Una robusta tecnologia Single-Pair Ethernet industriale inizia con i componenti giusti

L'automazione sta sostituendo i tradizionali sistemi di controllo distribuiti e la tecnologia innovativa consente di risparmiare spazio e ridurre i costi, offrendo al contempo prestazioni migliori. Single Pair Ethernet (SPE) è un componente essenziale per fabbrica del futuro.

Quando si costruisce un'infrastruttura per l'Internet delle cose industriale (IIoT), la tecnologia SPE è assolutamente necessaria. Questo nuovo standard di comunicazione Ethernet per l'automazione di fabbrica, degli edifici e dei processi consente di implementare strategie integrate più rapide e sicure.

I protocolli Fieldbus tradizionali sono riconosciuti per il trasferimento di informazioni sensibili al fattore tempo di importanza critica per le applicazioni di controllo automotive e industriale. Tuttavia, con l'aumento degli attuatori e dei sensori nella rete, i protocolli Fieldbus tradizionali sono diventati un collo di bottiglia, che si aggrava con l'introduzione di altri collegamenti poiché gli ingombranti cavi Fieldbus occupano troppo spazio.

Finora erano necessarie due coppie di fili di rame per l'erogazione simultanea di energia ai dispositivi finali tramite Power over Data Line (PoDL). Ora la necessità di avere quattro fili per PoDL è un ricordo del passato, poiché SPE può svolgere questa funzione in aggiunta alla trasmissione dati, aprendo campi di applicazione completamente nuovi per Industrial Ethernet.

TDK Electronics è specializzata in componenti fondamentali per i settori dell'elettronica automotive e industriale. Un filo conduttore tra tutti questi prodotti e tecnologie è rappresentato da IIoT e SPE, di cui fanno parte i dispositivi SPoE (Single-pair Power over Ethernet), l'alimentazione, le apparecchiature di alimentazione o PSE (Power Sourcing Equipment) e i controller Ethernet.

Analog Devices Inc., come TDK Electronics, è all'avanguardia nel rendere l'IIoT più veloce e più affidabile grazie alle apparecchiature che utilizzano il controller PSE SPoE a 5 porte LTC4296-1 (Figura 1), quali sistemi di sicurezza, sistemi di tecnologia operativa (OT), interruttori e strumenti da campo, sistemi di automazione di edifici e fabbriche e sistemi di controllo del traffico.

Figura 1: Un PSE SPoE conforme a IEEE 802.3cg che utilizza LTC4296-1, con illustrata una delle cinque porte ma con alcuni pin omessi per chiarezza. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

LTC4296-1 è un controller PSE SPoE a cinque porte conforme a IEEE 802.3cg, disponibile in un contenitore QFN-48 (Figura 2). Semplificando la progettazione e l'installazione con SPoE e utilizzando alimentazione e dati Ethernet standardizzati su un cavo a una coppia, LTC4296-1 è adatto all'interoperabilità con i dispositivi alimentati da 802.3cg.

Erogando potenza tramite transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) a canale N a bassa resistenza nello stato On (RDSon) drain/source esterni, LTC4296-1 assicura la robustezza dell'applicazione riducendo al minimo le cadute di tensione.

Figura 2: LTC4296-1 è progettato per l'interoperabilità ottimale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il limite di corrente analogico (ACL) può fornire protezione controllata da inserzione e cortocircuito utilizzando interruttori automatici high-side con foldback. I guasti di backfeed e i guasti verso terra nelle applicazioni non isolate possono essere evitati grazie a un interruttore automatico low-side opzionale, che protegge l'uscita negativa.

Inoltre, per assicurare che la tensione di funzionamento completa sia applicata al cavo solo quando è presente l'erogazione di potenza (PD), sono necessari la classificazione PD tramite il protocollo di classificazione della comunicazione seriale (SCCP) nonché la firma della tensione di funzionamento completa (MFVS).

I dispositivi come LTC4296-1 offrono una soluzione PSE SPoE versatile e possono essere facilmente integrati per un'applicazione di controllo ottimale.

Ottenere traffico dati senza interferenze con gli induttori

Esistono diversi induttori per molteplici applicazioni. I tipi di induttori per applicazioni 10BASE-T1L comprendono bobine di arresto di modo comune (CMC), induttori di isolamento (ICI) e induttori di modo differenziale (DMI).

Gli induttori di isolamento serie ICI70CGI risolvono il problema dell'isolamento galvanico tra PHY e connettore in alcune applicazioni. Offrono un rapporto di accoppiamento dati di 1:1 con valori di induttanza di 1,0 mH e 2,2 mH e una tensione di isolamento di 2250 V_c.c..

