Odporna przemysłowa jednoparowa sieć Ethernet zaczyna się od odpowiednich komponentów

Automatyka zastępuje tradycyjne rozproszone systemy sterowania, a innowacyjna technologia zapewnia oszczędność miejsca i redukcję kosztów przy jednoczesnym podwyższeniu parametrów działania. W fabryce przyszłości niezbędnym komponentem będzie jednoparowa sieć Ethernet (SPE).

Przy budowaniu infrastruktury dla przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) jednoparowa sieć Ethernet (SPE) jest absolutnie niezbędna. Ten nowy standard komunikacji Ethernet do automatyzacji fabryk, budynków i procesów umożliwia wdrażanie zintegrowanych strategii, które są szybsze i bezpieczniejsze.

Tradycyjne protokoły Fieldbus są znane z wrażliwego na czas przesyłu informacji o znaczeniu krytycznym dla zastosowań sterowania w motoryzacji i przemyśle. Jednak wraz z rozwojem liczby aktuatorów i czujników w sieci, tradycyjne protokoły Fieldbus stają się obecnie wąskim gardłem, a sytuację pogarsza wprowadzanie coraz większej liczby łączy, ponieważ nieporęczne kable zajmują zbyt dużo miejsca.

Do tej pory jednoczesne dostarczanie zasilania do urządzeń końcowych za pośrednictwem zasilania przez linie danych (PoDL) potrzebne były dwie pary przewodów miedzianych. Teraz wymóg użycia czterech przewodów do obsługi zasilania przez linie danych (PoDL) to już przeszłość. Jednoparową sieć Ethernet (SPE) można stosować nie tylko do transmisji danych, ale też właśnie zasilania, co otwiera zupełnie nowe obszary zastosowań przemysłowych sieci Ethernet.

Firma TDK Electronics specjalizuje się w komponentach, które są kluczowe dla sektorów elektroniki motoryzacyjnej i przemysłowej. Wspólnym mianownikiem dla wszystkich tych produktów i technologii są jednoparowe sieci Ethernet (SPE) oraz przemysłowy Internet rzeczy (IIoT), przy czym swoją rolę odgrywają też urządzenia jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE), zasilania, urządzenia zasilające (PSE) oraz kontrolery urządzeń Ethernet.

Firmy Analog Devices Inc. oraz TDK Electronics należą do czołówki firm, które odpowiadają za przyspieszanie przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) i zwiększanie jego niezawodności dzięki urządzeniom wykorzystującym 5-portowe kontrolery urządzeń zasilających (PSE) z jednoparowym zasilaniem przez Ethernet (SPoE) LTC4296-1 (ilustracja 1), w tym systemom zabezpieczeń, systemom technologii operacyjnych (OT), przyrządom i przełącznikom polowym, systemom automatyki budynków i fabryk oraz systemom sterowania ruchem ulicznym.

Ilustracja 1: urządzenie zasilające (PSE) z jednoparowym zasilaniem przez Ethernet (SPoE) zgodne z normą IEEE 802.3cg i wykorzystujące urządzenie LTC4296-1. Ukazano jeden z pięciu portów, a niektóre wtyki zostały pominięte dla przejrzystości. (Źródło ilustracji: Analog Devices Inc.)

Urządzenie LTC4296-1 jest 5-portowym kontrolerem urządzenia zasilającego (PSE) zgodnym z normą IEEE 802.3cg, zamkniętym w obudowie QFN-48 (ilustracja 2). Dzięki uproszczeniu projektu i instalacji z jednoparowym zasilaniem przez Ethernet (SPoE) oraz wykorzystaniu znormalizowanego przesyłu zasilania i danych Ethernet za pośrednictwem kabla jednoparowego, urządzenie LTC4296-1 wykazuje dobrą interoperacyjność z urządzeniami zasilanymi w standardzie 802.3cg.

