כיצד מחברים נתקעים היברידיים מבטיחים מערכת בקרת מנועים קומפקטית, גמישה ועם ביצועים עיליים

השימוש בבקרי מנועים יותר ויותר קומפקטיים הולך וגדל במגוון רחב של יישומי Industry 4.0‏ ואינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT), החל מרובוטיקה וטיפול בחומרים ועד למזון ומשקאות. עם זאת, ככל שהבקרים מתכווצים בגודלם, ניתוב הן של אותות והן של הספקת-כוח בפשטות, ביעילות ובעלות סבירה ותוך הקפדה על תאימות אלקטרומגנטית (EMC) ובטיחות המפעיל, הופך להיות מאתגר עבור המתכננים.

ממשקי קוד פתוח מתקדמים, כגון ממשק עבור קישור סרוו דיגיטלי עם ביצועים עיליים (Hiperface DSL) וקישור פתוח עם כבל-יחיד (SCS), פותחו כדי לסייע בחיבור הן של אותות והן של הספקת-כוח באמצעות מחבר קומפקטי אחד. זה מפשט את החיבוריות אך הופך את האיכות, התכנון והביצועים של אותו מחבר לבעלי חשיבות קריטית על מנת להבטיח תקינות אותות, EMC ועמידה בדרישות חסינות-נגיעה וחדירות של IP20‏.

מאמר זה מתאר תחילה בקצרה את ממשקי הקישור הפתוח של Hiperface DSL ו- SCS לפני שהוא דן בדרישות החשמליות והמכניות של מנגנון מחברים שיכול לשאת הן אותות נתונים והן הספקת-כוח בסביבה מוגבלת-מקום. לאחר מכן הוא מציג מחברי בקרת מנועים היברידיים מבית Weidmüller ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם כדי לעמוד בדרישות אלה.

מה הם Hiperface DSL‏ ו- SCL Open Link‏?

המעבר ל- Hiperface DSL ו- SCL Open Link‏ הוא מאמץ להעביר הן את הספקת-הכוח והן את הנתונים דרך אותו המחבר כדי לחסוך מקום, להוזיל עלויות ולפשט את התכן של בקרי מנועים עם ביצועים עיליים (איור 1). שניהם מבוססים על RS-485.

איור 1‏: מחברים היברידיים נתקעים עבור Hiperface DSL‏ ו- SCL Open Link‏ חוסכים מקום על לוחות המעגלים המודפסים (PC) של דוחפי מנועים ומפשטים את החיבוריות. (מקור התמונה: Weidmüller)

Hiperface DSL הוא פרוטוקול דיגיטלי עבור כבל יחיד הכולל שני חוטים מסוככים עבור תקשורת דו-כיוונית והספקת-כוח לאנקודר, כבלי כוח למנוע וכבלי בלם מנוע (איור 2).

איור 2: כבל בסיסי תואם Hiperface DSL מורכב משלושה אלמנטים: הספקת-כוח (מתח תלת-פאזי, חום גדול בתוך טבעת שחורה, והארקה, חום בתוך טבעת צהובה/ירוקה), זוג חוטים מסוככים בנפרד עבור בלימת המנוע (חום קטן בתוך טבעת שחורה), וזוג חוטי נתונים מסוככים בנפרד (חום בתוך טבעת כחולה וחום בתוך טבעת אפורה) להעברת נתונים דיגיטליים, והכל בתוך כבל מסוכך. (מקור התמונה: Weidmüller)

ל- Hiperface DSL יש קצב העברת נתונים של 9.375 מגה-באוד (MBaud) על פני אורכי כבלים של עד 100 מטר (m) בין בקר המנוע לבין המנוע. ישנן שתי דרכים להעברת נתונים ב- Hiperface DSL; באופן מחזורי, מהר ככל האפשר בהתחשב בתנאי האות והרעש, או בסינכרון עם שעון הבקר. פרוטוקול Hiperface DSL כולל מספר מאפיינים חשובים:

