尽管物联网对外行来说在消费设备中最为常见,但工业物联网的规模却是巨大的。大部分应用在商业、工厂和医疗保健环境中,近6万亿美元的物联网市场中超过三分之一在制造业。
连接性是所有这些工业物联网的基础——为执行工业物联网功能的控制、设备、机器和云提供所需的电源和数据传输。正如我们在关于这个主题的六部分系列文章中所概述的motioncontroltips.com/category/networking-iot)目前的主要趋势包括边缘计算和云连接服务;无线通信组件;基于以太网的网络;开源编程;以统一开发环境(UDEs)的形式进行大规模互操作性的软件;以及标准化协议、电缆和连接器选项。
在这篇文章中,我们只深入探讨了两个对当今运动控制系统至关重要的支持iiot的连接标准——不起眼的M12连接器和以太网供电(PoE)。然后我们将简要介绍第三个相关标准——单对以太网或SPE——这是另一个简化自动化的标准。
M12和M8连接器——在运动组件上很常见
考虑x编码的M12连接器NEMA-14步进电机具有闭环电流控制来自Applied Motion Products。这些电机通过以太网(PoE)连接供电。在过去,在PoE上获得足够的能量为电机供电是一项挑战,但现在多亏了更高功率的IEEE工业以太网交换机标准,这种情况正在改变。事实上,802.3at (PoE+)标准为连接的设备提供了30w的功率,足以运行NEMA-14步进电机的全功率。我们将在下一节讨论PoE。但是为什么步进电机上的连接器是M12 ?“x编码”的名称是什么意思?
回想一下,M8和M12以及连接器是圆形电缆终端,可以安全地将自动化设备连接到更大的系统以及公共现场总线网络。与以前的硬线路设计相比,它们大大缩短了安装时间,甚至可以省去雇用电工安装自动化机器的需要。
现在很难想象在绳带和连接器出现之前,自动化系统的布线是怎样的:毕竟,所有的传感器和执行器都必须通过预连接的线路进行硬连接,而通常情况下都是无护套的。这些导体需要电工通过导管将它们打捞到控制装置中。当某些部件出现故障时,所有部件的布线都必须断开并拔掉,然后由电工重新布线。接线错误的风险需要在启动前进行专家测试。参考设计世界姐妹网站www.connectortips.com更多关于这个主题的信息。
护套电缆上的M8和M12连接器避免了这些复杂的程序。连接器的起源可以追溯到1982年的专有版本7⁄8在。带有自由旋转外壳的三针连接器称为连接螺母。就像今天的大多数M8和M12连接器一样,该设计的外部耦合螺母拧到设备和设备的公插座上,以实现电缆导体的最大可靠连接,以及对灰尘和流体的机械屏蔽。几年后,M12连接器被引入,并迅速成为主导标准。名称M12指的是这种连接器的连接螺母的标准公制M12螺纹(直径12毫米)。较小的M8连接器——在几年后的1989年问世——也以其连接螺母的公制螺纹命名…在这种情况下,主要直径为8毫米的较粗的M8螺纹。
今天,M8连接器将工业传感器、执行器、开关、plc和I/O连接到各种自动化系统。相比之下,M12连接器广泛应用于工厂自动化、测试和测量、食品和饮料以及机器人应用领域。它们有三个或四个引脚(在市场上的最初版本中-后者用于先进的传感器和执行器)以及五个、六个、八个或12个引脚。它们在容易被冲刷和腐蚀物质的恶劣环境中表现出色……事实上,M12连接器的IP65、IP67、IP68和IP69K等级是相当常见的。这些连接器即使在水下也能保持水密。这就是它们在食品和饮料、橡胶和塑料、纺织和印刷应用中如此常见的原因之一。
大多数传感器和电源应用需要三脚和四脚M12排列。PROFINET和以太网使用4和8引脚计数,而大多数CANbus和DeviceNet连接使用4和5引脚计数。12个引脚对于某些模式的信号传输是必要的。
M12连接器编码是一个标准化的匹配和屏蔽几何系统,以确保连接器类型的多种变化得到正确应用。例如,x编码连接器(在前面的步进电机PoE示例中提到过)是一种较新的八引脚选项,以满足CAT6A数据传输到10gb /秒的要求。其他常见的键(编码)变体有:
- 编码的M12连接器用于传感器,直流电源和1gbit以太网
- B编码的M12连接器用于PROFIBUS
- C编码(双键槽)M12连接器,用于执行器和传感器的交流电源
- D编码的四脚M12连接器用于100兆以太网
