Robusti teollisuuden yksiparinen Ethernet alkaa oikeista komponenteista

Automaatio on korvaamassa perinteisiä hajautettuja ohjausjärjestelmiä, ja innovatiivinen teknologia tarjoaa tila- ja kustannussäästöjä sekä korkeamman suorituskyvyn. Yksiparinen Ethernet (Single Pair Ethernet, SPE) on tärkeä komponentti tulevaisuuden tehtaiden toteutuksessa.

SPE on ehdottoman välttämätön rakennettaessa infrastruktuuria esineiden teollista internetiä (IIoT) varten. Tämä tehdas-, rakennus- ja prosessiautomaation uusi Ethernet-viestintästandardi mahdollistaa nopeampien ja turvallisempien integroitujen strategioiden käyttöönoton.

Perinteiset kenttäväyläprotokollat ovat tunnettuja tietojen aikaherkästä siirrosta, mikä on ratkaisevan tärkeää autoalan ja teollisuuden ohjaussovelluksissa. Verkossa olevien aktuaattoreiden ja antureiden määrän kasvaessa perinteisistä kenttäväyläprotokollista on kuitenkin tullut pullonkaula. Tämä vain pahenee, kun yhteyksiä lisätään, koska paksut kenttäväyläkaapelit vievät liikaa tilaa.

Tähän saakka on tarvittu kaksi kuparijohdinparia samanaikaiseen virransyöttöön päätelaitteisiin Power over Data Line (PoDL) -tekniikalla. PoDL vaatii neljä johdinta, mutta tämä on jo vanhentunutta, sillä SPE-tekniikalla voidaan tehdä sama asia tiedonsiirron lisäksi, mikä avaa täysin uusia käyttöalueita teollisuus-Ethernetille.

TDK Electronics on erikoistunut komponentteihin, jotka ovat elintärkeitä autoteollisuudessa ja teollisuuselektroniikassa. Kaikkia näitä tuotteita ja teknologioita yhdistävät IIoT ja SPE ja kaikissa niistä SPoE (Single-pair Power over Ethernet) -teknologialla, teholla, virtalähteillä (Power Sourcing Equipment, PSE) ja Ethernet-ohjauslaitteilla on kaikilla tärkeä rooli.

Analog Devices Inc. on TDK Electronicsin tavoin teknologian eturintamassa tekemässä IIoT-toteutuksista nopeampia ja luotettavampia laitteilla, joissa käytetään 5-porttista SPoE- ja PSE-ohjainta LTC4296-1 (kuva 1), mukaan lukien hälytysjärjestelmät, operatiivisen teknologian (OT) järjestelmät, kenttäinstrumentit ja -kytkimet, rakennusten ja tehtaiden automaatiojärjestelmät sekä liikenteenohjausjärjestelmät.

Kuva 1: IEEE 802.3cg -yhteensopiva SPoE PSE, jossa käytetään LTC4296-1-ohjainta. Kuvassa esitetään yksi viidestä portista ja joitakin nastoja on jätetty pois selkeyden vuoksi. (Kuvan lähde: Analog Devices Inc.)

LTC4296-1 on IEEE 802.3cg -yhteensopiva viisiporttinen SPoE- ja PSE-ohjain, joka käyttää QFN-48-koteloa (kuva 2). Yksinkertaistamalla suunnittelua ja asennusta SPoE:n avulla ja käyttämällä standardoitua virransyöttöä ja Ethernet-dataa yhden parikaapelin kautta LTC4296-1 tarjoaa yhteentoimivuuden 802.3cg-virransyöttöä käyttävien laitteiden kanssa.

LTC4296-1 käyttää virransyöttöön ulkoisia matalan RDS_ON (Drain-Source ON-Resistance) -arvon N-kanavan MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) -transistoreja, mikä takaa sovelluksen kestävyyden ja minimoi samalla jännitehäviöt.

Kuva 2: LTC4296-1 on suunniteltu optimaalista yhteentoimivuutta varten. (Kuvan lähde: Analog Devices Inc.)

Analoginen virranrajoitus (ACL) voi tarjota oikosulkusuojauksen ja rajoittaa tulovirtapiikkejä käyttämällä yläpuolen katkaisijoita tehonrajoituksella. Eristämättömien sovelluksien takaisinsyöttöviat ja maasulkuviat voidaan välttää valinnaisella alapuolen katkaisijalla, joka suojaa negatiivisen lähdön.

Lisäksi laite varmistaa, että täysi käyttöjännite syötetään kaapeliin vain käytettäessä PD (Power Delivery) -protokollaa. Tämä vaatii PD-luokitusta SCCP (Serial Communication Classification Protocol) -protokollan ja MFVS (Maintaining Full Voltage Signature) -allekirjoituksen avulla.

LTC4296-1-ohjaimen kaltaiset laitteet tarjoavat monipuolisen SPoE- ja PSE-ratkaisun, ja ne voidaan helposti integroida optimaalisen ohjainsovelluksen toteuttamiseksi.

Saavuta häiriötön dataliikenne induktoreilla

Induktoreita on erityyppisiä erilaisten sovellusten tarpeiden mukaan. 10BASE-T1L-sovellusten induktorityyppeihin kuuluvat yhteismuotokuristimet (CMC), eristysinduktorit (ICI) ja differentiaalitilan induktorit (DMI).

