Como um conector plug-in híbrido garante um sistema de controle de motor compacto, flexível e de alto desempenho

O uso de controladores de motor cada vez mais compactos está crescendo em uma ampla gama de aplicações da indústria 4.0 e Internet das Coisas Industrial (IIoT), desde robótica e manuseio de materiais até alimentos e bebidas. Entretanto, à medida que os controladores diminuem, torna-se um desafio para os projetistas rotear e conectar de forma simples e econômica tanto sinais de energia quanto de dados, garantindo ao mesmo tempo a compatibilidade eletromagnética (EMC) e a segurança do operador.

Avançadas interfaces de código aberto, tais como o servo link digital de interface de alto desempenho (Hiperface DSL) e as soluções de cabo único (SCS) open link surgiram para ajudar a conectar ambos os sinais de dados de energia usando um único conector compacto. Isso simplifica a conectividade, mas torna a qualidade, o projeto e o desempenho desse conector criticamente importantes para garantir a integridade do sinal, a EMC e a conformidade com os requisitos IP20 à prova de toque e de ingresso.

Este artigo descreve brevemente as interfaces Hiperface DSL e SCS open link, antes de discutir os requisitos elétricos e mecânicos de um mecanismo de conector que pode transportar tanto sinais de energia quanto de dados em um ambiente com restrições de espaço. Em seguida, introduz os conectores híbridos de controle de motores da Weidmüller e mostra como eles podem ser usados para atender a esses requisitos.

O que são Hiperface DSL e SCS open link?

A mudança para Hiperface DSL e SCS open link é um esforço para colocar tanto energia quanto dados no mesmo conector para economizar espaço, reduzir custos e simplificar o projeto de controladores de motor de alto desempenho (Figura 1). Ambos são baseados em RS-485.

Figura 1: os conectores plug-in híbridos para Hiperface DSL e SCS open link economizam espaço na placa de circuito impresso (pci) do motor e simplificam a conectividade. (Fonte da imagem: Weidmüller)

O Hiperface DSL é um protocolo digital para cabo único que inclui dois fios blindados para comunicação bidirecional e alimentação do codificador, cabos de alimentação do motor e cabos de freio do motor (Figura 2).

Figura 2: Um cabo básico compatível com Hiperface DSL consiste em três elementos: uma alimentação (trifásica, marrom grande dentro do preto e terra, marrom dentro do amarelo/verde), um par de freio motor blindado separadamente (marrom pequeno dentro do preto), e um par de dados blindado separadamente (marrom dentro do azul e marrom dentro do cinza) para transferência de dados digitais, tudo isso em um cabo blindado. (Fonte da imagem: Weidmüller)

O Hiperface DSL tem uma taxa de transmissão de dados de 9,375 megabaud (MBaud) sobre cabos de até 100 metros (m) de comprimento entre o controlador do motor e o motor. Há duas maneiras de transmitir dados na Hiperface DSL; ciclicamente, o mais rápido possível dadas condições de sinal e ruído, ou em sincronia com o clock do controlador. O protocolo Hiperface DSL inclui várias características importantes:

• A capacidade de processar de forma sincronizada as informações de posição e velocidade de rotação do codificador com tempos de ciclo tão curtos quanto 12,1 microssegundos (μs).
• Um tempo máximo de ciclo de 192 μs para a transmissão da posição segura do sistema de realimentação do motor.
• Atende aos requisitos do Nível de Integridade de Segurança (SIL) 2 da IEC 61508 para a transmissão redundante da posição segura do sistema de realimentação do motor com um tempo de ciclo máximo de 192 μs.
• Atende aos requisitos SIL 3 da IEC 61508 quando usado em sistemas adequados de realimentação do motor.
• Transferência de dados gerais bidirecionais com largura de banda de até 340 quilobaud (kBaud) para a transmissão de parâmetros, incluindo o armazenamento de uma etiqueta de tipo eletrônico dos dados do controlador do motor e uma etiqueta de tipo eletrônico para o sistema de realimentação do motor.
• Um canal separado que transporta dados dos sensores externos do motor (aceleração, torque, temperatura, etc.), conectado à rede de realimentação do motor pelo protocolo Hiperface DSL Sensor Hub.

A interface SCS open link de realimentação do motor também é projetada para suportar dados bidirecionais entre um motor e um controlador, incluindo dados do codificador a taxas de até 10 MBaud. Ela suporta implementações de dois e quatro fios. O SCS open link é otimizado para a Indústria 4.0, especialmente com respeito às aplicações emergentes IIoT, tais como monitoramento do estado do motor e manutenção preditiva.

