O rețea Single Pair Ethernet industrial robustă începe cu componentele potrivite

Automatizarea înlocuiește sistemele de control distribuite tradiționale, iar tehnologia inovatoare permite economisirea spațiului și reducerea costurilor, oferind în același timp performanțe sporite. Pentru fabricile viitorului, Single Pair Ethernet (SPE) este o componentă esențială pentru realizarea acestei viziuni.

SPE este absolut necesar pentru construirea infrastructurii pentru Internetul industrial al lucrurilor (IIoT). Acest nou standard de comunicare Ethernet pentru automatizarea fabricilor, clădirilor și proceselor permite implementarea unor strategii integrate care sunt mai rapide și mai sigure.

Protocoalele Fieldbus tradiționale sunt recunoscute pentru transferul de informații sensibile la timp, esențiale pentru aplicațiile de control auto și industriale. Cu toate acestea, odată cu creșterea numărului de actuatoare și senzori în rețea, protocoalele Fieldbus tradiționale reprezintă acum un blocaj, iar acest lucru se agravează pe măsură ce sunt introduse mai multe legături, deoarece cablurile Fieldbus voluminoase ocupă prea mult spațiu.

Până în prezent, erau necesare două perechi de fire de cupru pentru furnizarea simultană de energie către dispozitivele finale prin intermediul unei conexiuni Power over Data Line (PoDL). Acum, necesitatea de utilizare a patru fire pentru PoDL este de domeniul trecutului, deoarece SPE poate face acest lucru, pe lângă de transmiterea de date, deschizând calea către domenii complet noi de aplicare pentru Ethernet industrial.

TDK Electronics se specializează în componente care sunt vitale în sectoarele electronice auto și industriale. Un fir comun între toate aceste produse și tehnologii este IIoT și SPE, dintre care single-pair power over Ethernet (SPoE), alimentarea, echipamentele de alimentare (PSE) și dispozitivele Ethernet pentru controler au toate câte un rol.

Analog Devices Inc. – la fel ca TDK Electronics – se află pe punctul de a face IIoT mai rapid și mai fiabil prin echipamente care utilizează controlerul PSE SPoE cu 5 porturi LTC4296-1 (Figura 1), inclusiv sisteme de securitate; sisteme de tehnologie operațională (OT); instrumente de teren și comutatoare; sisteme de automatizare a clădirilor și fabricilor; și sisteme de control al traficului.

Figura 1: Un PSE SPoE conform cu IEEE 802.3cg, care utilizează LTC4296-1, cu unul dintre cele cinci porturi prezentate și unii pini omiși pentru claritate. (Sursa imaginii: Analog Devices Inc.)

LTC4296-1 este un controler PSE, SPoE, cu cinci porturi, conform cu IEEE 802.3cg, care vine într-o capsulă QFN-48 (Figura 2). Prin simplificarea proiectării și instalării cu SPoE și prin utilizarea alimentării standardizate și a transmiterii datelor Ethernet printr-un cablu cu o singură pereche, LTC4296-1 este potrivit pentru interoperabilitatea cu dispozitivele cu alimentare 802.3cg.

Furnizând energie cu ajutorul tranzistoarelor cu efect de câmp de tip metal-oxid-semiconductor (MOSFET) cu canal N (RDS_ON) externe, cu rezistență drenă-sursă scăzută la pornire, LTC4296-1 asigură robustețea aplicației, minimizând în același timp căderile de tensiune.

Figura 2: LTC4296-1 este proiectat pentru o interoperabilitate optimă. (Sursa imaginii: Analog Devices Inc.)

Limitarea analogică a curentului (ACL) poate oferi protecție la scurtcircuit și la anclanșare controlată prin utilizarea disjunctoarelor high-side cu întoarcere. Defecțiunile de inversare a curentului electric și de împământare în aplicațiile neizolate pot fi evitate prin intermediul unui disjunctor opțional low-side, care protejează ieșirea negativă.

De asemenea, pentru a garanta aplicarea tensiunii maxime de funcționare la cablu numai atunci când este prezentă livrarea de energie (PD), este necesară clasificarea PD prin protocolul de clasificare a comunicațiilor seriale (SCCP), menținându-se totodată semnătura tensiunii maxime (MFVS).

Dispozitive precum LTC4296-1 oferă o soluție versatilă SPoE, PSE și pot fi integrate cu ușurință pentru o aplicație optimă de controler.

Obținerea unui trafic de date fără interferențe cu ajutorul inductoarelor

Există diverse inductoare pentru aplicații multiple. Tipurile de inductoare pentru aplicații 10BASE-T1L includ bobine de reactanță în mod comun (CMC), inductoare de izolare (ICI) și inductoare în mod diferențial (DMI).

