Ett robust industriellt Single Pair Ethernet börjar med rätt komponenter

Automation ersätter traditionella distribuerade styrsystem, och innovativ teknik ger utrymmesbesparingar och kostnadsminskningar samtidigt som den ger förbättrad prestanda. I framtidens fabriker är Single Pair Ethernet (SPE) en viktig komponent för att förverkliga detta.

När man bygger infrastruktur för Industrial Internet of Things (IIoT) är SPE absolut nödvändigt. Denna nya kommunikationsstandard för Ethernet inom fabriks-, byggnads- och processautomation gör det möjligt att införa integrerade strategier som är snabbare och säkrare.

Traditionella fältbussprotokoll används för tidskänslig överföring av information som är viktig i tillämpningar i fordon och industriell styrning. Men med ett ökat antal ställdon och sensorer i nätverket är de traditionella fältbussprotokollen numera en flaskhals, och det blir bara värre när fler länkar införs eftersom skrymmande fältbusskablar tar upp för mycket utrymme.

Hittills har det krävts två par koppartrådar för att samtidigt leverera ström till slutenheter via en Power over Data Line (PoDL). Nu är kravet på fyra kablar för PoDL ett minne blott, eftersom SPE kan göra detta utöver dataöverföring, vilket öppnar upp för helt nya användningsområden inom industriellt Ethernet.

TDK Electronics är specialiserat på komponenter som är viktiga inom fordon och industrielektronik. En gemensam nämnare för alla dessa produkter och tekniker är IIoT och SPE, där ström via ett par över Ethernet (SPoE), ström, strömförsörjningsutrustning och Ethernet-styrenheter alla har en uppgift.

Analog Devices Inc. ligger, precis som TDK Electronics, i framkant när det gäller att göra IIoT snabbare och mer tillförlitligt genom utrustning som använder SpOE PSE-styrenheten LTC4296-1 (figur 1), inklusive säkerhetssystem, system för operativ teknik (OT), fältinstrument och switchar, system för fastighets- och fabriksautomation samt system för trafikstyrning.

Figur 1: En IEEE 802.3cg-kompatibel SPoE PSE som använder LTC4296-1, där en av fem portar förevisas och vissa stift har utelämnats för tydlighetens skull. (Bildkälla: Analog Devices Inc.)

LTC4296-1 är en IEEE 802.3cg-kompatibel SPoE, PSE-styrkrets med fem portar som levereras i en QFN-48 kapsling (figur 2). Genom att förenkla design och installation med SPoE och använda standardiserad strömförsörjning och Ethernet-data över en kabel med ett par, är LTC4296-1 väl lämpad för interoperabilitet med enheter som strömförsörjs via 802.3cg.

Den levererar ström med hjälp av externa, MOSFET:ar med N-kanal och låg resistans mellan drain och source (R _DS(ON), vilket minimerar spänningsfallet och ger en robust tillämpning.

Figur 2: LTC4296-1 är konstruerad för optimal driftskompatibilitet. (Bildkälla: Analog Devices Inc.)

Analog strömbegränsning (ACL) kan ge kortslutningsskydd och kontrollerat strömrusningsskydd genom att använda effektswitchar på primärsidan med återgång. Återkopplingsfel och jordfel i icke-isolerade tillämpningar kan undvikas med hjälp av en valfri switch på sekundärsidan som skyddar den negativa utgången.

För att säkerställa att full driftspänning endast appliceras i kabeln när power delivery (PD) är närvarande, krävs PD-klassificering via SCCP (Serial Communication Classification Protocol) tillsammans med MFVS (Maintenance Full Voltage Signature).

Enheter som LTC4296-1 tillhandahåller en mångsidig SPoE- och PSE-lösning och kan enkelt integreras för en optimal tillämpning av styrenheten.

Uppnå störningsfri datatrafik med induktorer

Det finns olika induktorer för olika användningsområden. Induktortyperna för 10BASE-T1L-tillämpningar omfattar common-mode-drosslar (CMC), isoleringsinduktorer (ICI) och induktorer för differentialläge (DMI).

Isoleringsinduktorerna i serien ICI70CGI löser problemet med galvanisk isolering mellan PHY och kontaktdon i vissa tillämpningar. De har ett datakopplingsförhållande på 1:1 med induktansvärden på 1 mH och 2,2 mH och en isolationsspänning på 2250 V_DC.