Urządzenie LTC4296-1, dostarczając zasilanie z wykorzystaniem zewnętrznych tranzystorów polowych MOSFET typu metal-tlenek-półprzewodnik z kanałem N o niskiej rezystancji dren-źródło w stanie włączenia (RDS_ON), zapewnia odporność rozwiązania i minimalizuje spadki napięcia.

Ilustracja 2: urządzenie LTC4296-1 zaprojektowano z myślą o optymalnej interoperacyjności. (Źródło ilustracji: Analog Devices Inc.)

Analogowe ograniczanie prądu (ACL) zapewnia zabezpieczenie przeciwzwarciowe i kontrolowane zabezpieczenie przed udarami dzięki wykorzystaniu wyłączników automatycznych po stronie wysokiej z podcięciem. Zwarciom doziemnym i prądom wstecznym w zastosowaniach nieizolowanych można zapobiec, stosując opcjonalny wyłącznik automatyczny po stronie niskiej, chroniący wyjście ujemne.

Ponadto, aby zapewnić podawanie pełnego napięcia roboczego do kabla tylko wtedy, gdy używana jest technologia Power Delivery (PD), konieczna jest klasyfikacja PD za pomocą protokołu klasyfikacji komunikacji szeregowej (SCCP) wraz z zachowaniem sygnatury pełnego napięcia (MFVS).

Urządzenia LTC4296-1 stanowią uniwersalne rozwiązanie jednoparowego zasilania przez Ethernet (SPoE) do urządzeń zasilających (PSE) i można je łatwo zintegrować w celu uzyskania optymalnego zastosowania kontrolera.

Zapewnienie przesyłu danych bez zakłóceń dzięki cewkom indukcyjnym

Istnieją różne cewki indukcyjne do wielu zastosowań. Typy cewek indukcyjnych do zastosowań 10BASE-T1L obejmują dławiki sygnałów wspólnych (CMC), izolacyjne cewki indukcyjne (ICI) oraz cewki indukcyjne trybu różnicowego (DMI).

Izolacyjne cewki indukcyjne z serii ICI70CGI rozwiązują problem izolacji galwanicznej pomiędzy warstwą fizyczną (PHY) a złączem w niektórych zastosowaniach. Oferują one stosunek sprzężenia danych 1:1, wartości indukcyjności 1,0mH i 2,2mH oraz napięcie izolacji 2250V₌.

Możliwe jest podłączenie czujników i aktuatorów z zasilaniem przez linie danych (PoDL) za pomocą tylko jednej pary przewodów, realizując przesyłanie danych i zasilania za pośrednictwem tej linii. Złącze wykorzystuje specjalne dławiki różnicowe, czyli pasywne komponenty elektroniczne, które tłumią szumy wysokiej częstotliwości w obwodach, działając jako filtr tłumiący szumy sygnałów różnicowych. Niezależnie od tego, czy w danej sytuacji mamy do czynienia z przesyłaniem zasilania, czy też nie, podczas wdrażania przemysłowej jednoparowej sieci Ethernet (SPE) z użyciem zasilania przez linie danych (PoDL), w niektórych zastosowaniach wymagana jest izolacja galwaniczna między warstwą fizyczną (PHY) a złączem. Izolacyjne cewki indukcyjne, takie jak RCM70CGI-471 (ilustracja 3), oferują przekładnię transformatorową 1:1.

Tłumienie zakłóceń asymetrycznych ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wolnego od zakłóceń przesyłu danych. Urządzenie RCM70CGI-471 bazuje na normie IEEE 802.3cg dotyczącej standardu 10BASE-T1L i jest dławikiem sygnałów wspólnych o indukcyjności 470µH, zaprojektowanym dla maksymalnego prądu 700mA przy 80V.

Ilustracja 3: dławik sygnałów wspólnych RCM70CGI-471 bazuje na normie IEEE 802.3cg. (Źródło ilustracji: TDK)

Aby stłumić zakłócenia w układach, wymagane są specjalne dławiki trybu różnicowego.

