I connettori ibridi innestabili assicurano un sistema di controllo motore compatto, flessibile e ad alte prestazioni

L'uso di controller motore sempre più compatti sta aumentando in molte applicazioni per Impresa 4.0 e Internet delle cose industriale (IIoT), dalla robotica e la movimentazione dei materiali al settore alimentare e alle bevande. Tuttavia, più i controller si riducono, più diventa impegnativo per i progettisti instradare e collegare in modo semplice ed economico i segnali di potenza e di dati, garantendo al contempo la compatibilità elettromagnetica (EMC) e la sicurezza dell'operatore.

Sono emerse interfacce open-source avanzate come l'interfaccia digitale ad alte prestazioni servo link (Hiperface DSL) e le soluzioni a cavo singolo (SCS) open link per aiutare a collegare entrambi i segnali di dati e potenza attraverso un unico connettore compatto. Questo semplifica la connettività ma rende ancora più importanti la qualità, il design e le prestazioni del connettore, per garantire l'integrità del segnale, la compatibilità EMC e la conformità con i requisiti IP20 a prova di contatto e di infiltrazione.

Questo articolo descrive brevemente le interfacce Hiperface DSL e SCS open link prima di discutere i requisiti elettrici e meccanici di un connettore che può trasportare sia segnali di potenza che di dati in un ambiente con vincoli di spazio. Presenta quindi i connettori ibridi di controllo motori di Weidmüller e mostra come utilizzarli per soddisfare questi requisiti.

Cosa sono Hiperface DSL e SCL open link?

Il passaggio a Hiperface DSL e SCS open link è il tentativo di inserire sia la potenza che i dati sullo stesso connettore per risparmiare spazio, abbassare i costi e semplificare la progettazione di controller di motori ad alte prestazioni (Figura 1). Entrambi sono basati su RS-485.

Figura 1: I connettori ibridi innestabili per Hiperface DSL e SCS open link risparmiano spazio sulla scheda CS dell'azionamento del motore e semplificano la connettività. (Immagine per gentile concessione di Weidmüller)

Hiperface DSL è un protocollo digitale per cavo singolo che include due fili schermati per la comunicazione bidirezionale e l'alimentazione dell'encoder, i cavi di alimentazione del motore e i cavi del freno motore (Figura 2).

Figura 2: Un cavo di base compatibile con Hiperface DSL consiste di tre elementi: alimentazione (trifase, marrone grande in nero, e terra, marrone in giallo/verde), una coppia freno motore schermata separatamente (marrone piccolo in nero) e una coppia dati schermata separatamente (marrone in blu e marrone in grigio) per il trasferimento dei dati digitali, il tutto in un cavo schermato. (Immagine per gentile concessione di Weidmüller)

Hiperface DSL ha una velocità di trasmissione dati di 9,375 MBaud su distanze fino a 100 metri tra il controller del motore e il motore stesso. Esistono due modi per trasmettere i dati su Hiperface DSL: ciclicamente, il più velocemente possibile date le condizioni di segnale e di rumore o sincronicamente con il clock del controller. Il protocollo Hiperface DSL include diverse caratteristiche importanti:

• La capacità di elaborare sincronicamente le informazioni di posizione e velocità di rotazione dall'encoder con tempi di ciclo di 12,1 μs.
• Un tempo di ciclo massimo di 192 μs per la trasmissione della posizione sicura del sistema di retroazione del motore.
• Soddisfa i requisiti Safety Integrity Level (SIL) 2 di IEC 61508 per la trasmissione ridondante della posizione sicura del sistema di retroazione del motore con un tempo di ciclo massimo di 192 μs.
• Soddisfa i requisiti SIL 3 di IEC 61508 quando è utilizzato in sistemi di retroazione motore adatti.
• Trasferimento bidirezionale di dati generali con una larghezza di banda fino a 340 kBaud per la trasmissione di parametri, compresa la memorizzazione di una targhetta elettronica dei dati del controller e una targhetta elettronica del sistema di retroazione del motore.
• Un canale separato che trasporta dati da sensori motore esterni (accelerazione, coppia, temperatura, ecc.), collegato alla rete di retroazione del motore tramite il protocollo Hiperface DSL Sensor Hub.

L'interfaccia di retroazione del motore SCS open link è anche progettata per supportare i dati bidirezionali tra un motore e un controller, compresi i dati dell'encoder a velocità fino a 10 MBaud. Supporta implementazioni a due e quattro fili. SCS open link è ottimizzato per l'Impresa 4.0, specialmente per quanto riguarda le applicazioni IIoT emergenti, come il monitoraggio delle condizioni dei motori e la manutenzione predittiva.

