Érzékelőcsatlakozók

Izgalmas időket élünk meg az érzékelők világában. Nem csupán a modern szenzorok bonyolultsága növekszik, de az ipari dolgok internetének (Industrial Internet of Things – IIoT) területén is óriási tempóban nő egyre nagyobbra a telepített érzékelők száma.

Ahogy ezek az érzékelők a többi eszközzel (például működtetőkkel és vezérlőkkel) együtt egyre kiterjedtebb hálózatokba kapcsolódnak, újabb kihívások jelennek meg. Egy okosgyárban, ahol a gépek működésétől a magas szintű irányításig mindent integrált rendszerek vezérelnek, megváltozik az eszközök összekapcsolásának és kommunikációjának módja. Ezzel párhuzamosan jelentősen megnövekszik az új szenzorok – például a beágyazott vizuális rendszerek – által megosztott adatmennyiség is.
Azok a felhasználók, akik szeretnék kihasználni az új technológiák kínálta előnyöket, kénytelenek megismerkedni néhány új elnevezéssel és technikával, amelyek komoly szerepet fognak játszani a telepítések során, illetve a felhasznált csatlakozók terén. Mindezek akár ismerősen csengenek, akár misztikusnak hangzanak, a következő néhány évben egész biztosan teljesen elterjedtté válnak. Vessünk egy pillantást ezekre az új megoldásokra, és hogy mit jelentenek a csatlakozók szempontjából.

Régi rendszerek

Ritka, hogy egy gyártó megengedhesse magának azt a luxust, amit egy vadonatúj gyártósor beszerzése jelent, így legtöbbjük belátható időn belül kénytelen lesz szembenézni az új technológiák meglévő infrastruktúrába történő integrálásának kihívásaival.
A gyártók hatalmas érzékelő-termékskálát kínálnak, amelyek jelentős részének tervezésekor nem volt szempont a legújabb hálózatokba történő integrálhatóság. Az érzékelő-interfészek területe jelenleg nem szabványosított, ezzel a kihívással a MicroSAM™ program foglalkozik. A PCI ipari számítógépgyártók csoportja (PCI Industrial Computer Manufacturers Group – PCIMG) egy olyan specifikációsorozat megalkotásán dolgozik, amellyel az interoperabilitást kívánja megvalósítani az érzékelők piacán.
A mikroérzékelőkhöz szánt adaptermodul (Micro Sensor Adapter Module – MicroSAM) egy új, bélyeg nagyságú nyomtatott áramköri (NYÁK) eszköz. A modul által biztosított adatinterfész lehetővé teszi már létező érzékelők telepítésre kész, plug-and-play képességekkel rendelkező eszközzé történő átalakítását. A modul fizikai kivitelezését tekintve egy 32 mm × 32 mm-es NYÁK lesz, amely számos analóg és digitális érzékelő számára tápszűrést és jelszabályozást biztosító alkatrésszel van felszerelve. A szabványosított csatlakozó interfészeként a Samtec T1M-termékcsaládja szolgál, 4, 6 vagy 18 tűs kialakítással. 1 mm-es mikrocsatlakozós kialakításával a T1M megfelelően erős kábelcsatlakozást biztosít az ipari és gyártósori alkalmazásokhoz.

1. ábra A MicroSAM szabványos interfészét a Samtec T1M-termékcsalád adja

Bemutatkozik az IO-Link

A MicroSAM szabvány ideális megoldás érzékelők már meglévő hálózatokba történő csatlakoztatására. Azok számára azonban, akik strukturáltabb megközelítést keresnek, az IO-Link komplett rendszert kínál.
Az IO-Link egy soros kommunikációs protokoll, amely lehetővé teszi az érzékelők és a gyártósorokon megtalálható működtetők közötti pont-pont kapcsolat kialakítását. Az IO-Link problémamentesen integrálható a már meglévő programozható logikai vezérlők (Programmable Logic Controllers – PLC) mellé, amelyek egy modern gyár vezérlési rétegét alkotják. Ami a telepítést végzők számára még ennél is fontosabb, az az, hogy az IO-Link szabványosított megoldása lehetővé teszi az érzékelőgyártók számára, hogy termékeiket egyszerűen beépíthetővé tegyék.
Az IO-Link csatlakozóként a széles körben használt M-típusú csatlakozók árnyékolatlan verzióit választotta. Ezek a csatlakozók robusztus kivitelűek, vékonyak és könnyűek, kialakításuk lehetővé teszi a kábelekre, panelekre és a NYÁK-ra szerelt csatlakozások ipari alkalmazásokra történő használatát.
Az IO-Link egy központi hubot használ, amelyre számos eszköz csatlakoztatható. A hálózati modulok portjai különféle, az érzékelőkhöz leggyakrabban használt M5, M8 és M12 típusú csatlakozókkal kerülnek kialakításra, megkönnyítve ezzel a gépépítők munkáját. A csatlakozók megvásárolhatók kábelre szerelve és önálló csatlakozókként egyaránt, olyan gyártók széles körétől, mint az Amphenol, a Lumberg, a TE Connectivity és a Brad from Molex.

2. ábra Egy példa egy IO-Link rendszer felépítésére (Kép forrása: IO-Link.com)

Az ipari Ethernet jövője?