• היכולת לעבד באופן סינכרוני את המידע על מיקום ומהירות הסיבוב מהמקודד עם זמני מחזור קצרים של 12.1 מיקרו-שניות (μs).
• זמן מחזור מקסימלי של μs‏ 192‏ לשידור המיקום הבטוח של מערכת משוב המנוע.
• עמידה בדרישות Safety Integrity Level‏ 2‏ (SIL) של IEC 61508 עבור שידור יתיר של המיקום הבטוח של מערכת משוב המנוע עם זמן מחזור מקסימלי של μs‏ 192‏.
• עמידה בדרישות SIL 3 של IEC 61508 בעת שימוש במערכות משוב מנוע מתאימות.
• העברת נתונים כללית דו-כיוונית עם רוחב פס של עד 340 קילו-באוד (kBaud) לשידור פרמטרים, כולל אחסון תווית הסוג האלקטרוני של נתוני בקר המנוע ותווית הסוג אלקטרוני של מערכת משוב המנוע.
• ערוץ נפרד הנושא נתונים מחיישני מנוע חיצוניים (תאוצה, מומנט, טמפרטורה וכן הלאה), המחובר לרשת משוב המנוע על ידי פרוטוקול Hiperface DSL Sensor Hub‏.

ממשק משוב המנוע SCL Open Link‏ מתוכנן גם כן לתמוך בנתונים דו-כיווניים בין המנוע לבקר, כולל נתוני האנקודר, בקצבים של עד Mbaud‏ 10‏. הוא תומך במימושים של שניים וארבעה חוטים. ה- SCL Open Link‏ מותאם עבור Industry 4.0‏, במיוחד ביחס ליישומי IIoT מתפתחים, כגון ניטור מצב המנוע ותחזוקה מנבאת.

כמו Hiperface DSL, ה- SCL Open Link‏ מורשה עד SIL 3. בנוסף, ה- SCL Open Link‏ עומד בדרישות הבטיחות הפונקציונליות של רמת ביצועים e‏ (PLe‏) של EN ISO 13849‏, קטגוריה 3. פתרונות כבל-יחיד אלוה עומדים בדרישות הבטיחות הפונקציונלית של IEC 61508-2: 2010 ו- IEC 61784-3: 2017‏.

אתגר המחברים העומד בפני Hiperface DSL‏ ו- SCL Open Link‏

כדי ש- Hiperface DSL‏ ו- SCL Open Link‏ יפעלו באמינות, נחוץ חיבור מסוכך-היטב בין המנוע עם האנקודר לבין הדוחף. השימוש במחברים נתקעים ובהדקי חיבור עוזר להקטין למינימום את מספר הממשקים. יש גם צורך בכבלים רצופים ומסוככים בין המנוע והאנקודר לבין הדוחף. כבל מסוכך יחיד עם שני מחברים נתקעים, אחד הממוטב עבור חיבור למנוע ואחד הממוטב עבור חיבור לדוחף, מעניקים גישה חסכונית וממומש הן ב- Hiperface DSL‏ והן ב- SCL Open Link‏.

בנוסף לשימוש בכבל מסוכך, הסיכוך צריך להסתיים כראוי בשני קצות הכבל. מחברים עגולים נתקעים (בדרך כלל מחברים עגולים M23) בתוך בית מתכת משמשים בצד המנוע של החיברור (איור 3).

איור 3‏: אורכי כבלים של עד 100 מטר בין המנוע לבין הדוחף נתמכים הן על ידי Hiperface DSL‏ והן על ידי SCL Open Link‏; המחבר עבור המנוע הוא בצד שמאל והמחבר הנתקע ההיברידי עבור בקר המנוע הוא בצד ימין. (מקור התמונה: Weidmüller)

כדי להקטין את העלויות, המחבר הנתקע בצד הדוחף של החיברור אינו חייב להיות בתוך בית מתכת. התכן הפיזי של מחברי כוננים הוא לא-סטנדרטי, ולכן מתכנני הדוחף צריכים להיות זהירים בעת פיתוח מחבר משלהם על מנת לעמוד בדרישות הביצועים, תוך חיבור בקלות ללוחות המעגלים המודפסים כדי לפשט את החיבורים ולהקטין למינימום את עלויות המחברים. עם תכנון והרכבה נכונים של הכבלים ושיטות סיכוך EMI טובות, ניתן להשיג אורכי כבלים של עד 100 מטר.