Det är möjligt att ansluta sensorer och ställdon med PoDL med bara ett trådpar, vilket möjliggör data- och kraftöverföring via denna ledning. Kontaktdonet använder särskilda drosslar för differentialläge, en passiv elektronisk komponent som undertrycker högfrekvent brus i kretsar och fungerar som ett filter genom att dämpa brus i differentialläge. Oavsett om det är en situation med eller utan kraftöverföring när man använder PoDL för att implementera industriell SPE, krävs galvanisk isolering mellan PHY och kontaktdonet i vissa tillämpningar. Isolateringsinduktorer som RCM70CGI-471 (figur 3) har ett omvandlingsförhållande på 1:1.

Dämpning av asymmetriska störningar är avgörande för att uppnå störningsfri datatrafik. RCM70CGI-471 är baserad på standarden IEEE 802.3cg för 10BASE-T1L och är en common-mode-drossel som är konstruerad för en maximal ström på 700 mA vid 80 V, med ett induktansvärde på 470 µH.

Figur 3: common mode-drosseln RCM70CGI-471 är baserad på standarden IEEE 802.3cg. (Bildkälla: TDK)

För att dämpa störningar i systemet krävs en särskild drossel för differentialläge.

Det finns olika versioner som täcker alla sex effektklasser (10 till 15) i PID-serien, enligt IEEE 802.3cg., och mättnadsströmmar som kan variera från 360 mA till 2100 mA.

Utvärderingskort för PoDL säkerställer anslutningsmöjligheter

IIoT kräver total systemintegration, vilket säkerställer anslutning från slutenheter till kontrollrummet med dataöverföring i realtid. SPE kommer att förenkla nätverken genom att möjliggöra överföringshastigheter på upp till 10 Mbit/s över avstånd på upp till 1000 m samtidigt som strömförsörjningen fungerar.

TDK har en mängd olika testkort med plug and play för 10BASE-T1L i sex olika effektklasser som utvecklats för att motsvara följande utvärderingskort från EVAL-ADIN1100EBZ (figur 4), EVAL-ADIN1110EBZ och påskynda design- och testfasen.

Figur 4: SPE kommer att förenkla nätverken genom att möjliggöra överföringshastigheter på upp till 10 Mbit/s över avstånd på upp till 1000 m, som visas i det här förenklade blockdiagrammet för EVAL-ADIN1100EBZ. (Bildkälla: TDK)

Gränssnittskort med två driftlägen

Den robusta, industriella T1L Ethernet PHY:n ADIN1100 med låg strömförbrukning från Analog Devices är ROHS3-kompatibel, har en (obegränsad) fuktkänslighetsnivå (MSL) på 1 och påverkas inte av REACH vilket ger en flexibel plattform för snabb utvärdering av den robusta T1L Ethernet PHY:n ADIN1100.

EVAL-ADIN1100EBZ (figur 5) innehåller kontaktdon för Single Pair Ethernet (SPE) med 10 Mbit/s med enheter över ett betydande kabelavstånd på 1,7 km, med ett utvärderingskort som har två driftlägen, för att ge maximal flexibilitet. Den fullständiga uppsättningen registerinställningar i ADIN1100, såsom diagnostik och diagnostik för övervakning av länkkvalitet, kan nås när den är ansluten till en PC med programmet ADIN1100 GUI.

Figur 5: Ett utvärderingskort för gränssnittskortet ADIN1100 Ethernet PHY. (Bildkälla: Analog Devices Inc.)

Alternativt kan kortet EVAL-ADIN1100EBZ arbeta i fristående läge genom att man ställer in konfigurationsomkopplare och länkar på hårdvaran. Operatörer kan övervaka inbyggda lysdioder för status, vilket underlättas av data- och hanteringsgränssnittet i ADIN1100, som enkelt kan konfigureras för anslutning till en extern värdkontroll med hjälp av utvärderingskortet EVAL-SPOE-KIT-AZ LTC4296-1 för hantering av PoE-ström.

Sammanfattning

Single Pair Ethernet (SPE) av hög kvalitet är avgörande för att bygga en solid och tillförlitlig infrastruktur för Industrial Internet of Things (IIoT).

TDK Electronics, har tillsammans med Analog Devices Inc, ett rykte om sig att tillhandahålla förstklassiga SPE, så att det blir enkelt att kommunicera från molnet till oss här nere på jorden.