Разъёмы М8: новое решение для промышленных сетей Ethernet и Profinet

Миниатюризация в промышленности предъявляет особые требования к используемому оборудованию и компонентам. Разъём М8 с новым типом кодировки удовлетворяет практически всем потребностям современного производства.

Миниатюризация промышленных устройств и оборудования – одна из важнейших современных тенденций по ряду причин. Более компактные системы занимают меньше места, при их производстве расходуется меньше материала, ниже транспортные расходы и другие эксплуатационные затраты.

Чтобы создать более компактное оборудование, инженеры должны учитывать компоненты, которыми снабжены почти все типы устройств, – внешние интерфейсы, в том числе разъёмы коммуникационных сетей. Следовательно, и разъёмы промышленных сетей должны стать одновременно более компактными, мощными и надёжными. Разработанный недавно разъём типоразмера M8 с новым типом кодировки D отвечает всем этим требованиям.

На рисунке 1 показан фрагмент производственного оборудования, где  уже сегодня применяются разъёмы М8.

В промышленном оборудовании очень популярны круглые разъёмы. Их применение обеспечивает возможность создания блоков с защитными оболочками в соответствии со стандартом IEC 60529 или подобными требованиями, которые не нужно помещать в дополнительный корпус, что только приводило бы к увеличению занимаемого пространства. Кроме того, эти разъёмы можно быстро и легко подключить извне без необходимости открывать устройство.

Версия M8 популярного разъёма типа M12 стала фактическим стандартом, в особенности для малогабаритных устройств: будучи на треть компактнее разъёмов M12, M8 унаследовали от них возможность применения в промышленном оборудовании и удобство подключения (см. рис. 2). Разъём M8 успешно используется во многих областях, будь то компактные датчики или источники питания небольших устройств. Но, поскольку промышленные сети всё чаще интегрируются в промышленное оборудование, разъёмы M8 должны обеспечивать решение и другой задачи: надёжно передавать пакеты данных сетевого трафика.

Следует отметить, что, в отличие от популярного типоразмера M12, для этой области применения до последнего времени не была предусмотрена специальная кодировка разъёмов. Поэтому многие пользователи в качестве решения для интегрирования устройств в сеть перешли на 4-контактные разъёмы M8 со стандартной кодировкой. Хотя это и работоспособное решение, у него есть два недостатка.

Если к устройствам и питание, и коммуникационная сеть подключаются с помощью разъёмов M8 с A-кодировкой, это значит, что сетевой соединитель и разъём питания совместимы между собой. Следовательно, если маркировка разъёмов будет не замечена при выполнении соединений, то кабель питания может быть вставлен в гнездо данных, что приведёт к выходу устройства из строя.

Кроме того, разъём M8 с A-кодировкой, изначально предназначенный для подключения датчиков и небольших исполнительных устройств, имеет четыре контакта с асимметричным расположением, что не позволяет его неправильно  подключить. Такое решение позволяет избавиться от очень маленьких ключей, аналогичных тем, которые обеспечивают защиту от неправильного подключения разъёмов M12 с симметричным расположением контактов. Однако асимметричное расположение контактов отрицательно сказывается на качестве передачи данных из-за влияния электромагнитных полей. Взаимные помехи между электрическими проводниками называются перекрёстными наводками на ближнем конце линии связи (near-end crosstalk – NEXT).

На практике соединения на основе разъёмов M8 для сетей Ethernet или Profinet обеспечивают скорость до 100 Мбит/с, однако полностью требованиям к сетям категории CAT5/Class D не соответствуют. В этих линиях передачи может не быть достаточных резервов для компенсации таких факторов, как большая длина кабеля, электромагнитные наводки и другие виды помех. Это может привести к уменьшению скорости передачи ниже стабильных 100 Мбит/с, что станет причиной потери пакетов данных и приведёт к необходимости их повторной отправки. Результат – ненадёжное соединение.

До настоящего времени требуемая скорость передачи в промышленных сетях была ниже 100 Мбит/с, поэтому не было большой проблемой, если эта скорость не всегда достигалась. Однако объёмы передаваемых данных и, как следствие, требуемая скорость передачи в последнее время возрастают. Первые реализованные приложения Индустрии 4.0 показали, что для обеспечения высокого уровня гибкости производственных систем необходимо намного больше датчиков, чем раньше. Кроме того, объём собираемых данных, так же как и объём информации, к которой необходимо иметь доступ через централизованную базу данных, постоянно увеличивается. Поэтому все устройства, интегрированные в промышленную сеть, должны быть способны получать, обрабатывать и отправлять намного больше данных, чем прежде.

Выполнить эти требования можно только при наличии мощной и надёжной сети. Принцип Индустрии 4.0 для промышленной сети предполагает приближение к технологическому процессу  как раз с помощью отдельных датчиков, интегрированных в сеть. Поскольку всё это должно быть реализовано в компактных станках и оборудовании, необходимо было найти способ оптимизации малогабаритных разъёмов типоразмера M8, чтобы они соответствовали требованиям перспективных систем.

Для устранения недостатков обычных разъёмов M8 была разработана система D-кодировки, которая нашла отражение в стандарте IEC 61076-2-114. Новая схема размещения контактов представляет собой четыре симметрично расположенных контакта (см. рис. 3). Каждые два контакта, расположенные напротив друг друга, образуют пару, к которой подключаются соответственно два противоположных провода кабеля со звёздной скруткой либо витая пара. Поскольку электромагнитные поля, создаваемые при пересылке или приёме данных, взаимно подавляются благодаря симметричному расположению контактов, исключается потеря пакетов из-за перекрёстных наводок на ближнем конце линии связи и гарантируется соблюдение всех требований сетей CAT5/Class D. Для пользователя результатом является надёжное сетевое соединение.

Симметричное расположение контактов указывает на необходимость дополнительных элементов кодировки (ключей) в разъёме. С одной стороны, кодировка предотвращает неправильное подключение разъёма, а с другой – обеспечивается конструктивное отличие разъёмов с одинаковым расположением контактов, предназначенных для разных задач, например P-кодировка разъёмов M8 для EtherCAT. Различие конструкций разъёмов для разных кодировок особенно важно для исключения любых потенциальных повреждений оборудования, вызванных неправильным подключением кабеля.

Расположение элементов кодировки (ключей) в разъёме M8 основано на D-кодировке разъёма типа M12. Однако эти элементы были оптимизированы, чтобы можно было изготовить разъём в меньшем габарите.

Новая кодировка разъёмов M8 (D) позволяет избежать ухудшения характеристик, связанных с низкой скоростью передачи, и уменьшает вероятность неправильного подключения разъёма при симметричном расположении контактов.

Производители устройств, использующих такой интерфейс, обеспечивают надёжное соединение с учётом запросов завтрашнего дня. Благодаря соответствию разъёмов требованиям стандарта IEC пользователи могут быть уверены в надёжности устройств от разных производителей.