วิธีที่ตัวเชื่อมต่อปลั๊กอินไฮบริดช่วยให้มั่นใจได้ถึงระบบควบคุมมอเตอร์ที่กะทัดรัด ยืดหยุ่น และประสิทธิภาพสูง

การใช้ตัวควบคุมมอเตอร์ขนาดกะทัดรัดเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในอุตสาหกรรม 4.0 และแอพพลิเคชั่น Industrial Internet of Things (IIoT) ตั้งแต่ในหุ่นยนต์และการจัดการวัสดุ ไปจนถึงอาหารและเครื่องดื่ม อย่างไรก็ตาม เมื่อตัวควบคุมมีขนาดเล็กลง นักออกแบบจะกำหนดเส้นทางและเชื่อมต่อทั้งสัญญาณไฟฟ้าและสัญญาณข้อมูลอย่างง่ายดายและคุ้มราคา ขณะเดียวกันก็รับรองความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) และความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงาน

อินเทอร์เฟซโอเพนซอร์สขั้นสูง เช่น ลิงก์เซอร์โวดิจิตอลอินเทอร์เฟซประสิทธิภาพสูง (Hiperface DSL) และลิงก์เปิดโซลูชันสายเดี่ยว (SCS) ได้ปรากฏขึ้นเพื่อช่วยเชื่อมต่อสัญญาณข้อมูลพลังงานทั้งสองโดยใช้ขั้วต่อขนาดกะทัดรัดเพียงตัวเดียว สิ่งนี้ทำให้การเชื่อมต่อง่ายขึ้น แต่ทำให้คุณภาพ การออกแบบ และประสิทธิภาพของตัวเชื่อมต่อนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งยวดเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณมีความสมบูรณ์ EMC และการปฏิบัติตามข้อกำหนดการป้องกันการสัมผัสและขาเข้าของ IP20

บทความนี้อธิบายคร่าวๆ เกี่ยวกับอินเทอร์เฟซ Open Link ของ Hiperface DSL และ SCS ก่อนที่จะพูดถึงข้อกำหนดทางไฟฟ้าและทางกลของกลไกตัวเชื่อมต่อที่สามารถส่งได้ทั้งสัญญาณพลังงานและข้อมูลในสภาพแวดล้อมที่มีพื้นที่จำกัด จากนั้นจะแนะนำคอนเน็กเตอร์ควบคุมมอเตอร์ไฮบริดจาก Weidmüller และแสดงวิธีการใช้เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้

ลิงก์เปิด Hiperface DSL และ SCL คืออะไร

การย้ายไปยังลิงก์แบบเปิดของ Hiperface DSL และ SCS เป็นความพยายามในการรวมพลังงานและข้อมูลไว้ในตัวเชื่อมต่อเดียวกันเพื่อประหยัดพื้นที่ ต้นทุนที่ต่ำลง และทำให้การออกแบบตัวควบคุมมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงง่ายขึ้น (รูปที่ 1) ทั้งสองใช้ RS-485

รูปที่ 1: คอนเน็กเตอร์ปลั๊กอินไฮบริดสำหรับไฮเปอร์เฟส DSL และ SCS open link ช่วยประหยัดพื้นที่บนบอร์ดวงจรพิมพ์ (pc) ของไดรฟ์มอเตอร์และทำให้การเชื่อมต่อง่ายขึ้น (แหล่งรูปภาพ: Weidmüller)

Hiperface DSL เป็นโปรโตคอลดิจิทัลสำหรับสายเคเบิลเส้นเดียวที่มีสายไฟหุ้มฉนวนสองเส้นสำหรับการสื่อสารแบบสองทิศทางและกำลังของตัวเข้ารหัส สายไฟของมอเตอร์ และสายเบรกของมอเตอร์ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: สายเคเบิลที่เข้ากันได้กับ Hiperface DSL พื้นฐานประกอบด้วยสามองค์ประกอบ: แหล่งจ่ายไฟ (ไฟสามเฟส สีน้ำตาลขนาดใหญ่ในสีดำ และพื้น สีน้ำตาลในสีเหลือง/สีเขียว) คู่เบรกมอเตอร์ที่หุ้มฉนวนแยกต่างหาก (สีน้ำตาลขนาดเล็กในสีดำ) และคู่ข้อมูลที่มีฉนวนป้องกันแยกต่างหาก (สีน้ำตาลในสีน้ำเงินและสีน้ำตาลในสีเทา) สำหรับการถ่ายโอนข้อมูลดิจิทัล ทั้งหมดนี้อยู่ในสายเคเบิลที่มีฉนวนหุ้ม (แหล่งรูปภาพ: Weidmüller)

