Wesentliche Komponenten für die Entwicklung von Single-Pair-Ethernet-Anwendungen

Der globale Markt für das industrielle IoT (IIoT) wird bis 2029 voraussichtlich jährlich zweistellig auf 59,6 Milliarden US-Dollar wachsen, da Hersteller und Lösungsanbieter versuchen, immer mehr Maschinen und Sensoren mit dem Internet zu verbinden, um eine stärkere Automatisierung, Echtzeitüberwachung und Datenerhebung zu erreichen. Die SPE-Technologie (Single Pair Ethernet) bietet neue Möglichkeiten, diese Nachfrage für Anwendungen wie Sensoren, Aktoren, Kameras, Displays, Steuerungen, Gateways und Switches zu nutzen.

Die Arbeitsgruppe, die den IEEE802.3cg-Standard für 10 Mbit/s SPE entwickelt hat, konzentrierte sich darauf, die „Ethernet-Lücke“ am Rande der industriellen Netzwerke (auch „Edge“ genannt) zu schließen. Hier dominieren nicht auf Ethernet basierende Feldbusse die Verbindungen in Automatisierungsnetzwerken, da sie in der Regel wirtschaftlicher und einfacher zu installieren sind, weniger störanfällig sind und, neben anderen Faktoren, die Energieübertragung über das Netzwerk einfacher ist.

Im Gegensatz zu konventionellem Ethernet, das vier verdrillte Adernpaare verwendet, nutzt SPE nur ein einziges Paar, um Daten mit 10 Mbit/s über Entfernungen von bis zu 1000 Metern für industrielle Anwendungen mit 10Base-T1L zu übertragen. SPE kann mit SPoE (Single Pair Power over Ethernet) kombiniert werden, um gleichzeitig IIoT-Geräte mit Strom zu versorgen und Daten von und zu ihnen zu übertragen.

SPE und SPoE bieten der Industrieautomatisierung die Vorteile einer gemeinsamen physikalischen Schicht (PHY), standardisierte Netzwerkschnittstellenkarten (NICs) und eine größere Flexibilität für Anbieter, die Geräte für die Interaktion und Kommunikation über Ethernet entwickeln. Die Fähigkeit, sowohl Daten als auch Strom über größere Entfernungen zu übertragen, erleichtert die Kommunikation mit Geräten und macht den Einsatz von Batterien in Sensoren und anderen Geräten überflüssig.

SPE bietet Vorteile wie geringeres Gewicht und niedrigere Kosten für die Verkabelung, Kompatibilität mit der vorhandenen Ethernet-Infrastruktur und größere Flexibilität bei der Erweiterung dieser Industriestandardtechnologie. Zu den Herausforderungen bei der Entwicklung von SPE-Anwendungen gehören die Bewältigung elektromagnetischer Störungen, die Signalintegrität, die Stromversorgung und das Wärmemanagement.

Für SPE-Anwendungen erforderliche Komponenten

Die Entwicklung von 10Base-T1L-SPE-Anwendungen erfordert eine Kombination von Komponenten, die die Integrität von Stromversorgung und Daten, Isolierung und Rauschfilterung gewährleisten, einschließlich Gleichtaktdrosseln (CMCs), Induktivitäten für Differenzsignale (DMIs) und isolierte gekoppelte Induktivitäten. TDK ist der erste Anbieter, der alle Induktivitäten anbietet, die zur Realisierung von industrieller SPE mit und ohne Leistungsübertragung benötigt werden.

Wenn 10Base-T1L nur für die Datenübertragung zwischen Steuer- und Sensor- oder Handlungselementen verwendet werden soll, ist nur eine Gleichtaktdrossel notwendig, um das Rauschen herauszufiltern. Die RCM70CGI-471 von TDK (Abbildung 1) unterdrückt asymmetrische Störungen, die auf Leitungen eingekoppelt werden, während Datensignale unberührt bleiben. Sie arbeitet in einem Betriebstemperaturbereich von -40 bis +125°C und hat eine Nennspannung von 80 VDC.

Abbildung 1: Die Gleichtaktdrossel RCM70CGI von TDK zur Entstörung. (Bildquelle: TDK)

Für PoDL-Anwendungen (Power-over-Data-Line) muss auch eine Differenzdrossel wie die PID75-650M von TDK (Abbildung 2) eingesetzt werden, um die Impedanz zu verringern und die Integrität der Leistungsübertragung zu gewährleisten. Sie hat eine Nenninduktivität von 2 x 65 μH, einen niedrigen Gleichstromwiderstand und arbeitet bei Temperaturen bis zu +150°C.

Abbildung 2: Die TDK-Differenzdrossel PID75-650M reduziert die Impedanz und gewährleistet die Integrität der Leistungsübertragung. (Bildquelle: TKD)

Bei sicherheitskritischen Implementierungen, bei denen eine galvanische Trennung erforderlich ist, müssen die Gleichtaktdrossel und die Differenzdrossel durch eine isolierende gekoppelte Induktivität ergänzt werden, um einen unerwünschten Stromfluss zwischen den Geräten zu verhindern. Die ICI70CGI-222 von TDK (Abbildung 3) hat eine Nenninduktivität von 2,2 mH, eine Streukapazität von weniger als 20 pF und eine Spannungsfestigkeit von bis zu 2250 VDC.

Abbildung 3: Die Isolationsdrossel ICI70CGI. (Bildquelle: TDK)

Fazit

Mit den industriellen SPE-Induktivitäten von TDK können SPE-Geräte für Anwendungen in der Fabrik- und Gebäudeautomatisierung, im Transportwesen, im Energiebereich und im Gesundheitswesen entwickelt werden. Durch die Unterstützung von Kommunikationsprotokollen wie IEEE 802.3cg, IEEE 802.3bu und IEEE 802.3bw können SPE-Anwendungen die Ethernet-Infrastruktur mit größerer Flexibilität, geringeren Verkabelungskosten und weniger Gewicht erweitern.