Come Hiperface DSL, SCS open link è certificato fino a SIL 3. Inoltre, SCS open link soddisfa i requisiti di sicurezza funzionale EN ISO 13849 per il livello di prestazioni "e" (PLe), categoria 3. Queste soluzioni a cavo singolo soddisfano i requisiti di sicurezza funzionale di IEC 61508-2:2010 e IEC 61784-3:2017.

La sfida del connettore con Hiperface DSL e SCS open link

Affinché Hiperface DSL e SCS open link funzionino in modo affidabile, è necessario un collegamento ben schermato tra un motore con encoder e l'azionamento. Per questo vengono in aiuto i connettori innestabili e terminali di connessione per ridurre al minimo il numero di interfacce. Sono anche necessari cavi continui e schermati tra il motore e l'encoder e l'azionamento. Un singolo cavo schermato con due connettori innestabili, uno ottimizzato per la connessione al motore e uno per la connessione all'azionamento, è un metodo economico implementato sia in Hyperface DSL che in SCS open link.

Oltre all'uso di un cavo schermato, la schermatura deve essere terminata correttamente su entrambe le estremità del cavo. I connettori innestabili circolari (di solito connettori circolari M23) con un alloggiamento metallico sono utilizzati sul lato motore dell'interconnessione (Figura 3).

Figura 3: Lunghezze di cavo fino a 100 m tra motore e azionamento sono supportate sia da Hiperface DSL che da SCS open link; il collegamento del motore è a sinistra, il connettore ibrido innestabile per il controller del motore è a destra. (Immagine per gentile concessione di Weidmüller)

Per contenere i costi, il connettore innestabile sul lato di azionamento dell'interconnessione non richiede un alloggiamento metallico. Il design fisico dei connettori delle unità non è standardizzato, quindi i progettisti devono fare attenzione quando sviluppano il proprio connettore per soddisfare i requisiti prestazionali, nonostante si colleghino facilmente ai circuiti stampati per semplificare le connessioni e minimizzare i costi del connettore. Con un design e un assemblaggio adeguati dei cavi, e buone pratiche di schermatura EMI, si possono raggiungere lunghezze fino a 100 m.

Soluzioni di connettori 3-in-1 per potenza, segnali e EMC

Anche se è possibile dedicare del tempo allo sviluppo di un connettore, pochi progettisti di comandi motore hanno l'esperienza o il tempo necessario per diventare esperti nelle sfumature di progettazione, nonostante richiedano le migliori prestazioni possibili. Invece, possono rivolgersi ad aziende come Weidmüller che si sono già concentrate su questi problemi e hanno trovato alcune soluzioni eleganti.

Ad esempio, i connettori OMNIMATE Power Hybrid sono una soluzione 3-in-1 che include segnale, potenza e caratteristiche EMC per implementare entrambi i protocolli Hiperface DSL e SCS open link, risparmiando spazio sulla scheda CS del comando motore, così come nell'armadio di controllo. I connettori sono disponibili in diverse configurazioni tra cui sei posizioni (Figura 4, sinistra), sette posizioni, otto posizioni e nove posizioni (Figura 4, destra).

Figura 4: I connettori OMNIMATE Power Hybrid sono una soluzione 3-in-1 (potenza, segnali, EMC) con una flangia centrale autobloccante (rossa). Sono disponibili in sei (sinistra), sette, otto o nove posizioni (destra). (Immagine per gentile concessione di Weidmüller)

Questi connettori ibridi includono contatti di potenza e di segnale con connessioni a innesto su un passo di 7,62 mm e soddisfano i requisiti IEC 61800-5-1 e UL 1059 Classe C a 600 V (per i contatti di potenza).

I connettori presentano diverse caratteristiche pratiche necessarie per garantire connessioni affidabili. In primo luogo, hanno una buona separazione tra le connessioni di alimentazione dell'encoder e del motore per minimizzare i problemi legati a EMC. In secondo luogo, la disposizione delle varie connessioni di segnale e di potenza è stata presa in attenta considerazione. Ad esempio, le connessioni "neutre" come la terra di protezione (PE) sono al centro e le connessioni di segnale e dati per le linee dell'encoder e del freno motore sono state poste simmetricamente e lateralmente.

Per la facilità d'uso, il meccanismo di interblocco non richiede attrezzi ed è autobloccante, riduce i tempi di installazione e manutenzione. L'interblocco riduce anche i requisiti di spazio di una larghezza di passo rispetto ad altre soluzioni. L'angolo di entrata del cavo di 30° sulla schermatura permette di risparmiare fino a 10 cm tra le file, riducendo le dimensioni della soluzione.

