Ein robustes industrielles Single Pair Ethernet beginnt mit den richtigen Komponenten
Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von DigiKey
2024-12-13
Automatisierung ersetzt herkömmliche verteilte Regelsysteme und innovative Technologien sorgen für Platz- und Kosteneinsparungen bei gleichzeitig verbesserter Performance. Für die Fabrik der Zukunft ist Single Pair Ethernet (SPE) eine wesentliche Komponente, um dies zu realisieren.
Beim Aufbau der Infrastruktur für das industrielle Internet der Dinge (IIoT) ist SPE absolut notwendig. Dieser neue Ethernet-Kommunikationsstandard für die Fabrik-, Gebäude- und Prozessautomatisierung ermöglicht den Einsatz von integrierten Strategien, die schneller und sicherer sind.
Herkömmliche Feldbusprotokolle sind für die zeitkritische Übertragung von Informationen bekannt, die für Automobil- und industrielle Steuerungsanwendungen entscheidend sind. Mit der zunehmenden Anzahl von Aktoren und Sensoren im Netzwerk stellen die traditionellen Feldbusprotokolle jedoch einen Engpass dar, der sich noch verschärft, wenn mehr Verbindungen eingeführt werden, da die sperrigen Feldbuskabel zu viel Platz beanspruchen.
Bislang waren für die gleichzeitige Stromversorgung von Endgeräten über eine Power-over-Data-Line (PoDL) zwei Kupferdrahtpaare erforderlich. Vier Drähte für PoDL gehören nun der Vergangenheit an, denn SPE kann dies zusätzlich zur Datenübertragung und eröffnet damit völlig neue Anwendungsfelder für das industrielle Ethernet.
TDK Electronics ist auf Bauelemente spezialisiert, die in der Automobil- und Industrieelektronik unerlässlich sind. Ein gemeinsamer Nenner all dieser Produkte und Technologien ist das IIoT und SPE, wobei Single-Pair-Power-over-Ethernet (SPoE), Strom, Power Sourcing Equipment (PSE) und Ethernet-Controller alle eine Rolle spielen.
Analog Devices Inc. ist - ebenso wie TDK Electronics - eines der führenden Unternehmen bei der Entwicklung von Geräten, die das IIoT schneller und zuverlässiger machen und den 5-Port-SPoE-PSE-Controller LTC4296-1 (Abbildung 1) verwenden, darunter Sicherheitssysteme, OT-Systeme (Operational Technology), Feldinstrumente und Schalter, Gebäude- und Fabrikautomatisierungssysteme sowie Verkehrsleitsysteme.
Abbildung 1: Ein IEEE-802.3cg-konformes SPoE-PSE mit dem LTC4296-1, wobei einer der fünf Ports gezeigt wird und einige Pins aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurden. (Bildquelle: Analog Devices Inc.)
Der LTC4296-1 von ADI ist ein IEEE-802.3cg-konformer Single-Pair-Power-over-Ethernet-Controller (SPoE-Controller) für Stromversorgungsausrüstung (power supply equiment, PSE) mit fünf Ports. Durch die Vereinfachung des Designs und der Installation mit SPoE und die Verwendung von standardisierter Stromversorgung und Ethernet-Daten über ein einpaariges Kabel ist der LTC4296-1 für die Interoperabilität mit 802.3cg-betriebenen Geräten bestens geeignet.
Der LTC4296-1 verwendet externe N-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) mit niedrigem Drain-Source-Durchlasswiderstand (RDSON) zur Stromversorgung und gewährleistet dadurch eine hohe Robustheit der Anwendung bei gleichzeitig minimalen Spannungseinbrüchen.
Abbildung 2: Der LTC4296-1 ist für optimale Interoperabilität ausgelegt. (Bildquelle: Analog Devices Inc.)
Die analoge Strombegrenzung (ACL) kann Kurzschluss- und kontrollierten Einschaltstromschutz bieten, indem sie High-Side-Schutzschalter mit Foldback verwendet. Rückkopplungs- und Erdungsfehler in nicht isolierten Anwendungen können durch einen optionalen Low-Side-Schutzschalter vermieden werden, der den negativen Ausgang schützt.
Um sicherzustellen, dass die volle Betriebsspannung nur dann am Kabel anliegt, wenn die Stromversorgung (PD) vorhanden ist, ist außerdem eine PD-Klassifizierung über das serielle Kommunikationsklassifizierungsprotokoll (SCCP) zusammen mit der Aufrechterhaltung der vollen Spannungssignatur (MFVS) erforderlich.
Bausteine wie der LTC4296-1 bieten eine vielseitige SPoE- und PSE-Lösung und lassen sich für eine optimale Steuerungsanwendung leicht integrieren.
Mit Drosseln störungsfreien Datenverkehr erreichen
Es gibt verschiedene Drosseln für unterschiedliche Anwendungen. Zu den Drosseltypen für 10BASE-T1L-Anwendungen gehören Gleichtaktdrosseln (CMCs), Isolationsdrosseln (ICI) und Differenzdrosseln (DMIs).
Die Isolationsdrosseln der Serie ICI70CGI lösen das Problem der galvanischen Trennung zwischen PHY und Steckverbinder in bestimmten Anwendungen. Sie bieten ein Datenkopplungsverhältnis von 1:1 mit Induktivitätswerten von 1,0 mH und 2,2 mH und einer Isolationsspannung von 2250 VDC.