È possibile collegare sensori e attuatori con PoDL con una sola coppia di fili, realizzando la trasmissione di dati ed energia attraverso questa linea. Il connettore utilizza speciali bobine di arresto di modo differenziale, un componente elettronico passivo che sopprime il rumore ad alta frequenza nei circuiti, funzionando come un filtro attenuando il rumore di modo differenziale. Che si tratti di una situazione con o senza trasmissione di energia mentre si utilizza PoDL per implementare SPE industriale, in applicazioni specifiche è necessario l'isolamento galvanico tra il PHY e il connettore. Induttori di isolamento come RCM70CGI-471 (Figura 3) offrono un rapporto di trasformazione di 1:1.

La soppressione delle interferenze asimmetriche è fondamentale per ottenere un traffico dati privo di interferenze. RCM70CGI-471 è basato sullo standard IEEE 802.3cg per 10BASE-T1L ed è una bobina di arresto di modo comune progettata per una corrente massima di 700 mA a 80 V, con un valore di induttanza di 470 µH.

Figura 3: La bobina di arresto di modo comune RCM70CGI-471 è basata sullo standard IEEE 802.3cg. (Immagine per gentile concessione di TDK )

Per sopprimere le interferenze nei sistemi, è necessaria una speciale bobina di arresto di modo differenziale.

Esistono diverse versioni che coprono tutte le sei classi di potenza (da 10 a 15) nella serie PID, secondo IEEE 802.3cg., e correnti di saturazione che possono variare da 360 mA a 2100 mA.

Le schede di valutazione PoDL assicurano la connettività

L'IIoT richiede un'integrazione totale del sistema, assicurando la connettività dai dispositivi finali alla sala di comando con trasmissione dei dati in tempo reale. SPE semplificherà le reti, consentendo velocità di trasmissione fino a 10 Mbps su distanze fino a 1.000 m e fornendo contemporaneamente l'alimentazione.

TDK dispone di una serie di schede di test 10BASE-T1L plug-and-play per sei diverse classi di potenza, sviluppate per adattarsi alle seguenti schede di valutazione EVAL-ADIN1100EBZ (Figura 4), EVAL-ADIN1110EBZ e accelerare la fase di progettazione e test.

Figura 4: SPE semplificherà le reti, consentendo velocità di trasmissione fino a 10 Mbps su distanze fino a 1.000 m, come mostrato in questo schema a blocchi semplificato di EVAL-ADIN1100EBZ. (Immagine per gentile concessione di TDK )

Schede di interfaccia con due modalità di funzionamento

Il PHY Ethernet 10BASE-T1L robusto, industriale e a bassa potenza ADIN1100 di Analog Devices è a norma ROHS3, ha un livello di sensibilità all'umidità (MSL) di 1 (illimitato) e uno stato Non interessato da REACH che presenta una piattaforma flessibile per la valutazione rapida del robusto PHY 10BASE-T1L ADIN1100 di Analog Devices.

EVAL-ADIN1100EBZ (Figura 5) offre connessioni Single-Pair Ethernet (SPE) a 10 Mbps con dispositivi su una distanza considerevole di 1,7 km di cavo, con una scheda di valutazione dotata di due modalità di funzionamento che offre la massima flessibilità. L'intera serie di impostazioni di registro di ADIN1100, come la diagnostica e il monitoraggio della qualità del collegamento, è accessibile quando si è collegati a un PC con il software di interfaccia grafica utente di ADIN1100.

Figure 5: Scheda di valutazione interfaccia Ethernet PHY ADIN1100. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In alternativa, impostando i collegamenti e gli interruttori di configurazione hardware, la scheda EVAL-ADIN1100EBZ può funzionare in modalità standalone. Gli operatori possono monitorare i LED di bordo per verificarne lo stato, grazie alle interfacce dati e di gestione di ADIN1100, che possono essere agevolmente configurate per collegarsi a un controller host esterno, utilizzando una scheda di valutazione della gestione dell'alimentazione PoE EVAL-SPOE-KIT-AZ LTC4296-1.

Conclusione

La tecnologia Single-Pair Ethernet (SPE) di qualità è fondamentale per costruire un'infrastruttura solida e affidabile per l'Internet delle cose industriale (IIoT).

TDK Electronics e Analog Devices Inc. hanno la reputazione di fornire SPE di altissimo livello, in modo da facilitare la comunicazione dal cloud a qui sulla Terra.