Hiperface DSL มีอัตราการส่งข้อมูล 9.375 เมกะไบต์ (MBaud) ที่ความยาวสายเคเบิลสูงสุด 100 เมตร (ม.) ระหว่างตัวควบคุมมอเตอร์และมอเตอร์ มีสองวิธีในการส่งข้อมูลบน Hiperface DSL อย่างรวดเร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในสภาวะสัญญาณและสัญญาณรบกวน หรือแบบซิงโครนัสกับนาฬิกาของตัวควบคุม โปรโตคอล Hiperface DSL มีคุณสมบัติที่สำคัญหลายประการ:

• ความสามารถในการประมวลผลข้อมูลตำแหน่งและความเร็วในการหมุนแบบซิงโครนัสจากตัวเข้ารหัสด้วยรอบเวลาสั้นเพียง 12.1 ไมโครวินาที (μs)
• รอบเวลาสูงสุด 192 μs สำหรับการส่งตำแหน่งที่ปลอดภัยของระบบป้อนกลับของมอเตอร์
• ตรงตามข้อกำหนด Safety Integrity Level (SIL) 2 ของ IEC 61508 สำหรับการส่งซ้ำซ้อนของตำแหน่งที่ปลอดภัยของระบบป้อนกลับของมอเตอร์ด้วยรอบเวลาสูงสุด 192 μs
• ตรงตามข้อกำหนด SIL 3 ของ IEC 61508 เมื่อใช้ในระบบป้อนกลับของมอเตอร์ที่เหมาะสม
• การถ่ายโอนข้อมูลทั่วไปแบบสองทิศทางด้วยแบนด์วิดท์สูงสุด 340 กิโลบาวด์ (kBaud) สำหรับการส่งพารามิเตอร์ รวมถึงการจัดเก็บฉลากประเภทอิเล็กทรอนิกส์ของข้อมูลตัวควบคุมมอเตอร์ และฉลากประเภทอิเล็กทรอนิกส์สำหรับระบบป้อนกลับของมอเตอร์
• ช่องสัญญาณแยกที่นำข้อมูลจากเซ็นเซอร์มอเตอร์ภายนอก (ความเร่ง แรงบิด อุณหภูมิ และอื่น ๆ) เชื่อมต่อกับเครือข่ายการตอบสนองของมอเตอร์โดยโปรโตคอล Hiperface DSL Sensor Hub

อินเทอร์เฟซป้อนกลับมอเตอร์ลิงก์แบบเปิดของ SCS ยังได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับข้อมูลแบบสองทิศทางระหว่างมอเตอร์และตัวควบคุม รวมถึงข้อมูลตัวเข้ารหัสที่อัตราสูงถึง 10 MBaud รองรับการใช้งานแบบสองสายและสี่สาย ลิงก์เปิดของ SCS ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับอุตสาหกรรม 4.0 โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนที่เกี่ยวกับแอปพลิเคชัน IIoT ที่เกิดขึ้นใหม่ เช่น การตรวจสอบสภาพของมอเตอร์และการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์

เช่นเดียวกับ Hiperface DSL ลิงก์เปิด SCS ได้รับการรับรองถึง SIL 3 นอกจากนี้ ลิงก์เปิดของ SCS ยังตรงตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยในการใช้งานของ EN ISO 13849 ระดับประสิทธิภาพ e (PLe) หมวด 3 โซลูชันสายเดี่ยวเหล่านี้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยในการใช้งานของ IEC 61508-2: 2010 และ IEC 61784-3: 2017

ความท้าทายของตัวเชื่อมต่อที่ต้องเผชิญกับ Hiperface DSL และ SCS open link

เพื่อให้ Hiperface DSL และ SCS ลิงก์เปิดทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือ จำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อที่มีการป้องกันอย่างดีระหว่างมอเตอร์ที่มีตัวเข้ารหัสและไดรฟ์ การใช้ขั้วต่อปลั๊กอินและขั้วต่อเพื่อลดจำนวนอินเทอร์เฟซจะช่วยได้ จำเป็นต้องมีสายเคเบิลที่มีฉนวนป้องกันอย่างต่อเนื่องระหว่างมอเตอร์กับตัวเข้ารหัสและไดรฟ์ด้วย สายเคเบิลหุ้มฉนวนเส้นเดียวพร้อมขั้วต่อปลั๊กอินสองตัว ตัวหนึ่งปรับให้เหมาะกับการเชื่อมต่อกับมอเตอร์ และอีกสายหนึ่งเหมาะสำหรับการเชื่อมต่อกับไดรฟ์ ให้แนวทางที่ประหยัด และใช้ได้ทั้งในลิงก์เปิด Hyperface DSL และ SCS

