Az erős ipari egy érpáros Ethernet a megfelelő alkatrészekkel kezdődik

A hagyományos elosztott vezérlőrendszereket felváltja az automatizálás, és az új technika helytakarékosságot és költségcsökkentést kínál, miközben még nagyobb teljesítményt is nyújt. A jövő gyáraiban elengedhetetlen ennek megvalósításához az egy érpáros Ethernet (SPE, Single Pair Ethernet) használata.

Az ipari dolgok internete (IIoT, Industrial Internet of Things) infrastruktúrájának kiépítésekor feltétlenül szükség van az egy érpáros Ethernetre. Ez a gyár-, épület- és folyamatautomatizálást célzó új Ethernet kommunikációs szabvány lehetővé teszi a gyorsabb és biztonságosabb egyesített eljárások bevezetését.

A hagyományos Fieldbus protokollokat elterjedten használják a gépjárműipari és ipari vezérlés területén a nagy fontosságú adatok időérzékeny átvitelére. A hálózatban lévő működtetőelemek és érzékelők számának növekedésével azonban a hagyományos Fieldbus protokollok már most szűk keresztmetszetet jelentenek, és ez csak súlyosbodik, ha még több kapcsolatot kezdenek használni, mivel a terjedelmes Fieldbus-kábelek túl sok helyet foglalnak.

Eddig a végberendezéseknek a PoDL (Power over Data Line, adatkábelen át történő áramellátás) útján történő, az adatátvitellel egyidejű áramellátásához két pár rézvezetékre volt szükség. A PoDL-hez szükséges négy vezeték már a múlté, mivel az egy érpáros Ethernet az adatátvitel mellett áramellátásra is képes, ami teljesen új felhasználási területeket nyit meg az ipari Ethernet előtt.

A TDK Electronics a gépjárműiparban és az ipari elektronikai szektorban létfontosságú alkatrészekre szakosodott. Mindezen termékek és technikák közös vonala az IIoT és az SPE, de az SPoE (single-pair power over Ethernet, egy érpáros ethernetes áramellátás), az áramellátás, az áramellátó berendezések (PSE, power sourcing equipment) és az ethernetes vezérlőeszközök is mind jelentős szerepet játszanak.

Az Analog Devices Inc. – a TDK Electronicshoz hasonlóan – élen jár az ipari dolgok internetének gyorsabbá és megbízhatóbbá tételében az LTC4296-1 5 portos SPoE PSE-vezérlőt (1. ábra) használó berendezések révén, beleértve a biztonsági rendszereket, az üzemeltetéshez szükséges műszaki (OT, operational technology) rendszereket, a helyi műszereket és kapcsolókat, az épület- és gyárautomatizálási, valamint a forgalomirányító rendszereket.

1. ábra: Az LTC4296-1 vezérlőegységet használó, IEEE 802.3cg-kompatibilis, egy érpáros ethernetes áramellátást kínáló áramellátó berendezés (SPoE PSE). Az öt portból egy látható, néhány érintkező pedig az áttekinthetőség kedvéért lemaradt a kapcsolási rajzról (ábra: Analog Devices Inc.)

Az LTC4296-1 egy IEEE 802.3cg-kompatibilis ötportos vezérlőegység egy érpáros ethernetes áramellátást kínáló áramellátó berendezéshez (SPoE PSE, single-pair power over Ethernet power sourcing equipment), QFN-48 tokozásban (2. ábra). A tervezés és a telepítés egy érpáros ethernetes áramellátással történő egyszerűsítése, valamint az áramellátás és az Ethernet-adatok egy érpáros kábelen keresztül történő szabványosított továbbítása révén az LTC4296-1 jól használható az IEEE 802.3cg szabványnak megfelelő áramellátású eszközökkel való együttműködésre.

Az LTC4296-1 kis nyelő–forrás nyitóirányú (R_DSON) ellenállású n csatornás külső MOSFET-ek segítségével oldja meg, hogy az eszköz strapabíró legyen, és csökkenti egyúttal minimálisra a feszültségeséseket.

2. ábra: Az LTC4296-1 optimális együttműködést tesz lehetővé (kép: Analog Devices Inc.)

Az analóg áramkorlátozás (ACL, analog current limit) segítségével rövidzár- és szabályozott indulóáram-védelem érhető el visszahajló áramkarakterisztikájú magasoldali megszakítókat használva. A leválasztás nélküli eszközökben a visszáramok és a földzárlatok elkerülhetők egy külön beépíthető külső alacsonyoldali megszakítóval, amely a negatív kimenetet védi.

Emellett annak biztosítására, hogy a teljes üzemi feszültség csak akkor kerüljön a kábelre, amikor van áramellátás (PD, power delivery), az SCCP protokollon (serial communication classification protocol, soros kommunikációjú besorolóprotokoll) keresztül történő áramellátás-besorolásra és „a teljes feszültség fenntartása” aláírásra (MFVS, maintain full voltage signature) van szükség.

Az olyan eszközök, mint az LTC4296-1, sokoldalú SPoE PSE megoldást nyújtanak, és könnyen beépíthetők az optimális vezérlőeszközökbe.

Zavarmentes adatforgalom elérése tekercsekkel

A különféle felhasználási területekre sokféle tekercs létezik. A 10BASE-T1L eszközökbe való tekercstípusok közé tartoznak a közös módusú fojtótekercsek (CMC, common-mode choke), a leválasztótekercsek (ICI, isolation inductor) és a különbségi módusú vagy differenciálmódusú tekercsek (DMI, differential mode inductor).