פיתרונות מחבר שלושה-באחד עבור הספקת-כוח, אותות ו- EMC‏

ניתן אמנם להשקיע זמן בפיתוח תכן מחברים, למתכנני דוחפי מנועים מעטים יש את הניסיון או הזמן הנדרש כדי להתמצא בניואנסים של תכני המחברים, למרות שהם דורשים את הביצועים הטובים ביותר האפשריים. במקום זאת, הם יכולים לפנות לחברות כדוגמת Weidmüller שכבר התמקדה בנושאים ופיתחה כמה פתרונות אלגנטיים.

לדוגמה, מחברי ה- OMNIMATE Power Hybrid שלה הם פיתרון של שלושה-באחד הכולל מאפייני אותות, הספקת-כוח ו- EMC עבור מימוש פרוטוקולי Hiperface DSL ו- SCL Open Link‏ תוך חיסכון במקום בלוח המעגלים המודפסים של דוחף המנוע כמו גם בארון הבקרה. המחברים זמינים במספר תצורות כולל שישה מיקומים (איור 4, משמאל), שבעה מיקומים, שמונה מיקומים ותשעה מיקומים (איור 4, מימין).

איור 4‏: מחברי Power Hybrid‏ OMNIMATE‏ הם פיתרון שלושה-באחד (הספקת-כוח, אותות, EMC‏) עם אוגן אמצעי עם נעילה-עצמית (באדום). הם מגיעים עם שישה מיקומים (משמאל), ושבעה, שמונה או תשעה מיקומים (מימין). (מקור התמונה: Weidmüller)

מחברים היברידיים אלה כוללים מגעי הספקת-כוח ואותות עם חיבורי חוטים בלחיצה-פנימה בפסיעה של 7.62 מילימטר (מ”מ), ועומדים בדרישות IEC 61800-5-1 ו- UL 1059 Class C‏ 600 וולט (עבור מגעי הספקת-הכוח).

המחברים כוללים מספר מאפייני תכן פרקטיים הדרושים להבטחת חיבורים אמינים. ראשית, יש להם הפרדה טובה בין חיבורי הספקת-הכוח לאנקודר ולמנוע כדי להקטין למינימום את דאגות ה- EMC‏. שנית, סידור חיבורי אותות והספקת-כוח השונים עבר בחינה מדוקדקת. לדוגמה, חיבורים “נייטרליים” כגון הארקת אדמה מגנה (PE) נמצאים באמצע, וחיבורי אותות ונתונים עבור קווי האנקודר וקווי בלימת המנוע מוקמו באופן סימטרי ורוחבי.

עבור נוחות השימוש, מנגנון הנעילה-העצמית המופעל ביד אחת וללא-כלים מקצר את זמני ההתקנה והתחזוקה. האינטרלוק גם מקטין את דרישות השטח ברוחב של פסיעה אחת, בהשוואה לפתרונות אחרים. זווית כניסת הכבל על הסיכוך של ִ˚‏30‏ חוסכת עד 10 סנטימטרים (ס”מ) בין השורות, תוך הקטנת גודל הפיתרון.

שימוש יעיל במחבר Power Hybrid‏ OMNIMATE‏

כדי לנצל את מלוא היתרונות של מחברי Power Hybrid‏ OMNIMATE‏, יש צורך בשיטות הרכבה נכונות של הכבל ושל סיומות הסיכוך כדי לבקר את ה- EMI ולהבטיח את אמינות המערכת. למרות שתוכנן בקפידה, OMNIMATE Power Hybrid הוא עדיין ממשק כבל-יחיד, כך שקווי הספקת-הכוח והאותות עדיין נמצאים ביקרבה יחסית. ככזה, פרקטיקת תכנון טובה דורשת הבטחת חיבור עם אימפדנס נמוך בין סיכוך הכבל לבין המחבר. הכללת לוחית חיבור סיכוך של OMNIMATE עם מגע קפיצי נתקע היא מועילה במיוחד כאן. זה מעניק חיבור סיכוך חסין-רעידות לדוחף ומאפשר חיבור יציב של צמות הסיכוך עבור כבלי הספקת-הכוח והאנקודר (איור 5). משטח המגע הגדול ביותר האפשרי עבור חיבורי הסיכוך מעניק פתרון אופטימלי.