นอกจากการใช้สายเคเบิลที่มีฉนวนหุ้มแล้ว ฉนวนยังต้องถูกปิดปลายทั้งสองด้านของสายเคเบิลอย่างเหมาะสม ขั้วต่อทรงกลมแบบเสียบปลั๊ก (โดยปกติคือขั้วต่อทรงกลม M23) ที่มีตัวเรือนโลหะใช้ที่ด้านมอเตอร์ของจุดเชื่อมต่อถึงกัน (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ความยาวสายเคเบิลสูงสุด 100 ม. ระหว่างมอเตอร์และไดรฟ์รองรับทั้งไฮเปอร์เฟซ DSL และ SCS open link; ขั้วต่อมอเตอร์อยู่ทางด้านซ้าย ขั้วต่อปลั๊กอินไฮบริดสำหรับตัวควบคุมมอเตอร์อยู่ทางด้านขวา (แหล่งรูปภาพ: Weidmüller)

ในการควบคุมค่าใช้จ่าย ขั้วต่อปลั๊กอินที่ด้านไดรฟ์ของการเชื่อมต่อถึงกันไม่จำเป็นต้องมีโครงโลหะ การออกแบบทางกายภาพของตัวเชื่อมต่อไดรฟ์นั้นไม่ได้มาตรฐาน ดังนั้นผู้ออกแบบไดรฟ์จึงต้องระวังเมื่อพัฒนาตัวเชื่อมต่อของตนเองเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ ในขณะที่เชื่อมต่อกับแผงวงจรพิมพ์ได้อย่างง่ายดายเพื่อลดความซับซ้อนในการเชื่อมต่อและลดต้นทุนตัวเชื่อมต่อ ด้วยการออกแบบและประกอบสายเคเบิลที่เหมาะสม และแนวปฏิบัติในการป้องกัน EMI ที่ดี สายเคเบิลยาวถึง 100 ม. จึงทำได้

โซลูชันคอนเนคเตอร์สามในหนึ่งเดียวสำหรับพลังงาน สัญญาณ และEMC

แม้ว่าจะเป็นไปได้ที่จะใช้เวลาในการพัฒนาการออกแบบตัวเชื่อมต่อ แต่ผู้ออกแบบมอเตอร์ไดรฟ์เพียงไม่กี่คนมีประสบการณ์หรือเวลาที่จำเป็นในการเรียนรู้ความแตกต่างของการออกแบบตัวเชื่อมต่อ แม้จะต้องการประสิทธิภาพที่ดีที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ พวกเขาสามารถหันไปหาบริษัทต่าง ๆ เช่น Weidmüller ที่ให้ความสำคัญกับปัญหาอยู่แล้วและคิดหาวิธีแก้ไขที่สง่างาม

ตัวอย่างเช่น ตัวเชื่อมต่อ OMNIMATE Power Hybrid เป็นโซลูชันแบบสามในหนึ่งเดียวที่มีคุณลักษณะสัญญาณ กำลังไฟ และ EMC เพื่อใช้ทั้งโปรโตคอลลิงก์โอเพนของ Hiperface DSL และ SCS ขณะที่ประหยัดพื้นที่บนบอร์ดพีซีของไดรฟ์มอเตอร์ ตู้ควบคุม ตัวเชื่อมต่อมีให้เลือกหลายแบบรวมถึง หกตำแหน่ง (รูปที่ 4 ซ้าย) เจ็ดตำแหน่ง แปดตำแหน่ง และเก้าตำแหน่ง (รูปที่ 4, ขวา)

รูปที่ 4: ตัวเชื่อมต่อ OMNIMATE Power Hybrid เป็นโซลูชันแบบสามในหนึ่งเดียว (กำลัง, สัญญาณ, EMC) ที่มีหน้าแปลนตรงกลางแบบล็อคตัวเอง (สีแดง) พวกเขามาพร้อมกับตำแหน่งหก (ซ้าย) เจ็ดแปดหรือเก้า (ขวา) (แหล่งรูปภาพ: Weidmüller)

ขั้วต่อไฮบริดเหล่านี้ประกอบด้วยหน้าสัมผัสกำลังและสัญญาณพร้อมการเชื่อมต่อสายแบบกดเข้าที่ระยะพิทช์ 7.62 มม. (มม.) และตรงตามข้อกำหนดของ IEC 61800-5-1 และ UL 1059 Class C 600 โวลต์ (สำหรับหน้าสัมผัสกำลังไฟฟ้า)

