Een robuust Industrial Single Pair Ethernet begint met de juiste componenten

Automatisering vervangt traditionele gedistribueerde besturingssystemen en innovatieve technologie zorgt voor ruimtebesparing en kostenreductie terwijl de prestaties worden verbeterd. Voor de fabriek van de toekomst is Single Pair Ethernet (SPE) een essentiële component om dit te realiseren.

Bij het bouwen van infrastructuur voor het Industrial Internet of Things (IIoT) is SPE absoluut noodzakelijk. Deze nieuwe Ethernet-communicatiestandaard voor fabrieks-, gebouw- en procesautomatisering maakt de inzet van geïntegreerde strategieën mogelijk die sneller en veiliger zijn.

Traditionele veldbusprotocollen worden erkend voor de tijdgevoelige overdracht van informatie die cruciaal is voor toepassingen in de auto-industrie en industriële besturing. Met een toename van het aantal actuatoren en sensoren in het netwerk vormen de traditionele veldbusprotocollen nu echter een knelpunt, en dat wordt alleen maar erger naarmate er meer koppelingen worden geïntroduceerd omdat omvangrijke veldbuskabels te veel ruimte innemen.

Tot nu toe waren er twee paar koperdraden nodig voor de gelijktijdige levering van stroom aan eindapparaten via een Power over Data Line (PoDL). Nu behoren vier draden voor PoDL tot het verleden, omdat SPE dit naast datatransmissie kan doen, wat volledig nieuwe toepassingsgebieden voor industrieel Ethernet opent.

TDK Electronics is gespecialiseerd in componenten die van vitaal belang zijn in de auto- en industriële elektronicasector. Een rode draad door al deze producten en technologie is het IIoT en SPE, waarbij single-pair power over Ethernet (SPoE), stroom, power sourcing equipment (PSE) en controller Ethernet-apparaten allemaal een rol spelen.

Analog Devices Inc- net als TDK Electronics - staat aan de spits van het sneller en betrouwbaarder maken van het IIoT door middel van apparatuur die gebruik maakt van de LTC4296-1 5-Port SPoE PSE-controller (Afbeelding 1), waaronder beveiligingssystemen; operationele technologiesystemen (OT); veldinstrumenten en schakelaars; gebouw- en fabrieksautomatiseringssystemen; en verkeerscontrolesystemen.

Afbeelding 1: Een IEEE 802.3cg-conform SPoE PSE met de LTC4296-1, waarbij één van de vijf poorten is afgebeeld en enkele pinnen voor de duidelijkheid zijn weggelaten. (Bron afbeelding: Analog Devices Inc.)

De LTC4296-1 is een IEEE 802.3cg-conforme, vijfpoorts SPoE PSE-controller in een QFN-48 behuizing (Afbeelding 2). Door het ontwerp en de installatie te vereenvoudigen met SPoE en door gebruik te maken van gestandaardiseerde voeding en Ethernet-gegevens via één kabelpaar, is de LTC4296-1 zeer geschikt voor interoperabiliteit met 802.3cg gevoede apparaten.

De LTC4296-1 levert vermogen door gebruik te maken van externe, lage drain-source on-resistance (RDS_ON) N-kanaal metaaloxide-halfgeleider field-effect transistors (MOSFET's) en zorgt voor een robuuste toepassing met minimale spanningsverliezen.

Afbeelding 2: De LTC4296-1 is ontworpen voor optimale interoperabiliteit. (Afbeeldingsbron: Analog Devices Inc.)

Analoge stroombegrenzing (ACL) kan kortsluit- en gecontroleerde inschakelbeveiliging bieden door gebruik te maken van hoog-zijschakelaars met foldback. Backfeedfouten en aardfouten in niet-geïsoleerde toepassingen kunnen worden vermeden met een optionele laag-zijstroomonderbreker, die de negatieve uitgang beschermt.

Om er zeker van te zijn dat de volledige bedrijfsspanning alleen op de kabel wordt toegepast wanneer er voeding (PD) aanwezig is, is PD-classificatie via het classificatieprotocol voor seriële communicatie (SCCP) samen met het handhaven van de volledige spanningshandtekening (MFVS) noodzakelijk.

Apparaten zoals de LTC4296-1 bieden een veelzijdige SPoE-, PSE-oplossing en kunnen eenvoudig worden geïntegreerd voor een optimale regeltoepassing.

Realiseer storingsvrij dataverkeer met inductoren

Er zijn verschillende spoelen voor verschillende toepassingen. De inductortypen voor 10BASE-T1L-toepassingen omvatten common-mode smoorspoelen (CMC's), isolatiespoelen (ICI's) en inductoren voor differentiële modus (DMI's).

