der PulseChip TCxG-Serie von Pulse Electronics
Abbildung 1: LAN-Transformatoren der PulseChip TCxG-Serie gepaart mit magnetischen Drosseln können Signalrauschen reduzieren und 0 W bis 90 W DC PoE und bis zu 10 Gbit/s Datenraten bereitstellen. (Bildquelle: Pulse Electronics)
SMD-Eisenkerntransformatoren für Oberflächenmontagegeräte verfügen über eine elektrische Isolationsfähigkeit von 1500 Veff, um Rauschen und elektromagnetische Störungen zu reduzieren. Die TCxG-Serie erfüllt oder übertrifft die elektrischen Anforderungen für Ethernet- und Wi-Fi-Kommunikationsgeräte in der Spezifikation 802.3 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), insbesondere die 1G-, 2,5G-, 5G- und 10GBASE-T-Ethernet-Übertragungsanforderungen sowie die IEEE 802.3bt Klasse 4 6/8 PoE-Anwendungsanforderungen.
Der Netzwerktransformator der TCxG-Serie verwendet Magnetkerne der Spezifikation 1812 (4732) und sein Design ist mit dem standardmäßigen PCB-Layout mit sechs Pads kompatibel. Die TCxG00P-Serie erreicht eine PoE-Verwaltungskapazität von 60 W in einem Gehäuse von 4,70 ± 0,25 mm x 3,20 mm. Der Transformator der TCxG001P-Serie kann eine Leistung von 90 W übertragen und ist in einem 4,60 ± 0,25 mm x 3,40 mm großen Gehäuse speziell für kleine Magnetkernanordnungen konzipiert. Die Ingenieure von Pulse Electronics empfehlen jedoch, auf der Kabelseite des Transformators zusätzlichen Platz zu lassen, um den Temperaturanstieg bei hoher Leistung zu reduzieren. Die Arbeitstemperatur dieses Transformators beträgt -40 °C bis +85 °C, einschließlich des durch die Eigenerwärmung der Komponenten verursachten Temperaturanstiegs.
Beide Ausführungen weisen Einfügedämpfungen von weniger als -1 dB bei Frequenzen bis 200 MHz auf. Um Signalverluste weiter zu reduzieren, sind die Transformatoren der TCxG-Serie speziell für den Einsatz mit SMT-Magnetdrosseln wie der PE-0805GCMC-Serie von Pulse Electronics konzipiert. Diese Drosselspulen helfen dabei, elektronisches Rauschen in Signalen zu filtern und werden in Verbindung mit LAN-Transformatoren bei Datenraten verwendet, um eine Impedanzanpassung sicherzustellen. Diese Drosseln eignen sich für kleinere 0805 (2012) Magnetkerne (2,00 mm x 1,2 mm) und können aufgrund der fehlenden Polaritätseinschränkungen flexibel im PCB-Design platziert werden.
Der TCxG-Transformator und seine gepaarte Drossel verfügen über ein flexibles modulares Design und unterstützen die PoE-Stromversorgungsfunktion. Dies macht ihn zur idealen Wahl für Anwendungen wie Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI), industrielle Ethernet-LAN-Switches, Router und Server sowie drahtlose 5G- und Wi-Fi-Zugangspunkte (WAP).
Konnektivität mit ICM kombinieren
Obwohl die getrennte Spezifikation von LAN-Transformatoren und magnetischen Drosseln Flexibilität bietet, erfordern viele Anwendungen integrierte Lösungen. ICM integriert LAN-Transformatoren mit magnetischen Drosseln und RJ45-Buchsen für Ethernet-Kabelstecker und behält gleichzeitig die Kompatibilität mit häufig verwendeten PHY-Chips bei.
Im Ethernet-ICM der Pulsejack JXT7-Serie von Pulse Electronics (Abbildung 2) arbeiten diese Komponenten zusammen, um Datenraten von bis zu 10 Gbit/s gemäß IEEE 802.3an oder einen Multiratenbetrieb von 2,5 Gbit/s und 5 Gbit/s gemäß IEEE 802.3bz zu erreichen. Diese Serie kann auch bis zu 140 W Gleichstrom gemäß IEEE 802.3bt über 100 Fuß lange ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel (UTP) (z. B. Cat5e- oder Cat6-Kabel) bereitstellen.
