Az ipari egyérpáras Ethernet-telepítések védelme

Az Ethernet negyven évvel ezelőtti kifejlesztését követően igen gyorsan de-facto vezetékes hálózati protokollá vált. Az Ethernet az elmúlt évtized során a hagyományos, informatikai és adatközpontokban történő alkalmazása mellett kiterjedt különböző autó- és egyéb ipari felhasználásokra. Megbízhatósága és robusztus tulajdonságai jól alkalmazhatóvá teszik az Ethernetet ezeken az új alkalmazási területeken, ahol kulcsfontosságú a kapcsolatok megbízhatósága és késleltetési ideje. Azonban a Cat6-típusú Ethernet-kábelek és -csatlakozók telepítése az ilyen szűk térrel rendelkező alkalmazások esetén nehézkesnek bizonyult, ami végül elvezetett az egyérpáras Ethernet kifejlesztéséhez (single-pair Ethernet – SPE).

Cikkünkben röviden bemutatjuk az egyérpáras Ethernetet, és végigvesszük, milyen kihívásokkal kell szembenézni a nagy sebességű hálózatok elektronikus zajjal terhelt ipari környezetben történő telepítése során.

Az Ethernet kitörése az adatközpontokból

Az 1980-as években kifejlesztett Ethernet IEEE 802.3 hálózati protokollszabvány a szerverek, számítógépek és adatkommunikációs eszközök összeköttetésének magas megbízhatóságú és kényelmes megoldásává vált. Az évtizedek alatt az Ethernet egyre növelte erejét, és jelentős fejlődésen ment keresztül mind a sávszélesség, mind pedig a felhasználási területek kiterjedtsége terén. Nem volt nehéz észrevenni, hogy ez a szervezetek pénzügyi és irányítási rendszereit összekötő hálózati architektúra előbb-utóbb a gyártási infrastruktúra elemeinek összekapcsolására is ki fog terjedni. Az Ipar 4.0-hoz hasonló, az ipari működés hatékonyságának növelését célzó kezdeményezések robusztus összeköthetőséget igényelnek, így az Ethernet kézenfekvő választást jelentett, amikor a dolgok internetének (Internet of Things – IoT) koncepciója megjelent a valóságban.
Az Ipar 4.0 és az ipari dolgok internete (IIoT) nem az első technológiai kezdeményezések a gyártási folyamatok hatékonyságának és eredményességének javítására. A gyártási felszerelések és drága termelőeszközök összeköttetése már több mint négy évtizedes múltra tekint vissza. Az olyan soros hálózati megoldások, mint a Modbus, az RS232, az RS422 és a Profibus már régóta létező megoldások. Az IIoT megjelenése azonban magával hozta az adatok azonnali feldolgozása és a nagyobb átviteli sebesség iránti igényt, lényegesen intenzívebb kihasználtságot biztosítva az összekapcsolt érzékelők, aktuátorok és az irányító rendszerek számára.

Az egyérpáras Ethernet kifejlesztése

Az Ethernet képességei révén kiváló választásnak tűnt az eredeti informatikai területén kívüli felhasználásra. Fejlődése során az ipari Ethernet képessé vált valós idejű, időérzékeny, determinisztikus viselkedésű hálózati megoldást biztosítani úgy, hogy közben képes volt a már említett régi hálózati protokollok továbbítására is. Az Ethernet eközben a járművekben alkalmazott hálózati megoldások gerincévé is vált.
Bár az Ethernet rugalmassága, robusztussága és egyszerűsége megkérdőjelezhetetlen, azonban a kábelezéshez szükséges négy csavart érpár és a széles körben elterjedt RJ45-csatlakozók nem alkalmasak az ipari környezetben történő használatra. Az ipari területeken jellemző, kihívást jelentő környezeti feltételek és a vezérlőszekrényekre jellemző helyszűke miatt a Cat6-típusú Ethernet-kábelek túlságosan vastagnak bizonyultak, és nem voltak képesek alkalmazkodni a szűk fémcsatornák hajlásszögeihez. Ráadásul a nagyszámú IIoT-peremeszköz telepítése megbízható áramellátást igényelt, amelyet az Ethernet Power over Ethernet (PoE) megoldása képes biztosítani, azonban csak nyolc vezeték felhasználásával.
Az Ethernet Szövetség 2019-ben jelentette be azt az Ethernet-megoldást, amely megfelel az összes kábelezési kihívásnak és képes biztosítani az Ethernet autóipar és ipar jövőbeli alkalmazásaiban történő felhasználásának sikerét.
A gigabites SPE IEEE 802.bp 1000BASE-T1 szabvány gigabites sebességű csatlakozást biztosít egy árnyékolatlan, egyetlen vezetékpárból álló kábelen keresztül. A hagyományos, négy vezetékpáros Cat6-kábelekhez képest egy SPE-kábel 60%-kal könnyebb és lényegesen kisebb átmérőjű. Ami még fontosabb, az SPE 802.3bu és 802.3cg Power over Data Line (PoDL) szabványai lehetővé teszik maximum 52 Watt energia továbbítását egyetlen vezetékpáron keresztül. A RJ45-csatlakozó helyett az SPE alkalmas a népszerű, ipari minőségű, IP65/67-védettségű M8 és M12 kör alakú csatlakozók használatára.

