Et robust industrielt single pair Ethernet starter med de rigtige komponenter

Automatisering erstatter traditionelle distribuerede kontrolsystemer, og innovativ teknologi giver pladsbesparelser og omkostningsreduktion, samtidig med at ydeevnen forbedres. For fremtidens fabrik er Single Pair Ethernet (SPE) en vigtig komponent for at realisere dette.

Når man bygger infrastruktur til Industrial Internet of Things (IIoT), er SPE absolut nødvendigt. Denne nye Ethernet-kommunikationsstandard til fabriks-, bygnings- og procesautomatisering gør det muligt at implementere integrerede strategier, der er hurtigere og mere sikre.

Traditionelle feltbusprotokoller er anerkendt for den tidsfølsomme overførsel af information, der er kritisk for bilindustrien og industrielle kontrolapplikationer. Men med en stigning i antallet af aktuatorer og sensorer i netværket er de traditionelle feltbusprotokoller nu en flaskehals, og det bliver kun værre, efterhånden som der kommer flere links, fordi de store feltbuskabler fylder for meget.

Indtil nu har det været nødvendigt med to par kobberledninger for at kunne levere strøm til slutenhederne samtidig via en PoDL (Power over Data Line). Nu hører kravet om fire ledninger til PoDL fortiden til, da SPE kan gøre dette ud over datatransmission også, hvilket åbner op for helt nye anvendelsesområder for industrielt Ethernet.

TDK Electronics har specialiseret sig i komponenter, der er afgørende i bilindustrien og den industrielle elektroniksektor. En fællesnævner for alle disse produkter og teknologier er IIoT og SPE, hvor SPoE (single-pair power over Ethernet), strøm, strømforsyningsudstyr (PSE) og controller Ethernet-enheder alle spiller en rolle.

Analog Devices Inc.- ligesom TDK Electronics - er på forkant med at gøre IIoT hurtigere og mere pålidelig gennem udstyr, der bruger LTC4296-1 5-Port SPoE PSE Controller (figur 1), herunder sikkerhedssystemer; operationelle teknologisystemer (OT); feltinstrumenter og switche; bygnings- og fabriksautomatiseringssystemer; og trafikkontrolsystemer.

Figur 1: En IEEE 802.3cg-kompatibel SPoE-PSE med LTC4296-1, hvor en af de fem porte er vist, og nogle ben er udeladt for overskuelighedens skyld. (Billedkilde: Analog Devices Inc.)

LTC4296-1 er en IEEE 802.3cg-kompatibel SPoE-PSE-controller med fem porte, der leveres i en QFN-48-pakke (figur 2). Ved at forenkle design og installation med SPoE og bruge standardiseret strøm og Ethernet-data over et enkelt par-kabel er LTC4296-1 velegnet til interoperabilitet med 802.3cg-strømforsynede enheder.

LTC4296-1 leverer strøm ved hjælp af eksterne N-kanals metal-oxid-halvleder-felteffekttransistorer (MOSFET'er) med lav drain-source on-resistance (RDS_ON) og sikrer applikationens robusthed, samtidig med at spændingsfaldet minimeres.

Figur 2: LTC4296-1 er designet til optimal interoperabilitet. (Billedkilde: Analog Devices Inc.)

Analog strømbegrænsning (ACL) kan give kortslutningsbeskyttelse og kontrolleret indkoblingsbeskyttelse ved at bruge afbrydere på høj side med foldback. Backfeed-fejl og jordfejl i ikke-isolerede applikationer kan undgås ved hjælp af en valgfri afbryder på lav side, der beskytter den negative udgang.

For at sikre, at den fulde driftsspænding kun tilføres kablet, når der er strømforsyning (PD), er det også nødvendigt med PD-klassificering via den serielle kommunikationsklassificeringsprotokol (SCCP) sammen med opretholdelse af fuld spændingssignatur (MFVS).

Enheder som LTC4296-1 giver en alsidig SPoE- og PSE-løsning og kan nemt integreres til en optimal controller-applikation.

Opnå interferensfri datatrafik med induktorer

Der findes forskellige induktorer til forskellige anvendelser. 10BASE-T1L-applikationsinduktortyperne omfatter common-mode chokes (CMC'er), isolationsinduktorer (ICI) og differential mode-induktorer (DMI'er).