ICI70CGI-sarjan eristysinduktorit ratkaisevat PHY:n ja liittimen välisen galvaanisen eristyksen ongelman tietyissä sovelluksissa. Ne tarjoavat datakytkentäsuhteen 1:1 induktanssiarvoilla 1,0 mH ja 2,2 mH sekä erotusjännitteen 2250 V_DC.

Anturien ja toimilaitteiden kytkemiseen tarvitaan PoDL-teknologiaa käytettäessä vain yksi johdinpari, jolloin datan- ja virransiirto tapahtuu saman linjan kautta. Liittimessä käytetään erityisiä differentiaalikuristimia. Tämä on passiivinen elektroniikkakomponentti, joka vaimentaa korkeataajuista kohinaa piireissä ja toimii suodattimena vaimentamalla differentiaalitilan kohinaa. Kun teollisen SPE:n toteuttamiseen käytetään PoDL-teknologiaa (virransyötön kanssa tai ilman), tietyissä sovelluksissa vaaditaan galvaanista eristystä PHY:n ja liittimen välillä. Eristysinduktorit, kuten RCM70CGI-471 (kuva 3), tarjoavat 1:1-muuntosuhteen.

Epäsymmetristen häiriöiden vaimentaminen on ratkaisevan tärkeää häiriöiden poistamiseksi dataliikenteestä. 10BASE-T1L:n IEEE 802.3cg -standardiin perustuvan yhteismuotokuristimen RCM70CGI-471 virtaluokitus on 700 mA jännitteellä 80 V ja sen induktanssiarvo on 470 µH.

Kuva 3: RCM70CGI-471-yhteismuotokuristin perustuu IEEE 802.3cg -standardiin. (Kuvan lähde: TDK)

Häiriöiden poistamiseksi järjestelmistä tarvitaan erityinen differentiaalikuristin.

Saatavilla on eri versioita, jotka kattavat kaikki kuusi PID-sarjan teholuokkaa (10-15) IEEE 802.3cg-standardin mukaisesti, ja niiden kyllästysvirrat ovat 360 mA – 2100 mA.

PoDL-arviointikortit varmistavat verkkoyhteydet

IIoT edellyttää täydellistä järjestelmäintegraatiota ja reaaliaikaista tiedonsiirtoa loppulaitteista valvomoon. SPE yksinkertaistaa verkkoja, sillä se mahdollistaa jopa 10 Mbps:n tiedonsiirtonopeuden jopa 1000 metrin etäisyydelle tarjoten samanaikaisesti virransyötön.

TDK:lla on tarjolla useita erilaisia 10BASE-T1L plug-and-play-testikortteja kuudelle eri teholuokalle. Nämä on kehitetty vastaamaan evaluointikorttia EVAL-ADIN1100EBZ (kuva 4). EVAL-ADIN1110EBZ nopeuttaa suunnittelu- ja testausvaihetta.

Kuva 4: SPE yksinkertaistaa verkkoja ja mahdollistaa jopa 10 Mbps:n tiedonsiirtonopeuden jopa 1000 metrin etäisyydelle, kuten tässä EVAL-ADIN1100EBZ-kortin yksinkertaistetussa lohkokaaviossa on esitetty. (Kuvan lähde: TDK)

Liitäntäkortit, jotka tarjoavat kaksi toimintatilaa

Analog Devices ADIN1100 on robusti teollisuuteen tarkoitettu vähävirtainen 10BASE-T1L Ethernet PHY. Se on ROHS3-yhteensopiva ja sillä on kosteusherkkyystaso (MSL) 1 (rajoittamaton) sekä REACH Unaffected -status. Laite tarjoaa joustavan alustan robustin ja vähävirtaisen 10BASE-T1L ADIN1100-PHY:n nopeaa evaluointia varten.

EVAL-ADIN1100EBZ (kuva 5) tarjoaa 10 Mbps:n SPE (Single Pair Ethernet) -yhteydet laitteisiin varsin huomattavalla 1,7 km:n kaapelietäisyydellä. Siihen on saatavana evaluointikortti kahdella toimintatilalla, mikä tarjoaa maksimaalisen joustavuuden. Kaikki ADIN1100-rekisteriasetukset, kuten diagnostiikka ja linkin laadunvalvontadiagnostiikka, ovat käytettävissä, kun laite kytketään tietokoneeseen, jossa on ADIN1100 GUI -ohjelmisto.

Kuva 5: ADIN1100 Ethernet PHY -rajapinnan evaluointikortti. (Kuvan lähde: Analog Devices Inc.)

EVAL-ADIN1100EBZ-korttia voidaan haluttaessa käyttää itsenäisessä tilassa asettamalla laitteiston konfigurointikytkimet ja linkit. Käyttäjät voivat seurata piirilevyllä olevien ledien tilaa. Tässä voidaan käyttää myös ADIN1100-tieto- ja hallintaliitäntöjä, jotka voidaan helposti konfiguroida yhdistettäväksi ulkoiseen isäntäohjaimeen käyttämällä PoE-virranhallintaan tarkoitettua EVAL-SPOE-KIT-AZ LTC4296-1-evaluointikorttia.

Yhteenveto

Laadukas yksiparinen Ethernet (Single Pair Ethernet, SPE) on ratkaisevan tärkeässä osassa vahvan ja luotettavan infrastruktuurin rakentamisessa esineiden teollista internetiä (IIoT) varten.

Yrityksillä TDK Electronics ja Analog Devices Inc. on maine huippuluokan SPE-toimittajina, joten viestintä pilvestä maan pinnalle on helppoa.