Robustní průmyslový jednopárový Ethernet začíná volbou správných součástí

Automatizace nahrazuje tradiční distribuované řídicí systémy, přičemž inovativní technologie poskytují úsporu místa, snížení nákladů a zároveň vyšší výkon. Nezbytnou součástí k dosažení tohoto cíle v továrně budoucnosti je jednopárový Ethernet (SPE).

Jednopárový Ethernet (SPE) je naprosto nezbytný při budování infrastruktury pro průmyslový internet věcí (IIoT). Tento nový komunikační ethernetový standard pro automatizaci továren, budov a procesů umožňuje nasazení integrovaných strategií, které jsou rychlejší a bezpečnější.

Tradiční protokoly Fieldbus jsou uznávány pro časově citlivý přenos informací, které jsou kriticky důležité pro automobilové a průmyslové řídicí aplikace. S nárůstem počtu aktuátorů a senzorů v síti se však tradiční protokoly Fieldbus nyní stávají překážkou, což se jen zhoršuje se zaváděním více spojení, kdy objemné kabely Fieldbus zabírají příliš mnoho místa.

Doposud byly pro současnou dodávku energie do koncových zařízení prostřednictvím napájení přes datové vedení (PoDL) vyžadovány dva páry měděných vodičů. Požadavek čtyř vodičů pro technologii PoDL je však již minulostí, neboť jednopárový Ethernet (SPE) dokáže toto napájení přenášet společně s daty, čímž otevírá zcela nové oblasti použití pro průmyslový Ethernet.

Společnost TDK Electronics se specializuje na součásti, které jsou kriticky důležité v oblasti automobilů a průmyslové elektroniky. Společným jmenovatelem všech těchto produktů a technologií jsou průmyslový internet věcí (IIoT) a jednopárový Ethernet (SPE), kde hrají zásadní roli napájení přes jednopárový Ethernet (SPoE), napájení, napájecí zařízení (PSE) a ethernetové ovladače.

Společnost Analog Devices Inc., stejně jako TDK Electronics, zaujímá přední postavení v oblasti zvýšení rychlosti a spolehlivosti IIoT prostřednictvím zařízení využívajících 5portový řadič SPoE PSE LTC4296-1 (obrázek 1), včetně bezpečnostních systémů, systémů provozních technologií (OT), přístrojů a spínačů v místě provozu, systémů automatizace budov a továren a systémů řízení dopravy.

Obrázek 1: napájecí zařízení (PSE) SPoE kompatibilní s protokolem IEEE 802.3cg využívající řadič LTC4296-1 se znázorněním jednoho z pěti portů a vynecháním některých pinů pro přehlednost. (Zdroj obrázku: Analog Devices Inc.)

Obvod LTC4296-1 je pětiportový řadič napájecího zařízení (PSE) s technologií SPoE kompatibilní s protokolem IEEE 802.3cg a dodávaný v pouzdru QFN-48 (obrázek 2). Díky zjednodušení návrhu a instalace pomocí technologie SPoE a používání standardizovaného napájení a přenosu ethernetových dat přes jednu dvoulinku je řadič LTC4296-1 velmi vhodný pro interoperabilitu se zařízeními napájenými podle protokolu 802.3cg.

Řadič LTC4296-1, který dodává energii pomocí externích, N-kanálových metal-oxidových polovodičových tranzistorů s efektem pole (MOSFET) a nízkým odporem mezi odtokem a zdrojem (RDS_ON) v sepnutém stavu, zajišťuje robustnost aplikací při současné minimalizaci úbytků napětí.

Obrázek 2: řadič LTC4296-1 je navržen s ohledem na optimální interoperabilitu. (Zdroj obrázku: Analog Devices Inc.)

Analogový proudový limit (ACL) může poskytnout ochranu proti zkratu a řízené omezení náběhového proudu pomocí high-side jističů s technologií foldback. Zpětným tokům a zemním poruchám v neizolovaných aplikacích lze předejít pomocí volitelného low-side jističe, který chrání záporný výstup.

Aby bylo zajištěno, že na kabel je přivedeno plné provozní napětí pouze v přítomnosti napájení (PD), je nezbytné použití klasifikace PD prostřednictvím protokolu SCCP (Serial Communication Classification Protocol) společně se příznakem zachování plného napětí (MFVS).

Obvody jako LTC4296-1 poskytují všestranné řešení napájecího zařízení PSE s technologií SPoE a lze je snadno integrovat pro optimální aplikaci řadiče.

Dosažení nerušeného datového provozu pomocí induktorů

Existují různé induktory pro více aplikací. Induktory aplikačního typu 10BASE-T1L zahrnují tlumivky souhlasného napětí (CMC), izolační induktory (ICI) a induktory s diferenciálním režimem (DMI).

Izolační induktory řady ICI70CGI v určitých aplikacích řeší problém galvanického oddělení mezi fyzickou vrstvou (PHY) a konektorem. Nabízejí poměr datové vazby 1:1 s hodnotami indukčnosti 1,0 mH a 2,2 mH a izolačním napětím 2250 V_DC.