Seria PID zawiera różne wersje, które obejmują wszystkie sześć klas mocy (od 10 do 15) zgodnie z normą IEEE 802.3cg., a ich prądy nasycenia mogą wahać się od 360mA do 2100mA.

Płytki ewaluacyjne zasilania przez linie danych (PoDL) zapewniają łączność

Przemysłowy Internet rzeczy (IIoT) wymaga całkowitej integracji systemów, zapewniającej łączność urządzeń końcowych ze sterowniami z wykorzystaniem transmisji danych w czasie rzeczywistym. Jednoparowe sieci Ethernet (SPE) upraszczają architekturę sieci, umożliwiając transmisje danych dochodzące do 10Mbps na odległości do 1000m, przy jednoczesnym dostarczaniu zasilania.

Firma TDK oferuje różnorodne gotowe do natychmiastowego użycia płytki testowe 10BASE-T1L, przeznaczone do sześciu różnych klas mocy i opracowane z myślą o następujących płytkach ewaluacyjnych: EVAL-ADIN1100EBZ (ilustracja 4), EVAL-ADIN1110EBZ, co przyspiesza projektowanie i etap testowania.

Ilustracja 4: jednoparowe sieci Ethernet (SPE) upraszczają architekturę sieci, umożliwiając transmisje danych dochodzące do 10Mbps na odległości do 1000m. Na ilustracji przedstawiono uproszczony schemat blokowy urządzenia EVAL-ADIN1100EBZ. (Źródło ilustracji: TDK)

Płytki interfejsu z dwoma trybami pracy

Odporna przemysłowa warstwa fizyczna (PHY) niskiej mocy 10BASE-T1L ADIN1100 firmy Analog Devices jest zgodna z dyrektywą ROHS3, posiada 1. poziom wrażliwości na wilgoć (MSL) (nieograniczony). Nie podlega ona rozporządzeniu REACH i stanowi elastyczną platformę do szybkiej ewaluacji odpornej warstwy fizycznej (PHY) niskiej mocy 10BASE-T1L ADIN1100.

Urządzenie EVAL-ADIN1100EBZ (ilustracja 5) łączy się przez jednoparową sieć Ethernet (SPE) po kablu z prędkością 10Mbps z urządzeniami znajdującymi się w odległości 1,7km oraz jest wyposażone w płytkę ewaluacyjną posiadającą dwa tryby pracy, co zapewnia maksymalną elastyczność. Dostęp do pełnego zestawu ustawień rejestrów ADIN1100, takich jak diagnostyka i monitorowanie jakości łącza, można uzyskać po podłączeniu do komputera PC za pomocą oprogramowania z graficznym interfejsem użytkownika (GUI) urządzenia ADIN1100.

Ilustracja 5: płytka ewaluacyjna interfejsu warstwy fizycznej (PHY) Ethernet ADIN1100. (Źródło ilustracji: Analog Devices Inc.)

Dzięki ustawieniu przełączników i łączy konfiguracji sprzętowej, płytka EVAL-ADIN1100EBZ może również działać w trybie autonomicznym. Operatorzy mogą monitorować status za pomocą wbudowanych diod LED, co umożliwiają interfejsy danych i zarządzania ADIN1100, które można łatwo skonfigurować do łączenia z zewnętrznym kontrolerem hosta z wykorzystaniem płytki ewaluacyjnej do zarządzania zasilaniem przez Ethernet (PoE) EVAL-SPOE-KIT-KIT-AZ LTC4296-1.

Podsumowanie

Wysokiej jakości jednoparowa sieć Ethernet (SPE) ma kluczowe znaczenie dla budowy solidnej i niezawodnej infrastruktury dla przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT).

Firmy TDK Electronics wraz z Analog Devices Inc. znane są z najnowocześniejszych rozwiązań w dziedzinie jednoparowych sieci Ethernet (SPE), umożliwiających łatwą komunikację z chmury do infrastruktury lokalnej.