ตัวเชื่อมต่อมีคุณสมบัติการออกแบบที่ใช้งานได้จริงหลายอย่างที่จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ ประการแรก พวกเขามีการแยกที่ดีระหว่างตัวเข้ารหัสและการเชื่อมต่อกำลังมอเตอร์เพื่อลดข้อกังวลของ EMC ประการที่สอง การจัดเรียงของสัญญาณและการเชื่อมต่อพลังงานต่าง ๆ ได้รับการพิจารณาอย่างรอบคอบแล้ว ตัวอย่างเช่น การเชื่อมต่อที่ "เป็นกลาง" เช่น กราวด์ป้องกัน (PE) อยู่ตรงกลาง และการเชื่อมต่อสัญญาณและข้อมูลสำหรับสายเอ็นโค้ดเดอร์และสายเบรกของมอเตอร์วางอย่างสมมาตรและด้านข้าง

เพื่อความสะดวกในการใช้งาน กลไกการประสานปลั๊กอินแบบใช้มือเดียว ไม่ต้องใช้เครื่องมือ ล็อคตัวเองได้ ช่วยลดเวลาการติดตั้งและบำรุงรักษา อินเตอร์ล็อคยังช่วยลดความต้องการพื้นที่ด้วยความกว้างหนึ่งพิทช์ เมื่อเทียบกับโซลูชั่นอื่นๆ มุมเข้าสาย 30˚ บนแผงป้องกันช่วยประหยัดระหว่างแถวได้มากถึง 10 เซนติเมตร (ซม.) ช่วยลดขนาดสารละลาย

การใช้ขั้วต่อ OMNIMATE Power Hybrid อย่างมีประสิทธิภาพ

เพื่อใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่จากขั้วต่อ OMNIMATE Power Hybrid แนวทางปฏิบัติในการประกอบสายเคเบิลที่ถูกต้องและการปิดฉนวนเป็นสิ่งจำเป็นในการควบคุม EMI และรับรองความน่าเชื่อถือของระบบ แม้ว่าจะได้รับการออกแบบอย่างพิถีพิถัน แต่ OMNIMATE Power Hybrid ยังคงเป็นอินเทอร์เฟซแบบสายเดี่ยว ดังนั้นสายไฟและสายสัญญาณจึงค่อนข้างใกล้เคียงกัน ดังนั้น แนวปฏิบัติในการออกแบบที่ดีจึงต้องมีการเชื่อมต่ออิมพีแดนซ์ต่ำระหว่างตัวป้องกันสายเคเบิลและขั้วต่อ การรวมแผ่นป้องกันขั้วต่อของ OMNIMATE เข้ากับหน้าสัมผัสสปริงแบบเสียบได้นั้นมีประโยชน์อย่างยิ่งที่นี่ สิ่งนี้ให้การเชื่อมต่อเกราะป้องกันการสั่นสะเทือนกับไดรฟ์และเปิดใช้งานการเชื่อมต่อที่แน่นหนาของสายป้องกันสำหรับสายไฟและสายเคเบิลตัวเข้ารหัส (รูปที่ 5) การมีพื้นผิวสัมผัสที่ใหญ่ที่สุดที่เป็นไปได้สำหรับจุดต่อแบบป้องกันจะเป็นทางออกที่ดีที่สุด

รูปที่ 5: ตัวอย่างการเชื่อมต่อที่มีฉนวนป้องกันความต้านทานต่ำระหว่างสายเคเบิลเส้นเดียวและโซลูชันตัวเชื่อมต่อปลั๊กอินไฮบริดโดยใช้สายรัดโลหะเพียงเส้นเดียว (แหล่งรูปภาพ: Weidmüller)

มีตัวเลือกการยึดหลายแบบสำหรับเชื่อมต่อแผงป้องกันด้านนอกและด้านในกับแผ่นต่อแผงป้องกัน ตัวเลือกเหล่านี้รวมถึงสายรัดโลหะแบบต่างๆ และคลิปหนีบสายยางที่จัดวางเพื่อให้แน่ใจว่าสิ่งที่แนบมานั้นแน่นหนาและอยู่ใกล้กับจุดต่อสัญญาณมากที่สุด (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: มีหลายวิธีในการเชื่อมต่อส่วนป้องกันสายเคเบิลเข้ากับขั้วต่อ OMNIMATE Hybrid Power รวมถึงการใช้สายรัดสายไฟโลหะและคลิปหนีบสายยาง (แหล่งรูปภาพ: Weidmüller)