Senzory a aktuátory podporující technologii PoDL lze propojit pouze jedním párem vodičů a zajistit tak, že toto vedení bude přenášet data i napájení. Konektor využívá speciální tlumivky s diferenciálním režimem, tedy pasivní elektronické součástky potlačující vysokofrekvenční šum v obvodech, které pracující jako útlumový filtr diferenciálního šumu. V konkrétních aplikacích je vyžadováno galvanické oddělení fyzické vrstvy (PHY) a konektoru bez ohledu na to, zda se jedná o situaci s přenosem nebo bez přenosu energie při implementaci průmyslového jednopárového Ethernetu (SPE) pomocí technologie PoDL. Izolační induktory, například RCM70CGI-471 (obrázek 3), nabízejí transformační poměr 1:1.

Potlačení asymetrického rušení je rozhodující pro dosažení nerušeného datového provozu. Tlumivka souhlasného napětí RCM70CGI-471, která vychází z normy IEEE 802.3cg pro Ethernet 10BASE-T1L, je navržená na maximální proud 700 mA při napětí 80 V s indukčností 470 µH.

Obrázek 3: tlumivka souhlasného napětí RCM70CGI-471 vychází z normy IEEE 802.3cg. (Zdroj obrázku: TDK)

Pro potlačení rušení v systémech je vyžadována speciální diferenciální tlumivka s diferenciálním režimem.

Existují různé verze pokrývající všech šest výkonových tříd (10 až 15) v řadě PID podle protokolu IEEE 802.3cg. a saturační proudy, které se mohou pohybovat v rozsahu 360 mA až 2100 mA.

Vyhodnocovací desky PoDL zajišťují konektivitu

Průmyslový internet věcí (IIoT) vyžaduje úplnou systémovou integraci, která zajišťuje konektivitu z koncových zařízení do dispečinku s přenosem dat v reálném čase. Jednopárový Ethernet (SPE) zjednodušuje sítě a podporuje přenosy rychlostí až 10 Mbps na vzdálenost až 1000 m při současné dodávce energie.

Společnost TDK nabízí řadu různých zkušebních desek 10BASE-T1L typu plug-and-play pro šest různých výkonových tříd vyvinutých tak, aby odpovídaly vyhodnocovacím deskám EVAL-ADIN1100EBZ (obrázek 4), EVAL-ADIN1110EBZ a urychlovaly fázi návrhu a testování.

Obrázek 4: jednopárový Ethernet (SPE) zjednodušuje sítě podporou přenosových rychlostí až 10 Mbps na vzdálenosti až 1000 m, jak je znázorněno zde na tomto zjednodušeném blokovém schématu desky EVAL-ADIN1100EBZ. (Zdroj obrázku: TDK)

Desky rozhraní se dvěma provozními režimy

Robustní, průmyslová, nízkoenergetická ethernetová fyzická vrstva (PHY) 10BASE-T1L ADIN1100 od společnosti Analog Devices je kompatibilní s normou ROHS3, vykazuje úroveň citlivosti na vlhkost (MSL) 1 (neomezenou) a nedotčený stav podle nařízení REACH, který nabízí flexibilní platformu pro rychlé vyhodnocování této fyzické vrstvy.

Platforma EVAL-ADIN1100EBZ (obrázek 5) nabízí kabelové propojení pomocí jednopárového Ethernetu (SPE) 10 Mbps se zařízeními na velkou vzdálenost (přes 1,7 km) s použitím vyhodnocovací desky se dvěma provozními režimy, čímž je dosaženo maximální flexibility. Úplná sada nastavení registru fyzické vrstvy ADIN1100, například diagnostika a monitorování kvality spojení, je přístupná po připojení k počítači pomocí softwaru ADIN1100 GUI.

Obrázek 5: vyhodnocovací deska rozhraní PHY ADIN1100 Ethernet. (Zdroj obrázku: Analog Devices Inc.)

Nastavením hardwarových konfiguračních přepínačů a propojení může deska EVAL-ADIN1100EBZ alternativně pracovat v autonomním režimu. Operátoři mohou pomocí vestavěných LED diod monitorovat stav, což usnadňují datová a řídicí rozhraní fyzické vrstvy ADIN1100, která lze snadno nakonfigurovat na připojení k externímu hostitelskému řadiči pomocí vyhodnocovací desky PoE řízení spotřeby energie EVAL-SPOE-KIT-AZ LTC4296-1.

Závěr

Kvalitní jednopárový Ethernet (SPE) má zásadní význam pro vybudování pevné a spolehlivé infrastruktury průmyslového internetu věcí (IIoT).

Společnosti TDK Electronics a Analog Devices Inc. mají pověst poskytovatele špičkových jednopárových Ethernetů (SPE), což zaručuje snadnou komunikaci z cloudu až na místo určení.