De ICI70CGI-serie isolatiespoelen lost het probleem op van galvanische scheiding tussen PHY en connector in bepaalde toepassingen. Ze bieden een gegevenskoppelingsverhouding van 1:1 met inductiewaarden van 1,0 mH en 2,2 mH en een isolatiespanning van 2250 V_DC.

Het is mogelijk om sensors en actuators met PoDL aan te sluiten met slechts één paar draden, waarbij gegevens- en stroomoverdracht via deze lijn worden gerealiseerd. De connector maakt gebruik van speciale differentiële smoorspoelen, een passieve elektronische component die hoogfrequente ruis in schakelingen onderdrukt en als filter werkt door differentiële ruis te dempen. Of het nu gaat om een situatie met of zonder stroomoverdracht bij het gebruik van PoDL om industriële SPE te implementeren, in specifieke toepassingen is galvanische isolatie tussen de PHY en de connector vereist. Isolatiespoelen zoals de RCM70CGI-471 (Afbeelding 3) bieden een transformatieverhouding van 1:1 vermogen.

De onderdrukking van asymmetrische interferentie is cruciaal voor het bereiken van storingsvrij dataverkeer. De RCM70CGI-471 is gebaseerd op de IEEE 802.3cg-norm voor 10BASE-T1L en is een common-mode smoorspoel ontworpen voor een maximale stroom van 700 mA bij 80 V, met een inductiewaarde van 470 µH.

Afbeelding 3: De RCM70CGI-471 common-mode smoorspoel is gebaseerd op de IEEE 802.3cg-norm. (Bron afbeelding: TDK)

Om interferentie in de systemen te onderdrukken is een speciale differentiële smoorspoel nodig.

Er zijn verschillende versies die alle zes vermogensklassen (10 tot 15) in de PID-serie dekken, volgens IEEE 802.3cg., en verzadigingsstromen die kunnen variëren van 360 mA tot 2100 mA.

PoDL-evaluatieborden zorgen voor connectiviteit

IIoT vereist totale systeemintegratie, waarbij connectiviteit van eindapparaten naar de controlekamer in realtime gegevensoverdracht wordt gegarandeerd. SPE zal netwerken vereenvoudigen en transmissiebereiken tot 10 Mbps mogelijk maken over afstanden tot 1.000 m terwijl tegelijkertijd stroom wordt geleverd.

TDK heeft een verscheidenheid aan verschillende 10BASE-T1L plug-and-play testborden voor zes verschillende vermogensklassen ontwikkeld om aan te sluiten bij de volgende evaluatieborden van EVAL-ADIN1100EBZ (Afbeelding 4), EVAL-ADIN1110EBZ en het ontwerp- en teststadium te versnellen.

Afbeelding 4: SPE zal netwerken vereenvoudigen en transmissiebereiken tot 10 Mbps mogelijk maken over afstanden tot 1.000 m, hier weergegeven in dit vereenvoudigde blokschema van de EVAL-ADIN1100EBZ. (Bron afbeelding: TDK)

Interfaceborden met twee bedrijfsmodi

De ADIN1100 robuuste, industriële 10BASE-T1L Ethernet PHY van Analog Devices voldoet aan ROHS3, heeft een 1 (onbeperkt) vochtgevoeligheidsniveau (MSL) en een REACH Unaffected status die een flexibel platform biedt voor een snelle evaluatie van de ADIN1100 robuuste 10BASE-T1L PHY met laag stroomverbruik.

De EVAL-ADIN1100EBZ (Afbeelding 5) biedt 10 Mbps Single Pair Ethernet (SPE) verbindingen met apparaten over een aanzienlijke afstand van 1,7 km kabel, met een evaluatiebord die twee werkingsmodi heeft, voor maximale flexibiliteit. De volledige set registerinstellingen van de ADIN1100, zoals diagnose en bewaking van de verbindingskwaliteit, is toegankelijk als deze op een PC met de ADIN1100 GUI-software is aangesloten.

Afbeelding 5: Een ADIN1100 Ethernet PHY-interface-evaluatiebord (Bron afbeelding: Analog Devices Inc.)

Als alternatief kan het EVAL-ADIN1100EBZ-bord in stand-alone modus werken door hardware configuratieschakelaars en koppelingen in te stellen. Gebruikers kunnen de status van LED's aan boord controleren met behulp van ADIN1100 data- en beheerinterfaces, die eenvoudig geconfigureerd kunnen worden voor aansluiting op een externe hostcontroller met behulp van een EVAL-SPOE-KIT-AZ LTC4296-1 PoE power management evaluatiebord.

Conclusie

Single Pair Ethernet (SPE) van hoge kwaliteit is cruciaal voor het opbouwen van een solide, betrouwbare infrastructuur voor het Industrial Internet of Things (IIoT).

TDK Electronics heeft samen met Analog Devices Inc. een reputatie voor het leveren van SPE van topkwaliteit, zodat er gemakkelijk van de cloud naar hier op aarde kan worden gecommuniceerd.