Come usare efficacemente il connettore OMNIMATE Power Hybrid

Per trarre il massimo vantaggio dai connettori OMNIMATE Power Hybrid, sono necessarie pratiche corrette di assemblaggio dei cavi e terminazioni di schermatura per controllare le EMI e garantire l'affidabilità del sistema. Anche se progettato con cura, OMNIMATE Power Hybrid è sempre un'interfaccia a cavo singolo, quindi le linee di alimentazione e di segnale sono ancora relativamente vicine. Come tale, una buona pratica di progettazione richiede di assicurare una connessione a bassa impedenza tra la schermatura del cavo e il connettore. L'inclusione in OMNIMATE di una piastra di connessione schermante con un contatto a molla inseribile risulta particolarmente utile. Fornisce una connessione della schermatura a prova di vibrazioni all'azionamento e permette un collegamento solido delle trecce di schermatura per i cavi di alimentazione e dell'encoder (Figura 5). Avere la più grande superficie di contatto possibile per le connessioni di schermatura è una soluzione ottimale.

Figura 5: Esempio di una connessione di schermatura a bassa impedenza tra un singolo cavo e una soluzione di connettore ibrido innestabile utilizzando una fascetta metallica. (Immagine per gentile concessione di Weidmüller)

Esistono diverse opzioni di fissaggio per collegare le schermature esterne e interne alla piastra di connessione. Queste opzioni includono varie combinazioni di fascette metalliche e fascette serracavo, disposte in modo da assicurare che il fissaggio sia sicuro e avvenga il più vicino possibile alle connessioni del segnale (Figura 6).

Figura 6: Esistono vari modi per collegare la schermatura del cavo al connettore OMNIMATE Power Hybrid, compreso l'uso di fascette metalliche e fascette serracavo. (Immagine per gentile concessione di Weidmüller)

Il design meccanico a molla offre ai progettisti di controller di motori la massima libertà di posizionare la connessione di schermatura su un dissipatore di calore o direttamente sulla scheda CS, assicurando una superficie di contatto affidabile e a prova di vibrazioni.

Test delle prestazioni e sicurezza

Una volta completato il progetto e dopo aver prodotto il cavo assemblato, è importante misurare l'efficacia della schermatura del cavo. Ad esempio, la misurazione KS04B da VG95373-41 "Compatibilità elettromagnetica dei dispositivi - metodi di misurazione dei cavi schermati e dei fasci di cavi protettivi schermati" è utile per determinare l'impatto dei punti di contatto sulla treccia schermante e su prese e spine, nonché la qualità della schermatura stessa. Il metodo di misurazione è limitato, ma è utile per confrontare e valutare l'efficacia di diversi approcci di schermatura e di contatto con la schermatura (Figura 7). Le limitazioni della misurazione KS 04 B includono una lunghezza standardizzata del cavo di 1 m soltanto e l'uso di un sistema a 50 Ω che non considera l'impedenza reale del cavo.

Figura 7: Perdita di inserzione secondo VG95373-41 confrontando tre metodi di connessione della schermatura, con la linea di orientamento (rossa) che rappresenta i valori tipici attesi. (Immagine per gentile concessione di Weidmüller)

Questi connettori a spina soddisfano gli standard di sicurezza IP20 e sono sicuri al tatto per gli operatori, se cablati correttamente. Tuttavia, un tipico controller del motore contiene condensatori a valori elevati che possono causare shock elettrico agli operatori se non sono gestiti correttamente. È essenziale che i condensatori siano scaricati e non in tensione quando si esegue la manutenzione. Nonostante il grado di protezione IP20, si raccomanda comunque agli operatori di lasciar trascorrere diversi minuti per consentire ai condensatori di scaricarsi prima di toccare i connettori, come ulteriore livello di sicurezza. Infine, il design aperto di questi connettori ibridi permette agli operatori di vedere e verificare istantaneamente che tutti i cavi siano integri e collegati correttamente.

Conclusione

Il passaggio a un unico sistema di interconnessione ibrido per trasportare sia la potenza che i dati nei controller di motori compatti e ad alte prestazioni rende difficile per i progettisti supportare l'EMC e assicurare un funzionamento affidabile, garantendo anche la sicurezza dell'operatore. Tuttavia, come mostrato, esistono soluzioni di connettori ibridi innestabili 3-in-1 ben progettati che supportano protocolli come Hiperface DSL e SCS open link per potenza e dati, dotati anche di una schermatura EMC affidabile e che soddisfano gli standard di sicurezza IP20.