איור 5‏: דוגמה של פיתרון חיבור סיכוך עם אימפדנס נמוך בין כבל יחיד לבין מחבר היברידי נתקע באמצעות אזיקון כבל אחד ממתכת. (מקור התמונה: Weidmüller)

ישנן מספר אפשרויות הצמדה עבור חיבור הסיכוכים החיצוני והפנימי ללוחית החיבור של הסיכוך. אפשרויות אלו כוללות שילובים שונים של אזיקוני כבלים ומהדקי צינור ממתכת המסודרים כך שיבטיחו הצמדה מאובטחת קרוב ככל האפשר לחיבורי האותות (איור 6).

איור 6‏: קיים מגוון של דרכים לחיבור סיכוכי הכבל למחבר OMNIMATE Hybrid Power, כולל שימוש באזיקוני כבלים ומהדקי צינור ממתכת. (מקור התמונה: Weidmüller)

התכן המכני הקפיצי מעניק למתכננים של בקרי מנועים את החופש המקסימלי למקם את הסיכוך על צלעות-הקירור או ישירות על לוח המעגלים המודפסים ולהבטיח אזור מגע משטחי חסין-רעידות.

בדיקות ביצועים ובטיחות

לאחר השלמת התכן והרכבת מכלל הכבל, חשוב למדוד את האפקטיביות של סיכוך הכבלים. לדוגמה, מדידת KS04B מ- VG95373-41, “תאימות אלקטרומגנטית של התקנים – שיטות עבור מדידת כבלים מסוככים וצינורות כבלים מגנים מסוככים”, היא שימושית לקביעת ההשפעה של נקודות המגע על צמת הסיכוך ועל השקעים והתקעים, וכן את איכות הסיכוך עצמו. שיטת המדידה היא מוגבלת, אך היא שימושית עבור השוואה והערכת האפקטיביות של סיכוכים וגישות מגעי-סיכוך שונים (איור 7). המגבלות של מדידת KS 04 B כוללות אורך כבל סטנדרטי של 1 מטר בלבד ושימוש במערכת 50 אוהם (Ω) שאינה מתחשבת באימפדנס הכבל בפועל.

איור 7‏: גרפים של הפסדי התחיבה לפי VG95373-41‏ להשוואה בין שלוש שיטות חיבור סיכוך, כאשר קו הכיווניות (באדום) מייצג ערכים צפויים טיפוסיים. (מקור התמונה: Weidmüller)

מחברים נתקעים אלו עומדים בתקני הבטיחות IP20‏ והם בטוחים-לנגיעה עבור המפעילים כאשר הם מחווטים כהלכה. עם זאת, ישנם קבלים בעלי ערך גדול בבקר מנועים טיפוסי שיכולים לגרום למכת חשמל למפעילים אם לא ינוהלו כראוי. לכן חיוני לפרוק את הקבלים ולוודא שאין נוכחות של מתח בעת ביצוע התחזוקה. למרות דירוג IP20 שלהם, עדיין מומלץ למפעילים לחכות מספר דקות עד שהקבלים יתפרקו לפני שהם נוגעים במחברים, תוך מתן רמת בטיחות נוספת. לבסוף, התכן הפתוח של מחברים היברידיים אלה מאפשר למפעילים לראות ולוודא באופן מיידי שכל הכבלים אינם פגומים ומחוברים כהלכה.

סיכום

המעבר למערכת חיברורים היברידית יחידה לנשיאת גם הספקת-כוח וגם נתונים בבקרי מנוע קומפקטיים עם ביצועים עיליים מקשה על המתכננים לתמוך ב- EMC ולהבטיח פעולה אמינה, תוך הבטחת בטיחות המפעיל. עם זאת, כפי שהוצג, ישנם פתרונות מחברים נתקעים היברידיים מתוכננים היטב מסוג שלושה-באחד התומכים בפרוטוקולים כגון Hiperface DSL ו- SCL Open Link‏ עבור הספקת-כוח ונתונים, תוך שהם גם מעניקים סיכוך EMC אמין ועמידה בתקני הבטיחות IP20.