การออกแบบทางกลแบบสปริงโหลดช่วยให้ผู้ออกแบบตัวควบคุมมอเตอร์มีอิสระสูงสุดในการวางการเชื่อมต่อแบบชิลด์บนฮีทซิงค์หรือบนบอร์ดพีซีโดยตรง ทำให้มั่นใจได้ถึงพื้นที่สัมผัสพื้นผิวที่เชื่อถือได้และป้องกันการสั่นสะเทือน

การทดสอบประสิทธิภาพและความปลอดภัย

เมื่อการออกแบบเสร็จสิ้นและประกอบสายเคเบิลแล้ว การวัดประสิทธิภาพของตัวป้องกันสายเคเบิลเป็นสิ่งสำคัญ ตัวอย่างเช่น การวัด KS04B จาก VG95373-41 "ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์ – วิธีการวัดสายเคเบิลที่มีฉนวนหุ้มและท่อป้องกันสายเคเบิลที่มีฉนวนหุ้ม” มีประโยชน์ในการพิจารณาผลกระทบของจุดสัมผัสบนสายถักป้องกัน ซ็อกเก็ตและปลั๊ก และคุณภาพของตัวป้องกันเอง วิธีการวัดมีจำกัด แต่มีประโยชน์สำหรับการเปรียบเทียบและประเมินประสิทธิภาพของเกราะป้องกันและวิธีการสัมผัสโล่แบบต่าง ๆ (รูปที่ 7) ข้อจำกัดของการวัด KS 04 B รวมถึงความยาวสายเคเบิลมาตรฐานเพียง 1 ม. และการใช้ระบบ 50 โอห์ม (Ω) ที่ไม่คำนึงถึงอิมพีแดนซ์ของสายเคเบิลจริง

รูปที่ 7: การสูญเสียการแทรกตาม VG95373-41 เปรียบเทียบวิธีการต่อเกราะป้องกันสามวิธี โดยเส้นการวางแนว (สีแดง) แสดงถึงค่าที่คาดหมายโดยทั่วไป (แหล่งรูปภาพ: Weidmüller)

ตัวเชื่อมต่อปลั๊กอินเหล่านี้เป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัย IP20 และสัมผัสได้อย่างปลอดภัยสำหรับผู้ปฏิบัติงานเมื่อต่อสายอย่างถูกต้อง อย่างไรก็ตาม มีตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ในตัวควบคุมมอเตอร์ทั่วไป ซึ่งสามารถกระแทกผู้ปฏิบัติงานได้หากไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสม จำเป็นอย่างยิ่งที่ตัวเก็บประจุจะต้องถูกคายประจุและไม่มีแรงดันไฟฟ้าเมื่อทำการบำรุงรักษา แม้ว่าจะได้รับการจัดอันดับ IP20 แต่ยังคงแนะนำให้ผู้ปฏิบัติงานรอหลายนาทีเพื่อให้ตัวเก็บประจุคายประจุก่อนที่จะสัมผัสขั้วต่อ ซึ่งจะทำให้มีความปลอดภัยอีกระดับหนึ่ง สุดท้าย การออกแบบแบบเปิดของตัวเชื่อมต่อไฮบริดเหล่านี้ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานมองเห็นและยืนยันได้ทันทีว่าสายเคเบิลทั้งหมดไม่เสียหายและเชื่อมต่ออย่างถูกต้อง

สรุป

การเปลี่ยนไปใช้ระบบเชื่อมต่อแบบไฮบริดเพียงระบบเดียวเพื่อรองรับทั้งกำลังและข้อมูลในตัวควบคุมมอเตอร์ขนาดกะทัดรัดและประสิทธิภาพสูง ทำให้นักออกแบบยากต่อการสนับสนุน EMC และรับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้ ในขณะเดียวกันก็รับประกันความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงาน อย่างไรก็ตาม ดังที่แสดงไว้ มีโซลูชันตัวเชื่อมต่อปลั๊กอินไฮบริดแบบสามในหนึ่งเดียวที่ออกแบบมาอย่างดีซึ่งสนับสนุนโปรโตคอล เช่น ไฮเปอร์เฟซ DSL และลิงก์เปิด SCS สำหรับพลังงานและข้อมูล ในขณะเดียวกันก็ให้การป้องกัน EMC ที่เชื่อถือได้และตรงตามมาตรฐานความปลอดภัย IP20