Inductoarele de izolare din seria ICI70CGI rezolvă problema izolării galvanice între PHY și conector în anumite aplicații. Acestea oferă un raport de cuplare a datelor de 1:1 cu valori ale inductanței de 1,0 mH și 2,2 mH și o tensiune de izolare de 2 250 V_c.c.

Senzorii și actuatoarele pot fi conectate cu PoDL cu o singură pereche de fire, datele și energia fiind transmise prin intermediul acestei linii. Conectorul utilizează bobine speciale în mod diferențial, o componentă electronică pasivă care suprimă zgomotul de înaltă frecvență în circuite, funcționând ca un filtru prin atenuarea zgomotului de mod diferențial. Fie că este vorba de o situație cu sau fără transmisie de energie în timpul utilizării PoDL pentru a implementa SPE industrial, în anumite aplicații este necesară izolarea galvanică între PHY și conector. Inductoarele de izolare, cum ar fi RCM70CGI-471 (Figura 3), oferă un raport de transformare de capacitate 1:1.

Suprimarea interferențelor asimetrice este esențială pentru obținerea unui trafic de date fără interferențe. RCM70CGI-471 se bazează pe standardul IEEE 802.3cg pentru 10BASE-T1L și este o bobină de reactanță în mod comun proiectată pentru un curent maxim de 700 mA la 80 V, cu o valoare a inductanței de 470 µH.

Figura 3: Bobina de reactanță în mod comun RCM70CGI-471 se bazează pe standardul IEEE 802.3cg. (Sursa imaginii: TDK)

Pentru a suprima interferențele în sisteme, este nevoie de o bobină specială în mod diferențial.

Există diferite versiuni care acoperă toate cele șase clase de putere (de la 10 la 15) din seria PID, în conformitate cu IEEE 802.3cg, și curenți de saturație care pot varia de la 360 mA la 2 100 mA.

Plăcile de evaluare PoDL asigură conectivitatea

IIoT necesită o integrare totală a sistemului, asigurând conectivitatea de la dispozitivele finale la camera de control în timpul transmiterii datelor în timp real. SPE va simplifica rețelele, permițând intervale de transmisie de până la 10 Mbps pe distanțe de până la 1 000 m, furnizând, totodată, și energie.

TDK are o varietate de plăci diferite de testare 10BASE-T1L de tip plug-and-play pentru șase clase de putere diferite, dezvoltate pentru a se potrivi cu următoarele plăci de evaluare dintre EVAL-ADIN1100EBZ (Figura 4), EVAL-ADIN1110EBZ și pentru a accelera etapa de proiectare și testare.

Figura 4: SPE va simplifica rețelele, permițând intervale de transmisie de până la 10 Mbps pe distanțe de până la 1 000 m, ilustrate aici în această schemă bloc simplificată cu EVAL-ADIN1100EBZ. (Sursa imaginii: TDK)

Plăci de interfață cu două moduri de funcționare

Ethernet PHY 10BASE-T1L robust, industrial și cu consum redus de energie ADIN1100 de la Analog Devices este conform cu ROHS3, are nivelul 1 de sensibilitate la umiditate (MSL) (nelimitat) și un statut REACH Neafectat care oferă o platformă flexibilă pentru evaluarea rapidă a stratului PHY 10BASE-T1L robust și cu consum redus de energie ADIN1100.

EVAL-ADIN1100EBZ (Figura 5) oferă conexiuni Single Pair Ethernet (SPE) de 10 Mbps cu dispozitivele, pe o distanță considerabilă a cablului, de 1,7 km, cu o placă de evaluare care are două moduri de funcționare, oferind flexibilitate maximă. Setul complet de setări ale registrului ADIN1100, cum ar fi diagnosticarea și diagnosticarea monitorizării calității legăturii, poate fi accesat prin conectarea la un PC cu software-ul GUI ADIN1100.

Figura 5: O placă de evaluare a interfeței PHY Ethernet ADIN1100. (Sursa imaginii: Analog Devices Inc.)

Alternativ, prin setarea comutatoarelor de configurare hardware și a legăturilor, placa EVAL-ADIN1100EBZ poate funcționa în mod autonom. Operatorii pot monitoriza starea ledurilor de la bord, un proces facilitat de interfețele de date și de gestionare ADIN1100, care pot fi configurate cu ușurință pentru a se conecta la un controler gazdă extern, utilizând o placă de evaluare a gestionării alimentării PoE EVAL-SPOE-KIT-AZ LTC4296-1.

Concluzie

Single Pair Ethernet (SPE) de calitate este esențial pentru construirea unei infrastructuri solide și fiabile pentru Internetul industrial al lucrurilor (IIoT).

TDK Electronics, împreună cu Analog Devices Inc., au reputația de a furniza SPE de cea mai înaltă calitate, astfel încât să existe o comunicare ușoară de la cloud la sistemele terestre.