Como o Hiperface DSL, o SCS open link é certificado até o SIL 3. Além disso, o SCS open link atende aos requisitos de segurança funcional do nível de desempenho EN ISO 13849 e (PLe), Categoria 3. Estas soluções de cabo único satisfazem os requisitos de segurança funcional da IEC 61508-2: 2010 e IEC 61784-3: 2017.

O desafio do conector enfrentado pela Hiperface DSL e SCS open link

Para que o Hiperface DSL e SCS open link possam operar com confiabilidade, é necessária uma conexão bem blindada entre um motor com um codificador e o acionamento. O uso de conectores plugáveis e terminais de conexão para minimizar o número de interfaces ajuda. Também é necessário ter cabos contínuos e blindados entre o motor e codificador e o acionamento. Um único cabo blindado com dois conectores plug-in, um otimizado para conexão ao motor e outro otimizado para conexão ao acionamento, proporciona uma abordagem econômica e é implementado tanto no Hyperface DSL como no SCS open link.

Além do uso de um cabo blindado, a blindagem precisa ser devidamente terminada em ambas as extremidades do cabo. Conectores circulares plug-in (geralmente conectores circulares M23) com capa metálica são usados no lado do motor da interconexão (Figura 3).

Figura 3: Comprimentos de cabo de até 100 m entre o motor e o acionamento são suportados tanto pela Hiperface DSL como pela SCS open link; a conexão do motor está à esquerda, o conector híbrido plug-in para o controlador do motor está à direita. (Fonte da imagem: Weidmüller)

Para conter os custos, o conector plug-in no lado do acionamento da interconexão não precisa ter capa metálica. O projeto físico dos conectores de acionamento não é padronizado, portanto, os projetistas do acionamento precisam ser cuidadosos ao desenvolver seu próprio conector a fim de atender às exigências de desempenho, enquanto se conectam prontamente às placas de circuito impresso para simplificar as conexões e minimizar os custos dos conectores. Com projeto e montagem de cabos adequados, e boas práticas de blindagem contra EMI, é possível alcançar comprimentos de cabo de até 100 m.

Soluções de conectores três em um para energia, sinais e EMC

Embora seja possível gastar tempo desenvolvendo um projeto de conector, poucos projetistas de acionamento de motores têm a experiência ou o tempo necessário para se tornarem versados nas nuances do projeto do conector, apesar de exigirem o melhor desempenho possível. Em vez disso, eles podem recorrer a empresas como a Weidmüller, que já se concentraram nas questões e encontrar algumas soluções elegantes.

Por exemplo, seus conectores híbridos de energia OMNIMATE são uma solução três em um que inclui recursos de sinal, energia e EMC para implementar os protocolos Hiperface DSL e SCS open link enquanto economiza espaço na placa de acionamento do motor, bem como no gabinete de controle. Os conectores estão disponíveis em várias configurações, incluindo seis posições (Figura 4, esquerda), sete posições, oito posições e nove posições (Figura 4, direita).

Figura 4: os conectores híbridos de energia OMNIMATE são uma solução três em um (energia, sinais, EMC) com um flange central de autotravamento (vermelha). Eles vêm com seis (esquerda), sete, oito ou nove (direita) posições. (Fonte da imagem: Weidmüller)

Estes conectores híbridos incluem contatos de energia e de sinal com conexões de fio push-in em um passo de 7,62 milímetros (mm), e cumprem os requisitos da IEC 61800-5-1 e UL 1059 Classe C 600 volts (para os contatos de energia).

Os conectores apresentam várias características práticas de projeto necessárias para garantir conexões confiáveis. Primeiro, eles têm uma boa separação entre as conexões de energia do codificador e do motor para minimizar as preocupações com EMC. Em segundo lugar, a disposição dos vários sinais e conexões de energia foi cuidadosamente considerada. Por exemplo, as conexões "neutras", como o terra de proteção (PE) estão no meio, e as conexões de sinal e dados para as linhas de codificador e as linhas de freio motor foram colocadas de forma simétrica e lateral.

Para facilidade de uso, o mecanismo plug-in de intertravamento de uma mão só, sem ferramentas e autotravável reduz os tempos de instalação e manutenção. O intertravamento também reduz a necessidade de espaço em uma largura de passo, em comparação com outras soluções. O ângulo de entrada de 30˚ do cabo na blindagem economiza até 10 centímetros (cm) entre fileiras, reduzindo o tamanho da solução.