Kihívások a hálózati kommunikációban

Bár az Ethernet kiváló tulajdonságokkal rendelkezik kapcsolatok robusztussága tekintetében, egy elektroszmoggal terhelt környezetben bármilyen hálózat kiépítése kihívást jelentő feladat. Az elveszett adatcsomagok növelik a bithibaarányt, ami a csomagok újraküldését eredményezi, ezzel csökken a hálózat teljesítménye és növekszik a késleltetés. Az elektromágneses interferencia (EMI) és az elektromos tranziensek jellemző zajforrások, amik jelentős hatással vannak a hálózaton belüli adatátvitel sebességére. Nagy motorok, aktuátorok és a változó frekvenciájú meghajtók nagy eséllyel jelentenek sugárzott (jellemzően 1 Mhz feletti) vagy vezetett EMI-zajforrást, amelyek akár több voltnyi nagyságrendet is elérhetnek ipari környezetben. Annak ellenére, hogy egy SPE-kábel csavart érpárral rendelkezik, elkerülhetetlen, hogy az elektromos berendezések közelében működő vezérlőrendszerekben indukált zaj keletkezzen.
Az 1. ábrán egy tipikus, két eszköz (például egy kapcsoló vagy egy mikrokontroller [balra] és egy perifériális érzékelő) közötti SPE-útvonal felépítése látható. A kapcsolóban egy adatvezetéken keresztüli tápellátási csatlakozó, illetve tápellátóberendezés (power supply equipment – PSE) található. Az érzékelő a csavart érpárról veszi az áramot (PD – power delivery).

1. ábra Egy SPE-kapcsolati architektúra a kritikus védelmi és EMI-csökkentő komponensek kiemelésével (Forrás: Bourns)

A hálózati kábelek és interfészek számos különböző kategóriájú vezetett és sugárzott elektromos zajjal és zajforrással találkozhatnak.
A 2. ábra egy differenciális jelre szuperponált, vezetett közös módusú zajjelet ábrázol egy differenciális jelen. Közös módú zaj a negatív és pozitív tápellátási síneken is előfordulhat. A közös módusú jelek azonos irányban folynak, és általában földelési kapcsolaton és szórt kapacitásokon keresztül térnek vissza. 

2. ábra Egy közös módusú zajjel differenciális jelen vagy tápellátási síneken (Forrás: Mouser)

A közös módusú fojtók egy ferritmag körüli két tekercselésből állnak, és kényelmes megoldást jelentenek a közös módusú zajok kioltására úgy, hogy a szükséges jelek áthaladását nem gátolják.
Differenciális módusú (más néven normál módusú) zaj esetén a jelek ellentétes irányban áramlanak (lásd a 3. ábrán). A megfelelő szűrőelrendezéssel – ami egy induktivitásból és egy kondenzátorból áll –, vagy egy differenciális módusú fojtóval a differenciális módusú zaj is elnyomható.

3. ábra A differenciális módusú zaj ellentétes irányban áramlik (Forrás: Mouser)

A hálózati kábeleken és a vezérlőegységeken fellépő elektrosztatikus kisülések (ESD) károsíthatják a félvezetőket és az egyéb alkatrészeket. Ezek a tranziens feszültségcsúcsok (magas dV/dt értékekkel) veszélyesen magas feszültséget indukálhatnak a hálózati kábeleken. Egy tranziens feszültségcsökkentő (TVS) alkatrész (mint például egy diódasor) képes megvédeni az érzékeny áramköröket.

