يمكن للشبكات الصناعية التحكم في معدات ورش المصانع، ونقل البيانات والصور إلى أجهزة المراقبة عن بعد، وتحقيق اتصالات ونقل بيانات سلسة محليًا وعن بعد. على مر السنين، تطورت تقنية Ethernet المستخدمة في هذه الشبكة من أنظمة 10BASE-T القادرة على نقل 10 ميجابت في الثانية إلى شبكات نقل Ethernet سلكية ولاسلكية 5G قادرة على دعم ما يصل إلى 400 جيجابت في الثانية. يعتمد هذا التقدم على مكونات الشبكة التي تربط الأجهزة بشبكة محلية (LAN) من خلال كابلات Ethernet لتحسين نقل الإشارة وإدارة تدفق البيانات.
يمكن للمصممين اختيار أجهزة الشبكات الصناعية الفردية أو دمج أفضل المكونات في منتجات يسهل نشرها. إن فهم الخيارات المختلفة هو الخطوة الأولى في تنفيذ شبكة صناعية موجهة نحو المستقبل.
مكونات تحقيق الربط الصناعي
في الشبكات الصناعية، يحتوي كل جهاز على طبقة مادية (PHY)، وهي عبارة عن شريحة إيثرنت مدمجة في لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). يدير PHY الاتصال ثنائي الاتجاه بين الأجهزة.
عادةً ما يتم نقل البيانات الخارجة من الجهاز عبر الوسائط المادية، مثل كبلات Ethernet. يحدد الكابل وPHY معًا سرعة نقل البيانات. تدعم معظم الأجهزة الجديدة شبكة إيثرنت 1000BASE-T على الأقل، مما يعني أن الأجهزة يمكنها إرسال أو استقبال البيانات بسرعات تصل إلى 1000 ميجابت في الثانية (أو 1 جيجابت في الثانية) عبر خطوط بيانات مكونة من كبلات زوجية ملتوية متعددة.
توجد وحدة الموصل المتكاملة (ICM) بين الطبقة المادية (PHY) ووسط النقل، مما يتيح الاتصال الفعال بين الاثنين. يجب أن توفر ICM واجهة مرتبطة بالوسائط (MDI)، مثل مقبس RJ45 Ethernet القياسي لإدخال الكابلات. يجب أن يتطابق ICM أيضًا مع مقاومة PHY والكابل، ويوفر عزلًا كهربائيًا لحماية الاتصال من الزيادات المفاجئة والحلقات الأرضية وضوضاء الإشارة، مما يضمن في النهاية التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) داخل النظام.
سيتم أيضًا استخدام محول 1:1 المدمج في IMC لعزل انحياز التيار المباشر (DC) المستخدم لتشغيل PHY من انحياز DC المستخدم لنقل البيانات أو الطاقة إلى الأجهزة المتصلة عبر تقنية Power over Ethernet (PoE).
تقوم ICM بإدارة PoE من خلال ضمان تحيز التيار المستمر بين كبلين مزدوجين مجدولين يستخدمان لنقل البيانات أو بين كبلين مزدوجين مجدولين غير مستخدمين في كبلات Ethernet. يمكن لـ PoE أن يبسط بشكل كبير عملية توصيل الأسلاك لتطبيقات ورشة عمل المصنع، ولكن يجب إجراء اختيار دقيق للكابلات وأجهزة ICM ومكونات الشبكة الأخرى لضمان الحد الأدنى من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).
لعب دور بو
لتنفيذ PoE في البيئات الصناعية، يحتاج المهندسون إلى استخدام محولات LAN مثل سلسلة TCxG من محولات PulseChip LAN من شركة Pulse Electronics (الشكل 1). يمكن لهذه الأجهزة نقل البيانات بمعدلات نطاق أساسي تبلغ 1 جيجابت في الثانية، أو 2.5 جيجابت في الثانية، أو 5 جيجابت في الثانية، أو 10 جيجابت في الثانية، بالإضافة إلى طاقة تيار مستمر من 0 إلى 90 واط، من خلال أربعة أزواج من الكابلات المزدوجة المجدولة.
