Разъемы М8: новое решение для промышленных сетей Ethernet и Profinet

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 разъемы коммуникационных сетей. Следовательно, и разъемы промышленных сетей должны стать одновременно более компактными, мощными и надежными. Разработанный недавно разъем типоразмера M8 с новым типом кодировки D отвечает всем этим требованиям.

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

Рис. 1. Пример производственного оборудования, где сегодня востребованы разъёмы М8

В промышленном оборудовании очень популярны круглые разъемы. 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 разъемы можно быстро и легко подключить извне без необходимости открывать устройство.

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

Рис. 2. Миниатюризация кабельных разъёмов

Следует отметить, что, в отличие от популярного типоразмера M12, для этой области применения до последнего времени не была предусмотрена специальная кодировка разъемов. Поэтому многие пользователи в качестве решения для интегрирования устройств в сеть перешли на 4-контактные разъемы 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 разъемов M8 с A-кодировкой, это значит, что сетевой соединитель и разъем питания совместимы между собой. Следовательно, если маркировка разъемов будет не замечена при выполнении соединений, то кабель питания может быть вставлен в гнездо данных, что приведет к выходу устройства из строя.

Кроме того, разъем 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 разъемов 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 перекрестными наводками на ближнем конце линии связи (near-end crosstalk — NEXT).

На практике, соединения на основе разъемов 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 приведет к необходимости их повторной отправки. Результат — ненадежное 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 объемы 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, объем собираемых данных, так же как и объем 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 надежной сети. Принцип Индустрии 4.0 для промышленной сети предполагает приближение к технологическому процессу как раз с помощью отдельных датчиков, интегрированных в сеть. Поскольку все это должно быть реализовано в компактных станках и оборудовании, необходимо было найти способ оптимизации малогабаритных разъемов типоразмера M8, чтобы они соответствовали требованиям перспективных систем.

Для устранения недостатков обычных разъемов 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 звездной скруткой либо витая пара. Поскольку электромагнитные поля, создаваемые при пересылке или приеме данных, взаимно подавляются благодаря симметричному расположению контактов, исключается потеря пакетов из-за перекрестных наводок на ближнем конце линии связи и гарантируется соблюдение всех требований сетей CAT5/Class D. Для пользователя результатом является надежное сетевое соединение.

Рис. 3. Расположение контактов разъёма M8: а) симметричная схема с новой D-кодировкой; б) применявшаяся ранее асимметричная схема.

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

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

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

Производители устройств, использующих такой интерфейс, обеспечивают надежное соединение с учетом запросов завтрашнего дня. Благодаря соответствию разъемов требованиям стандарта IEC пользователи могут быть уверены в надежности устройств от разных производителей.