Isolationsinduktorerne i ICI70CGI-serien løser problemet med galvanisk isolation mellem PHY og stik i visse applikationer. De har et datakoblingsforhold på 1:1 med induktansværdier på 1,0 mH og 2,2 mH og en isolationsspænding på 2250 V_DC.

Det er muligt at forbinde sensorer og aktuatorer med PoDL med kun ét par ledninger, så data og strøm overføres via denne linje. Stikket bruger specielle differential-mode chokes, en passiv elektronisk komponent, der undertrykker højfrekvent støj i kredsløb og fungerer som et filter ved at dæmpe differential-mode støj. Uanset om det er en situation med eller uden strømoverførsel, når man bruger PoDL til at implementere industriel SPE, kræves der i specifikke applikationer galvanisk isolation mellem PHY og stik. Isolationsinduktorer som RCM70CGI-471 (figur 3) giver mulighed for et transformationsforhold på 1:1.

Undertrykkelse af asymmetrisk interferens er afgørende for at opnå interferensfri datatrafik. RCM70CGI-471 er baseret på IEEE 802.3cg-standarden for 10BASE-T1L og er en common-mode-spole, der er designet til en maksimal strøm på 700 mA ved 80 V med en induktansværdi på 470 µH.

Figur 3: RCM70CGI-471 common-mode-spole er baseret på IEEE 802.3cg-standarden. (Billedkilde: TDK)

For at undertrykke interferens i systemerne er det nødvendigt med en særlig differential-mode-spole.

Der findes forskellige versioner, som dækker alle seks effektklasser (10 til 15) i PID-serien i henhold til IEEE 802.3cg. og mætningsstrømme, som kan variere fra 360 mA til 2100 mA.

PoDL-evalueringskort sikrer forbindelse

IIoT kræver total systemintegration, der sikrer forbindelse fra slutenheder til kontrolrummet med dataoverførsel i realtid. SPE vil forenkle netværk og muliggøre transmissioner på op til 10 Mbps over afstande på op til 1.000 m, samtidig med at der leveres strøm.

TDK har en række forskellige 10BASE-T1L plug-and-play-testkort til seks forskellige effektklasser, der er udviklet til at matche de følgende evalueringskort fra EVAL-ADIN1100EBZ (figur 4), EVAL-ADIN1110EBZ og fremskynde design- og testfasen.

Figur 4: SPE vil forenkle netværk og muliggøre transmissioner på op til 10 Mbps over afstande på op til 1.000 m, som vist her i dette forenklede EVAL-ADIN1100EBZ-blokdiagram. (Billedkilde: TDK)

Interfacekort med to driftstilstande

Analog Devices' ADIN1100 robuste, industrielle, energibesparende 10BASE-T1L Ethernet PHY er ROHS3-kompatibel, har et 1 (ubegrænset) MSL (Moisture Sensitivity Level) og en status der ikke er underlagt REACH, der indeholder en fleksibel platform til hurtig evaluering af ADIN1100 robuste, energibesparende 10BASE-T1L PHY.

EVAL-ADIN1100EBZ (figur 5) har 10 Mbps Single Pair Ethernet (SPE)-forbindelser med enheder over en betydelig afstand på 1,7 km kabel med et evalueringskort, der har to driftstilstande, hvilket giver maksimal fleksibilitet. Det fulde sæt ADIN1100-registerindstillinger, såsom diagnostik og overvågning af link-kvalitet, kan tilgås ved tilslutning til en pc med ADIN1100 GUI-softwaren.

Figur 5: Et ADIN1100 Ethernet PHY Interface evalueringskort. (Billedkilde: Analog Devices Inc.)

Alternativt kan EVAL-ADIN1100EBZ-kortet fungere i standalone-tilstand ved at indstille hardwarekonfigurationsswitche og -links. Operatører kan overvåge indbyggede LED'er for status, hvilket lettes af ADIN1100 data- og administrationsgrænseflader, som nemt kan konfigureres til at oprette forbindelse til en ekstern host controller ved hjælp af et EVAL-SPOE-KIT-AZ LTC4296-1 PoE evalueringskort til strømstyring.

Konklusion

Single Pair Ethernet (SPE) af høj kvalitet er afgørende for at opbygge en solid, pålidelig infrastruktur til Industrial Internet of Things (IIoT).

TDK Electronics har sammen med Analog Devices Inc. ry for at levere førsteklasses SPE, så der kan være nem kommunikation fra skyen til her nede på jorden.