محولات LAN من سلسلة PulseChip TCxG من Pulse Electronics
الشكل 1: يمكن لمحولات LAN من سلسلة PulseChip TCxG المقترنة بالاختناقات المغناطيسية تقليل ضوضاء الإشارة وتوفير معدلات بيانات تتراوح من 0 وات إلى 90 وات DC PoE وما يصل إلى 10 جيجابت في الثانية. (مصدر الصورة: نبض إلكترونيات)
تتمتع المحولات الأساسية الحديدية لجهاز التثبيت السطحي (SMD) بقدرة عزل كهربائي تبلغ 1500 VRMS لتقليل الضوضاء والتداخل الكهرومغناطيسي. تلبي سلسلة TCxG المتطلبات الكهربائية لمعدات اتصالات Ethernet وWi Fi أو تتجاوزها في مواصفات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) 802.3، وخاصة متطلبات نقل Ethernet 1G و2.5G و5G و10GBASE-T، بالإضافة إلى متطلبات تطبيق IEEE 802.3bt Class 4 6/8 PoE.
تعتمد محولات الشبكة من سلسلة TCxG نواة مغناطيسية بمواصفات 1812 (4732)، وتصميمها متوافق مع تخطيط PCB القياسي ذو الست لوحات. تحقق سلسلة TCxG00P قدرة إدارة PoE بقدرة 60 واط ضمن حزمة 4.70 ± 0.25 مم × 3.20 مم. يمكن لمحول سلسلة TCxG001P أن ينقل طاقة 90 واط وهو مصمم في حزمة 4.60 ± 0.25 مم × 3.40 مم خصيصًا للتخطيطات الأساسية المغناطيسية الصغيرة. ومع ذلك، يوصي مهندسو Pulse Electronics بترك مساحة إضافية على جانب كابل المحول لتقليل ارتفاع درجة الحرارة عند الطاقة العالية. درجة حرارة العمل لهذا المحول هي -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، بما في ذلك ارتفاع درجة الحرارة الناتج عن التسخين الذاتي للمكونات.
يحتوي كلا التصميمين على خسائر إدخال أقل من -1 ديسيبل عند ترددات تصل إلى 200 ميجاهرتز. لتقليل فقدان الإشارة بشكل أكبر، تم تصميم محولات سلسلة TCxG خصيصًا للاستخدام مع ملفات SMT المغناطيسية، مثل سلسلة PE-0805GCMC من Pulse Electronics. تساعد ملفات الاختناق هذه على تصفية الضوضاء الإلكترونية في الإشارات ويتم استخدامها مع محولات LAN بمعدلات بيانات لضمان مطابقة المعاوقة. هذه الإختناقات مناسبة للنوى المغناطيسية الأصغر حجمًا 0805 (2012) (2.00 مم × 1.2 مم) ويمكن وضعها بمرونة في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور نظرًا لعدم وجود قيود قطبية.
يعتمد محول TCxG وخنقه المقترن تصميمًا معياريًا مرنًا، إلى جانب دعم وظيفة إمداد الطاقة PoE، مما يجعله خيارًا مثاليًا لتطبيقات مثل واجهة الإنسان والآلة (HMI)، ومفاتيح Ethernet LAN الصناعية، وأجهزة التوجيه والخوادم، بالإضافة إلى نقاط الوصول اللاسلكية 5G وWi Fi (WAP).
الجمع بين الاتصال مع ICM
على الرغم من أن تحديد محولات LAN والملفات المغناطيسية بشكل منفصل يتمتع بالمرونة، إلا أن العديد من التطبيقات تتطلب حلولاً متكاملة. تقوم ICM بدمج محولات LAN مع ملفات مغناطيسية ومآخذ RJ45 لمقابس كابلات Ethernet، مع الحفاظ على التوافق مع شرائح PHY شائعة الاستخدام.
في سلسلة Ethernet ICM من سلسلة Pulsejack JXT7 من Pulse Electronics (الشكل 2)، تعمل هذه المكونات معًا لتحقيق معدلات بيانات تصل إلى 10 جيجابت في الثانية على النحو المحدد في IEEE 802.3an، أو تشغيل متعدد المعدلات يبلغ 2.5 جيجابت في الثانية و5 جيجابت في الثانية على النحو المحدد في IEEE 802.3bz. يمكن أن توفر هذه السلسلة أيضًا ما يصل إلى 140 واط من طاقة التيار المستمر كما هو محدد بواسطة IEEE 802.3bt من خلال كابلات زوجية ملتوية غير محمية بطول 100 قدم (مثل كابلات Cat5e أو Cat6).