Az ICI70CGI sorozatú leválasztótekercsek bizonyos felhasználási területeken megoldják a PHY (fizikai réteg) és a csatlakozó közötti galvanikus leválasztás problémáját. Ezek 1:1 adatcsatolási arányt kínálnak 1,0 mH és 2,2 mH közötti induktivitásértékekkel és 2250 V átütési egyenfeszültséggel (V_DC).

A PoDL segítségével az érzékelők és működtetőelemek egyetlen érpárral csatlakoztathatók, és ezen az egy vonalon keresztül megvalósítható az adat- és energiaátvitel is. A csatlakozó különleges különbségi módusú fojtótekercseket használ. Ez egy passzív elektronikai alkatrész, amely elnyomja az áramkörökben a nagyfrekvenciás zajt, és szűrőként működik, csillapítva a különbségi módusú zajt. Függetlenül attól, hogy az ipari SPE megvalósítása esetén áramátvitelről van-e szó a PoDL használata során vagy nem, bizonyos felhasználási területeken galvanikus leválasztásra van szükség a PHY és a csatlakozó között. Az olyan leválasztótekercsek, mint az RCM70CGI-471 (3. ábra), 1:1 transzformálási arányt kínálnak.

A zajmentes adatforgalom eléréséhez rendkívül fontos az aszimmetrikus zaj elnyomása. Az RCM70CGI-471 a 10BASE-T1L Ethernethez kidolgozott IEEE 802.3cg szabványon alapul, és egy közös módusú fojtótekercs, amelyet 80 V mellett 700 mA legnagyobb áramerősségre terveztek, 470 µH induktivitásértékkel.

3. ábra: Az RCM70CGI-471 közös módusú fojtótekercs az IEEE 802.3cg szabványon alapul (kép: TDK)

A rendszerzaj elnyomása érdekében különleges különbségi módusú fojtótekercsekre van szükség.

A PID sorozat által lefedett mind a hat (az IEEE 802.3cg szabvány szerinti 10-estől 15-ösig terjedő) teljesítményosztályban többféle változat áll rendelkezésre, 360 mA és 2100 mA közötti telítési áramerősségekkel.

A PoDL-fejlesztőkártyák biztosítják a csatlakoztathatóságot

Az ipari dolgok internete teljes rendszer-összeépítést igényel, valós idejű adatátvitel mellett biztosítva a kapcsolódást a végberendezésektől a vezérlőteremig. Az SPE leegyszerűsíti a hálózatokat, lehetővé téve az akár 10 Mb/s sebességű adatátvitelt akár 1000 m-es távolságig, egyidejűleg áramellátást is szolgáltatva.

A TDK többféle csatlakoztatás után azonnal használható 10BASE-T1L tesztkártyát kínál hat különböző teljesítményosztályhoz. Ezeket az EVAL-ADIN1100EBZ (4. ábra) és az EVAL-ADIN1110EBZ fejlesztőkártyához fejlesztették ki, és felgyorsítják a tervezési és a tesztelési szakaszt.

4. ábra: Az egy érpáros Ethernet (SPE) egyszerűsíti a hálózatokat, lehetővé téve az akár 10 Mb/s sebességű adatátvitelt akár 1000 m-es távolságig, ahogyan ez az EVAL-ADIN1100EBZ egyszerűsített blokkvázlatán látható (ábra: TDK)

Kétféle üzemmódú illesztőkártyák

Az Analog Devices ADIN1100 strapabíró, ipari, kis fogyasztású 10BASE-T1L Ethernet PHY fizikai réteg ROHS3-kompatibilis, 1-es (korlátozás nélküli) a nedvességérzékenységi szintje (MSL, moisture sensitivity level), és a REACH Unaffected (Nem tartozik a REACH hatálya alá) minősítés rugalmas platformot biztosít az eszköz gyors értékeléséhez.

Az EVAL-ADIN1100EBZ (5. ábra) az eszközökkel való 10 Mb/s sebességű egy érpáros ethernetes (SPE) kapcsolatot kínál jelentős, 1,7 km-es kábeltávolságig, és a fejlesztőkártyának kétféle üzemmódja van, ami maximális rugalmasságot tesz lehetővé. Ha az ADIN1100 GUI grafikus felhasználói felületű szoftverrel számítógéphez csatlakoztatják, az ADIN1100 regiszterbeállításainak teljes készlete elérhető, például a diagnosztika és a kapcsolatminőség-figyelő diagnosztika is.

5. ábra: Az ADIN1100 Ethernet PHY-illesztő-értékelő kártya (kép: Analog Devices Inc.)

Alternatív megoldásként a hardveres beállítókapcsolók és csatolások beállításával az EVAL-ADIN1100EBZ kártya önálló üzemmódban is működhet. A kezelők figyelemmel kísérhetik, hogy milyen állapotot jeleznek a beépített LED-ek. Ezt megkönnyítik az ADIN1100 adattovábbító és felügyeleti illesztői, amelyeket egyszerűen be lehet állítani arra, hogy az EVAL-SPOE-KIT-AZ LTC4296-1 PoE áramellátás-figyelő fejlesztőkártya felhasználásával egy külső központi vezérlőegységhez csatlakozzanak.

Összegzés

Az ipari dolgok internete (IIoT, Industrial Internet of Things) esetében elengedhetetlen a stabil, megbízható infrastruktúra kiépítéséhez a minőségi egy érpáros Ethernet (SPE) használata.

A TDK Electronics és az Analog Devices Inc. hírnevet szerzett azzal, hogy a legjobb minőségű egy érpáros Ethernetet kínálják, így egyszerűen lehet kommunikálni a felhő és a föld között.