Usando efetivamente o conector híbrido de energia OMNIMATE

Para tirar o máximo proveito dos conectores híbridos de energia OMNIMATE, são necessárias práticas corretas de montagem de cabos e terminações blindadas para controle da EMI e garantia da confiabilidade do sistema. Embora bem projetado, o conector híbrido de energia OMNIMATE ainda é uma interface de cabo único, de modo que as linhas de energia e de sinal ainda estão relativamente próximas. Como tal, uma boa prática de projeto requer a garantia de uma conexão de baixa impedância entre a blindagem do cabo e o conector. A inclusão da OMNIMATE de uma chapa de conexão blindada com um contato de mola plugável é especialmente útil aqui. Isto proporciona uma conexão blindada à prova de vibração para o acionamento e permite uma conexão sólida das malhas blindadas para os cabos de energia e do codificador (Figura 5). Ter a maior superfície de contato possível para as conexões de blindagem proporciona uma solução ótima.

Figura 5: Exemplo de uma conexão de blindagem de baixa impedância entre um único cabo e uma solução de conector híbrido plug-in usando uma abraçadeira de cabo metálica. (Fonte da imagem: Weidmüller)

Há várias opções de fixação para conectar as proteções externas e internas à chapa de conexão da blindagem. Estas opções incluem várias combinações de abraçadeiras de cabos e abraçadeiras de metal que são dispostas para garantir que a fixação seja segura e ocorra o mais próximo possível das conexões do sinal (Figura 6).

Figura 6: Há uma variedade de maneiras de conectar a blindagem do cabo ao conector híbrido de energia OMNIMATE, incluindo o uso de abraçadeiras de cabos e abraçadeiras de metal. (Fonte da imagem: Weidmüller)

O projeto mecânico com mola comprimida proporciona aos projetistas dos controladores de motor a máxima liberdade para colocar a conexão de blindagem sobre um dissipador de calor ou diretamente sobre a placa de circuito impresso, garantindo uma área de contato superficial confiável e à prova de vibração.

Teste de desempenho e segurança

Uma vez concluído um projeto e produzido um cabo de conexão, é importante medir a eficácia da blindagem do cabo. Por exemplo, a medição KS04B da VG95373-41, "Compatibilidade eletromagnética de dispositivos – métodos para medir cabos blindados e mangueiras de cabos de proteção blindados", é útil para determinar o impacto dos pontos de contato na malha de blindagem e nos soquetes e plugues, e a qualidade da própria blindagem. O método de medição é limitado, mas é útil para comparar e avaliar a eficácia de diferentes proteções e abordagens de contato blindado (Figura 7). As limitações da medição KS 04 B incluem um comprimento de cabo padronizado de apenas 1 m e o uso de um sistema de 50 ohm (Ω) que não considera a impedância real do cabo.

Figura 7: Perda de inserção de acordo com a VG95373-41 comparando três métodos de conexão de blindagem, com a linha de orientação (vermelha) representando valores típicos esperados. (Fonte da imagem: Weidmüller)

Estes conectores plugáveis atendem aos padrões de segurança IP20 e são seguros ao toque para os operadores quando conectados corretamente. No entanto, existem capacitores de grande valor em um controlador de motor típico que podem dar choque nos operadores, se não for dada a devida atenção. É essencial que os capacitores tenham sido descarregados e que nenhuma tensão esteja presente quando a manutenção estiver sendo realizada. Apesar da classificação IP20, ainda é recomendado que os operadores esperem vários minutos para que os capacitores descarreguem antes de tocar nos conectores, proporcionando outro nível de segurança. Finalmente, o projeto aberto desses conectores híbridos permite aos operadores ver e verificar instantaneamente se todos os cabos não estão danificados e se estão conectados corretamente.

Conclusão

A mudança para um único sistema híbrido de interconexão para transportar energia e dados em controladores de motor compactos e de alto desempenho torna difícil para os projetistas apoiar a EMC e garantir uma operação confiável, ao mesmo tempo em que garante a segurança do operador. Entretanto, como mostrado, existem soluções de conectores híbridos plug-in três em um bem projetadas que suportam protocolos como Hiperface DSL e SCS open link para energia e dados, ao mesmo tempo em que fornecem blindagem EMC confiável e atendem aos padrões de segurança IP20.