Az IO-Linkhez hasonló soros kommunikációs rendszereknek sokoldalúságuk és könnyű használhatóságuk ellenére van egy jelentős hátrányuk. Mivel az okosgyárak különböző szintjei nem azonos kommunikációs protokollt használnak, a hálózatok közötti kapcsolatok esetében szükségessé válik az adatok átalakítása. Ez szükségtelenül bonyolulttá teszi a hálózatokat, növeli a költségeket és az energiafogyasztást.
Az SPE-protokoll a régi soros kommunikációs rendszerek leváltását célozza egységes Ethernet-telepítéssel, kisebb, kompakt kivitelű csatlakozókkal. Az SPE ugyanakkor nem a már telepített és használatban lévő hálózati elemeket hivatott lecserélni, ezek száma ugyanis hatalmas, és a lecserélésükkel járó költségek és időráfordítás túlságosan nagy lenne a cseréből származó kevés előnyért cserébe. Az SPE ehelyett inkább az Ethernet-hálózatok kiterjesztésére szolgál, eddig elérhetetlennek számító helyekre is eljuttatva azt.
Egy okosgyár üzemi területeinek a meglévő Ethernet-infrastruktúrába történő bekötése lehetővé teszi egy egységes hálózat kialakítását. Minden egyes meghajtó és érzékelő felszerelhető SPE-csatlakozókkal, amelyek így egyedi IP-címmel rendelkezhetnek, és akadálymentessé válhat a kommunikáció a gépek és a felhő között.

Adatmegosztás a gyártóüzemtől a felhőig

Nem csupán az új eszközök meglévő hálózatba történő integrációját egyszerűsíti le, de az okosgyár koncepciójának kiteljesítésében is jelentős szerepet tölt be. Az ipar 4.0 egyik kulcsfontosságú kritériuma, hogy a gépek képesek legyenek adatot szolgáltatni a hálózat magasabb szintjei számára. Ezek az adatok lehetővé teszik a gyártási hatékonyság nyomon követését, de a gépek állapotába is betekintést engednek. Az érzékelők által biztosított adatok megléte kulcsfontosságú a digitális ikrek létrehozásához.
Ahhoz, hogy a gyártás és a gépek monitorozása hatékony lehessen, az adatoknak valós időben kell rendelkezésre állniuk. Az Ethernet-hálózatra csatlakozó gépek megfelelnek az IEEE időérzékeny hálózatokra vonatkozó szabványának, lehetővé téve a gyártást felügyelő operátorok számára a mindenkori pillanatnyi állapot megfigyelését.
Az új eszközök telepítését az SPE-csatlakozók tápellátási képességei is nagyban segítik. Az elmúlt néhány évben a Power over Ethernet (PoE) lehetővé tette az egyes hálózati elemek telepítését anélkül, hogy szükséges lenne külön tápellátás kiépítéséről gondoskodni. Ennek egy variánsa az adatvonalon történő energiatovábbítás (Power over Data Line – PoDL), amelynek alkalmazásával az SPE-csatlakozórendszer képes a működéshez szükséges energiát a hálózaton keresztül eljuttatni az eszközhöz, így nem szükséges azt helyileg biztosítani. 12, 24 vagy 48 volt feszültséggel az SPE-hálózat akár 50 watt teljesítménnyel képes kiszolgálni az érzékelőket, kijelzőket és indikátorokat. Az adat- és a tápkapcsolat egyetlen csavart érpárú vezetéken történő eljuttatása az eszközökhöz súly- és helymegtakarítást eredményez.

Új csatlakozók

Jelenleg kétféle kialakítású SPE-csatlakozó áll fejlesztés alatt két, egymással versenyben álló konzorcium által. Mindkét csoportot csatlakozó-, kábel-, félvezető- és (természetesen) érzékelőgyártók alkotják. Az SPE Industrial Partner Network a HARTING T1 csatlakozót választotta szabványos csatlakozójaként. A kábelre szerelt csatlakozó IP20 szigetelést kapott, azonban szerelhető az M12 jól ismert kör alakú csatlakozójába is, amely IP67-es védelmet biztosít.

3. ábra A HARTING T1 SPE-csatlakozója

A versenytárs SPE System Alliance eltérő fizikai felépítésű megoldását a Phoenix Contact mutatta be. Mindkét csoport az IEC 63171 szabvány szerint dolgozik, és az idő fogja eldönteni, melyik megoldás válik uralkodóvá a piacon. Vajon egy gyors, mindent eldöntő csatára kerül sor, mint annak idején a VHS és a Betamax között, vagy inkább elhúzódó állóháborúra számíthatunk, mint ami az Apple és az Android között folyik? Ezt korai lenne még megmondani, egy dolog azonban biztos: az SPE használata általánossá válik az ipari alkalmazások csatlakozójaként, és az érzékelőgyártók kiaknázzák a kis mérete és nagy kommunikációs sebessége által nyújtott előnyöket a jövőbeli termékkínálatukban.

4. ábra Egy érpáras Ethernet a Phoenix Contact-tól

Az érzékelők szerepe létfontosságú a modern ipar egyre inkább összekapcsolódó világában, ahol minden érzékelőhöz tartozik legalább egy csatlakozó is. Ahogy növekszik a beépített szenzorok száma, a telepítésükkel foglalkozók egyre inkább szükségét érzik egy olyan csatlakozótechnológiának, amelynek használatával csökkenthető a rájuk eső munkaterhelés. Idővel eldől, hogy ez a már jól ismert megoldások közül fog-e kikerülni, mint az M8, vagy egy teljesen új termék lesz, mint az SPE.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Franchised Distributor
www.mouser.com