Es ist möglich, Sensoren und Aktoren mit PoDL über nur ein Adernpaar anzuschließen und die Daten- und Energieübertragung über diese Leitung zu realisieren. Der Steckverbinder verwendet spezielle Differenzdrosseln, ein passives elektronisches Bauteil, das hochfrequentes Rauschen in Schaltungen unterdrückt und als Filter fungiert, indem es das Differenzrauschen dämpft. Unabhängig davon, ob es sich um eine Situation mit oder ohne Energieübertragung handelt, wenn PoDL zur Implementierung von industrieller SPE verwendet wird, ist in bestimmten Anwendungen eine galvanische Trennung zwischen dem PHY und dem Steckverbinder erforderlich. Isolationsdrosseln wie die RCM70CGI-471 (Abbildung 3) bieten ein Übertragungsverhältnis von 1:1.
Die Unterdrückung asymmetrischer Störungen ist entscheidend für einen störungsfreien Datenverkehr. Die RCM70CGI-471 basiert auf dem IEEE802.3cg-Standard für 10BASE-T1L und ist eine Gleichtaktdrossel, die für einen maximalen Strom von 700 mA bei 80 V ausgelegt ist, mit einem Induktivitätswert von 470 µH.
Abbildung 3: Die Gleichtaktdrossel RCM70CGI-471 basiert auf dem Standard IEEE 802.3cg. (Bildquelle: TDK)
Um Störungen in den Systemen zu unterdrücken, ist eine spezielle Differenzdrossel erforderlich.
Es gibt verschiedene Versionen, die alle sechs Leistungsklassen (10 bis 15) der PID-Serie gemäß IEEE 802.3cg. abdecken und Sättigungsströme von 360 mA bis 2100 mA liefern können.
PoDL-Evaluierungsboards gewährleisten Vernetzbarkeit
Das IIoT erfordert eine vollständige Systemintegration, die die Verbindung von Endgeräten zum Kontrollraum bei der Datenübertragung in Echtzeit sicherstellt. SPE wird Netzwerke vereinfachen, indem es Übertragungsbereiche von bis zu 10 Mbit/s über Entfernungen von bis zu 1000 m bei gleichzeitiger Stromversorgung ermöglicht.
TDK hat eine Vielzahl verschiedener 10BASE-T1L-Plug&Play-Testboards für sechs verschiedene Leistungsklassen entwickelt, die zu den Evaluierungsboards EVAL-ADIN1100EBZ (Abbildung 4) bis EVAL-ADIN1110EBZ passen und die Design- und Testphase beschleunigen.
Abbildung 4: SPE vereinfacht Netzwerke und ermöglicht Übertragungsbereiche von bis zu 10 Mbit/s über Entfernungen von bis zu 1000 m, wie hier in diesem vereinfachten Blockdiagramm des EVAL-ADIN1100EBZ dargestellt. (Bildquelle: TDK)
Schnittstellenkarten mit zwei Betriebsarten
Der robuste, industrielle, stromsparende 10BASE-T1L-Ethernet-PHY ADIN1100 von Analog Devices ist ROHS3-konform, hat einen Feuchtigkeitsempfindlichkeitsgrad (MSL) von 1 (unbegrenzt) und einen REACH-Unaffected-Status, der eine flexible Plattform für die schnelle Bewertung des robusten, stromsparenden 10BASE-T1L-PHY ADIN1100 bietet.
Das EVAL-ADIN1100EBZ (Abbildung 5) bietet 10-Mbit/s-Single-Pair-Ethernet-Verbindungen mit Geräten über eine beachtliche Entfernung von 1,7 km Kabel mit einer Evaluierungsplatine, die über zwei Betriebsmodi verfügt und somit maximale Flexibilität bietet. Auf alle ADIN1100-Registereinstellungen, wie z. B. Diagnose und Überwachung der Verbindungsqualität, kann zugegriffen werden, wenn ein PC über die GUI-Software mit der ADIN1100 verbunden ist.
Abbildung 5: Ein Evaluierungsboard für die Ethernet-PHY-Schnittstelle ADIN1100. (Bildquelle: Analog Devices Inc.)
Alternativ kann das Board EVAL-ADIN1100EBZ durch Setzen von Hardware-Konfigurationsschaltern und -Brücken im Standalone-Modus betrieben werden. Über die Daten- und Managementschnittstellen des ADIN1100 kann der Status der On-Board-LEDs überwacht werden, die sich mit Hilfe des PoE-Energiemanagement-Evaluierungsboards EVAL-SPOE-KIT-AZ LTC4296-1 leicht für den Anschluss an einen externen Host-Controller konfigurieren lassen.
Fazit
Hochwertiges Single Pair Ethernet (SPE) ist entscheidend für den Aufbau einer soliden, zuverlässigen Infrastruktur für das industrielle Internet der Dinge (IIoT).
TDK Electronics und Analog Devices Inc. sind dafür bekannt, SPE der Spitzenklasse zu liefern, so dass eine problemlose Kommunikation von der Cloud bis hierher auf die Erde möglich ist.

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