سلسلة Pulsejack JXT7 ICM من شركة Pulse Electronics
الشكل 2: تجمع سلسلة Pulsejack JXT7 ICM بين محولات LAN والملفات المغناطيسية ومآخذ RJ45، مما يدعم معدلات نقل البيانات من 1 جيجابت في الثانية إلى 10 جيجابت في الثانية وما يصل إلى 140 واط من الطاقة عبر شبكة إيثرنت عبر شبكة إيثرنت (DC PoE). لقد تم تعبئته في حزمة SMD قوية ومتينة، مما يجعله خيارًا مثاليًا لـ WAP. (مصدر الصورة: نبض إلكترونيات)
الأبعاد الإجمالية لـ JXT7 ICM هي 34.29 ملم عمقًا، 16.51 ملم عرضًا، و 13.33 ملم ارتفاعًا. إنها تعتمد تصميم تجويف أكبر للتعامل مع الحرارة الزائدة المحتملة في ظل مستويات الطاقة العالية والتيارات التي تصل إلى 1.3 أمبير. تتميز هذه السلسلة بتصميم شامل للدرع الكهرومغناطيسي، بما في ذلك ألواح الزنبرك EMI العلوية والسفلية، بالإضافة إلى ألواح التأريض الإضافية. JXT7 ICM قوي ومتين، ومناسب للتطبيقات الصناعية والخارجية في نطاق درجات الحرارة من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية.
رفع بناء الشبكة إلى مستوى جديد
يعد ICM مكونًا رئيسيًا لتوصيل الأجهزة الفردية بشبكات Ethernet الصناعية، ولكن بناء هذه الشبكة يتطلب محولات وأجهزة توجيه وهوائيات يمكنها مطابقة معدل نقل البيانات للأجهزة. من أجل الحفاظ على الاستفادة من مساحة ورشة عمل المصنع التي تم تحقيقها بواسطة تقنية ICM وPoE المدمجة، تحتاج أجهزة الشبكة هذه إلى التكيف مع تخطيط PCB الحالي.
إحدى طرق تحقيق معدل الاستخدام هذا هي استخدام مصفوفة الشبكة الكروية (BGA)، والتي يمكنها تحقيق تعبئة عالية الكثافة لمكونات الشبكة في أجهزة SMD. تدعم وحدة SMD BGA Ethernet LAN سعة 1 جيجابايت من Pulse Electronics (الشكل 3) اتصالات Ethernet من 10BASE-T إلى 1000BASE-T، مع توفير ما يصل إلى 70 وات من DC PoE بكثافة أقل من 140 مم² لكل منفذ.
وحدة LAN لشبكة إيثرنت 1Gb SMD BGA من شركة Pulse Electronics
الشكل 3: وحدة SMD BGA Ethernet LAN بسعة 1 جيجابايت من Pulse Electronics عبارة عن محول شبكة قابل للترقية يدعم PoE المتقدم بينما يدعم أيضًا معدلات نقل البيانات التي تصل إلى 1 جيجابت في الثانية. (مصدر الصورة: نبض إلكترونيات)
يمكن تركيب هذه الوحدات في المواقع التي تدعم المكونات الأقدم بمعدلات بيانات أقل أو طاقة أقل، ويمكن تركيبها في المساحة خلف موصل 2xN مع صفين من المنافذ، يحتوي كل صف على واحد إلى ثمانية منافذ. درجة حرارة التشغيل المقدرة للوحدات المصممة للبيئات الصناعية هي -40 درجة مئوية إلى +80 درجة مئوية.
تدعم هذه الوحدات عالية الكثافة أيضًا إضافة هوائيات 5G لاتصالات الفيديو اللاسلكية. يمكن تثبيت حلول هوائي تطبيقات 5G مثل هوائي Pulse Electronics (الشكل 4) داخل الأجهزة على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو لوحات الدوائر المرنة (FPCs)، أو خارجيًا من خلال الأجهزة أو المغناطيس. يعتمد اختيار الهوائيات على معدل نقل البيانات المطلوب وعرض النطاق الترددي، والمسافة إلى جهاز الاستقبال، والعوائق أو عوامل التداخل أثناء نقل البيانات.
تدعم هذه الهوائيات نقل 5G في نطاق التردد المتوسط إلى المنخفض بين 617 ميجاهرتز و7125 ميجاهرتز. ضمن نطاق التردد هذا، يمكن نقل البيانات من أجهزة الاستشعار إلى الأجهزة الذكية بمعدلات بيانات عالية وزمن وصول منخفض.