- S编码的M12连接器(以取代c编码的连接)用于交流电源
- T编码的M12连接器(最终将取代a编码的连接)用于直流电源
A、B和D连接器是最普遍的,因为它们是最初的M12连接器变体。也就是说,x编码的连接器在高速工业以太网中越来越普遍,并正在取代A和d编码的M12连接器用于以太网应用。其他较新的M12连接器包括k编码连接器用于交流电源和l编码连接器用于PROFINET直流电源。参考设计世界姐妹网站www.connectortips.com更多关于这个主题的信息。
M12连接器(直连接器和直角连接器)的设计符合IEC 61076-2-101标准。PVC和pur护套电缆都可以与M12连接器很好地搭配;无数的选择允许完全定制的束带。选择包括屏蔽和非屏蔽电缆和连接器;铠装电缆;及不锈钢连接螺母等元件。
另一个标准化的连接选项——以太网供电(PoE)
以太网供电(PoE)是一种使用双绞线(Cat5e、Cat6和Cat6a以太网导体)的标准化网络安排,用于传输数据(增加对信号噪声的保护级别)和电力。
PoE版本由IEEE定义,包括用于10mb /秒、100mb /秒和1000mb /秒的数据传输以及电力传输的版本:
- IEEE 802.3af Type 1设备为15w
- 30w用于ieee802.3 at Type 2设备
- 60w适用于IEEE 802.3bt Type 3设备
- 90w用于IEEE 802.3bt Type 4设备
大约2003年的IEEE 802.3af和更新的802.3at (PoE+)标准以及更高功率的802.3bt标准(包括60-W“ultra”UPoE)都规范了这种连接功能的电缆和组件的细节。因此PoE主要与传感器、摄像机和其他反馈设备相关。然而,PoE+的802.3(以及所谓的接受PoE+供电的Type 2设备)由于其供电执行器的能力,目前在运动控制领域得到了最迅速的采用。上述802.3at标准特别适用于中等尺寸的运动控制应用程序,因为它定义的系统的功率足以为电动机(在这种情况下,PoE供电的设备或PDS)用于运动轴的驱动。
在最远的地方,不需要交流电源是PoE的另一个好处……没有潜在的危险的电气连接,否则就必须这样做。此外,PoE组件通过允许在系统开关处通过组件的连接和断开进行物理重新配置(与硬连接的麻烦形成鲜明对比),赋予工业物联网功能,以补充当今的ud和其他软件可能实现的可重新配置性。
这里有一些注意事项:对于PoE系统中的每个交换机或集线器,都有一个电源预算——交换机的瓦数除以使用的端口数量。此外,任何非poe组件的安装(以及独立的电源和数据导体设置)都需要以下两个子组件之一:
- 一个注射器:通常用于将PoE现场设备添加到现有系统的设置中,这些设备向PoE兼容的组件发送电力,通过现有的非PoE交换机接收数据。事实上,PoE喷射器是购买新开关的一种成本效益的替代方案,以适应PoE组件具有适度的功率需求。
- 一个分配器:这些设备将电源和数据分离开来,以便与不符合PoE标准的组件连接。
最后一个警告:没有补充的PoE只能在给定的开关或集线器外传输超过100米的信号…在有许多PoE设备的安装中可能需要补偿电源和(数据信号)扩展器。
另一个新标准——单对以太网(SPE)
到目前为止,我们已经详细介绍了标准四对(八导体)以太网用于数据连接的使用,以及PoE的相对新采用。现在另一个以太网标准叫做单对以太网(SPE)旨在超越市场上混杂的现场总线,简化和改善现场设备和控制的连接,并交付端到端工业以太网协议的潜力。
SPE解决了上面提到的标准以太网100米的限制,有可能运行到1公里,这在非常大的工厂或自动化设置中是非常有用的。SPE电缆的直径(和重量)大约是传统以太网电缆的四分之一,这在机械部件之间有非常紧密的现场设备排的情况下非常有用。根据IEEE 802.3 g 10 Mb/秒标准的定义,SPE无法实现标准的四对以太网数据速率,尽管在工业环境中非常有用的1gb /秒是可能实现的,而且SPE维护了所有IEEE 802.3标准的内置数据安全性。
注意PoE和SPE并不是相互排斥的:SPE可以在数据线供电(PoDL)设置中利用现有的PoE标准来传输电力和数据。功率分配技术为10mb /秒的双绞线导体标准化,其功率可与IEEE 802.3af 15-W标准相媲美。
了下:运动控制技巧