Az SPE-védelem megvalósítása

Az 1. ábrán láthatók az egyérpáras Ethernet-rendszerek telepítéséhez ajánlott EMI-szűrő és ESD-védelmi alkatrészek.
Egy diszkrét chipes LAN-transzformátor (1), mint például a Bourns SM4532xx sorozata, egy kis méretű, kompakt dobmagra épített, középcsapos, 1:1 arányú transzformátor, ami közös módusú induktivitásként is használható. Az SM4532 sorozat megfelel a 802.3 szabványnak és kis méretének (4,7 × 3,3 × 2,9 mm) köszönhetően nagyfokú rugalmasságot biztosít a nyomtatott áramköri felhasználásban. Beiktatási vesztesége alacsony (jellemzően -2 dB-től akár 500 Mhz-ig), 1500 VAC (HiPot) szigetelést biztosít 60 másodpercen keresztül, és az elektromágneses interferencia csökkentése érdekében közös módusú chip-induktivitással párosítható. Az SM4532 SPE-sorozat hat variációban érhető el, 10Base-T1-től 1000Base-T1 PoE-ig.
A PHY (chip) oldali közös módusú zajelnyomásra (2), egy közös módusú fojtó (például a Bourns SRF3216A közös módusú chipinduktivitás) az ideális választás. 50 VDC-re méretezett, akár 125 VDC-nek is ellenáll, árnyékolt és egy ferritmag körüli bifiláris tekercseléssel készül. Jellemző egyenárami ellenállása 0,15 Ω és 1,1 Ω közötti, közös módusú impedanciája (100 Mhz-en) alkatrésztől függően 90 Ω és 2200 Ω közötti. A differenciál módusú impedancia 10 Ω alatti 100 Mhz-en. Egy másik példa a PHY-oldali közös módusú induktivitásokra az SRF2012AA sorozat. Az SRF2012AA 67 Ω és 360 Ω közötti közös módusú impedanciával rendelkezik (100 Mhz-en mérve), tipikus egyenáramú ellenállása 0,35 Ω, méretezése 400 mA-ig terjed.
Egy lehetséges vonal oldali (3) közös módosú fojtó a Bourns SRF6545A. Ez az induktivitás -43 dB-es közös módusú, és -50 dB-es differenciális közös módusú elnyomással rendelkezik 100 MHz-en. A beépítési veszteség 100 Mhz-nél jellemzően -3 dB-nél kisebb, a fojtófeszültség 350 mA-ig terjed.
Egy kettős differenciál módusú fojtó (4) csökkenti a differenciális módusú zajt a tápegységben vagy a tápellátás áramköreiben. Erre példa a Bourns SRF1260A kettős tekercselésű, árnyékolt teljesítményinduktivitás-sorozat. Az SRF1260 sorozat sorosan és párhuzamosan is konfigurálható, induktivitása széles skálán 0,47 µH-től 4000 µH-ig terjed.
Egy ESD-védelemre szolgáló diódatömb például a felületszerelt Bourns CDDFN6-3312P, ami akár 8 kV-ot, 4,5 V-os minimális átütési feszültséget és 3,3 V-os csúcs visszfeszültséget biztosít. A CDDFN6 egy 1 × 1,2 × 0,45 mm méretű DFN6 felületszerelt tokozásban készül, és alacsony, 0,04 pF (I/O és I/O között), illetve 0,18 pF (I/O és föld között) kapacitási értékekkel rendelkezik.

Megbízhatóság és robusztusság biztosítása az SPE-telepítések számára

Az SPE képes a feltörekvő ipari és autóipari alkalmazásokba is átültetni a nagyvállalati informatikában és a távközlési piacon megszokott megbízhatóságot és a 802.3 szabványon alapuló hálózati csatlakoztathatóságot. A kapcsolat megbízhatóságának és robusztusságának fenntartása a sávszélesség és a késleltetési idő befolyásolása nélkül a megbízható EMI-szűrés és ESD-védelem megvalósításától függ. Rövid írásunkban rámutattunk néhányra az elektromágneses zaj és feszültségtranziensek forrásai közül, és bemutattuk, ezek milyen hatással vannak a hálózati teljesítményre. A cikkben megemlített, a hálózatok védelmét biztosító alkatrészek mindegyike megvásárolható a Mousernél, a Bourns hivatalos forgalmazójánál.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket az X-en:
https://twitter.com/MouserElecEU