ICM der Serie Pulsejack JXT7 von Pulse Electronics
Abbildung 2: Das ICM der Pulsejack JXT7-Serie kombiniert LAN-Transformatoren, magnetische Drosseln und RJ45-Buchsen und unterstützt Datenübertragungsraten von 1 Gbit/s bis 10 Gbit/s und bis zu 140 W DC PoE. Es ist in einem robusten und langlebigen SMD-Gehäuse verpackt und somit eine ideale Wahl für WAP. (Bildquelle: Pulse Electronics)
Die Gesamtabmessungen des JXT7 ICM betragen 34,29 mm tief, 16,51 mm breit und 13,33 mm hoch. Es verfügt über ein größeres Hohlraumdesign, um einer möglichen Überhitzung bei hohen Leistungspegeln und Strömen von bis zu 1,3 A standzuhalten. Diese Serie verfügt über ein umfassendes elektromagnetisches Abschirmungsdesign, einschließlich oberer und unterer EMI-Federplatten sowie zusätzlicher Erdungsplatten. JXT7 ICM ist robust und langlebig und eignet sich für Industrie- und Außenanwendungen im Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C.
Heben Sie den Netzwerkaufbau auf ein neues Niveau
ICM ist eine Schlüsselkomponente für die Verbindung einzelner Geräte mit industriellen Ethernet-Netzwerken. Für den Aufbau dieses Netzwerks sind jedoch Switches, Router und Antennen erforderlich, die der Datenübertragungsrate der Geräte entsprechen können. Um die durch die kompakte ICM- und PoE-Technologie erreichte Nutzung des Werkstattraums in der Fabrik aufrechtzuerhalten, müssen diese Netzwerkgeräte an das bestehende PCB-Layout angepasst werden.
Eine der Methoden, um diese Auslastungsrate zu erreichen, ist die Verwendung von Ball Grid Array (BGA), mit der eine hochdichte Packung von Netzwerkkomponenten in SMD-Geräten erreicht werden kann. Das 1-GB-SMD-BGA-Ethernet-LAN-Modul von Pulse Electronics (Abbildung 3) unterstützt Ethernet-Verbindungen von 10BASE-T bis 1000BASE-T und stellt gleichzeitig bis zu 70 W DC-PoE bei Dichten unter 140 mm² pro Port bereit.
1-Gb-SMD-BGA-Ethernet-LAN-Modul von Pulse Electronics
Abbildung 3: Das 1-GB-SMD-BGA-Ethernet-LAN-Modul von Pulse Electronics ist ein aufrüstbarer Netzwerk-Switch, der erweitertes PoE unterstützt und gleichzeitig Datenübertragungsraten von bis zu 1 Gbit/s unterstützt. (Bildquelle: Pulse Electronics)
Diese Einheiten können an Standorten installiert werden, die ältere Komponenten mit niedrigeren Datenraten oder geringerem Stromverbrauch unterstützen, und können im Raum hinter einem 2xN-Anschluss mit zwei Portreihen installiert werden, wobei jede Reihe einen bis acht Ports enthält. Die Nennbetriebstemperatur von Modulen für Industrieumgebungen beträgt -40 °C bis +80 °C.
Diese Module mit hoher Dichte unterstützen auch das Hinzufügen von 5G-Antennen für die drahtlose Videokommunikation. 5G-Anwendungsantennenlösungen wie die Antenne von Pulse Electronics (Abbildung 4) können in Geräten auf PCBs oder flexiblen Leiterplatten (FPCs) oder extern über Hardware oder Magnete installiert werden. Die Auswahl der Antennen hängt von der benötigten Datenübertragungsrate und -bandbreite, der Entfernung zum Empfänger sowie von Hindernissen oder Störfaktoren bei der Datenübertragung ab.
Diese Antennen unterstützen die 5G-Übertragung im mittleren bis niedrigen Frequenzbereich zwischen 617 MHz und 7125 MHz. Innerhalb dieses Frequenzbandes können Daten mit hohen Datenraten und geringer Latenz von Sensoren an intelligente Geräte übertragen werden.