堅牢な産業用シングルペアEthernetは適切なコンポーネントから始まる

自動化は、従来の分散型制御システムに取って代わりつつあり、革新的なテクノロジーは、性能を向上させながら、省スペースとコスト削減を実現しています。未来の工場にとって、シングルペアEthernet（SPE）はこれを実現するための不可欠な要素です。

産業用モノのインターネット（IIoT）のインフラを構築する場合、SPEは絶対に必要なものです。工場、ビル、プロセスオートメーション向けのこの新しいEthernet通信規格は、より迅速で安全な統合戦略の展開を可能にします。

従来のフィールドバスプロトコルは、自動車や産業用制御アプリケーションに不可欠なタイムセンシティブな情報転送用として認識されています。しかし、ネットワーク内のアクチュエータやセンサの増加に伴い、従来のフィールドバスプロトコルがボトルネックとなり、さらにリンクが増えると、かさばるフィールドバスケーブルが場所を取るため、さらに悪化します。

これまでは、PoDL（Power over Data Line）を通じてエンドデバイスに同時に電力を供給するには、2対の銅線が必要でした。SPEはデータ伝送に加えてPoDLも行うことができるため、PoDLのために4本のワイヤを必要とすることは過去のものとなり、産業用Ethernetのまったく新しい応用分野が開かれました。

TDK Electronicsは、自動車および産業用電子機器分野に不可欠な部品を専門としています。これらすべての製品と技術に共通するのは、IIoTとSPEであり、SPoE（single-pair power over Ethernet）、電力、給電装置（PSE）、コントローラEthernetデバイスがその役割を果たします。

Analog Devices Inc.は、TDK Electronicsと同様に、LTC4296-1 5ポートSPoE PSEコントローラ（図1）を使用する機器（セキュリティシステム、運用技術（OT）システム、フィールド機器およびスイッチ、ビルおよび工場の自動化システム、交通管制システムなど）を通じて、IIoTをより高速化し、信頼性の高いものにする最先端にいます。

図1：LTC4296-1を使用したIEEE 802.3cg準拠のSPoE PSE。（画像提供：Analog Devices Inc.）

LTC4296-1は、IEEE 802.3cg準拠、5ポート、SPoE、PSEコントローラで、QFN-48パッケージで提供されます（図2）。LTC4296-1は、SPoEにより設計と設置を簡素化し、標準化された電力とEthernetデータをシングルペアケーブルを使用することで、802.3cg電源デバイスとの相互運用性に適しています。

LTC4296-1は、ドレインとソース間のオン抵抗（RDS_ON）が低い外付けNチャンネルMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を使用して電力を供給することで、電圧降下を最小限に抑えながら、アプリケーションの堅牢性を確保します。

図2：Analog DevicesのLTC4296-1は、最適な相互運用性を実現するように設計されています。（画像提供：Analog Devices Inc.）

アナログ電流制限（ACL）は、フォールドバック付きのハイサイド回路ブレーカを利用することにより、短絡および制御された突入保護を提供することができます。非絶縁型アプリケーションでのバックフィード障害やグランド障害は、オプションのローサイド回路ブレーカによって回避でき、負側出力を保護します。

また、電力供給（PD）が存在するときのみ全動作電圧がケーブルに印加されるようにするために、最高電圧保持シグネチャ（MFVS）の維持とともに、シリアル通信分類プロトコル（SCCP）によるPD分類が必要です。

LTC4296-1のようなデバイスは、多目的なSPoE、PSEソリューションを提供し、最適なコントローラアプリケーションのために容易に統合することができます。

インダクタで干渉のないデータトラフィックを実現

さまざまな用途のインダクタがあります。10BASE-T1Lのアプリケーションインダクタには、コモンモードチョーク（CMC）、絶縁インダクタ（ICI）、差動モードインダクタ（DMI）などがあります。

ICI70CGIシリーズ 絶縁インダクタは、特定のアプリケーションにおけるPHYとコネクタ間のガルバニック絶縁の問題を解決します。データ結合比は1：1で、インダクタンス値は1.0mHと2.2mH、絶縁電圧は2250V_DCです。

センサやアクチュエータを1対のワイヤでPoDLと接続することが可能で、このラインを介してデータと電力の伝送を実現します。このコネクタには、回路中の高周波ノイズを抑制する受動電子部品である特殊な差動モードチョークが使用されており、差動モードノイズを減衰させることでフィルタとして機能します。産業用SPEを実装するためにPoDLを使用する際、電力伝送の有無にかかわらず、特定のアプリケーションではPHYとコネクタ間のガルバニック絶縁が必要です。RCM70CGI-471（図3）のような絶縁インダクタは、1：1の変圧比を提供します。

非対称干渉の抑制は、干渉のないデータトラフィックを実現するうえで必須です。RCM70CGI-471は、10BASE-T1LのIEEE 802.3cg規格に基づき、80Vで最大電流700mA、インダクタンス値470μHに設計されたコモンモードチョークです。

図3：RCM70CGI-471コモンモードチョークはIEEE 802.3cg規格に基づいています。（画像提供：TDK）

システムの干渉を抑制するためには、特別な差動モードチョークが必要です。

IEEE 802.3cg.に準拠したPIDシリーズの6つのパワークラス（10～15）のすべてに対応するさまざまなバージョンがあり、飽和電流は360mA～2100mAまで対応可能です。

PoDL評価ボードが接続性を確保

IIoTは、エンドデバイスから制御室までの接続性を確保し、リアルタイムのデータ伝送を行う、総合的なシステム統合が必要です。SPEはネットワークを簡素化し、最大1,000mの距離で最大10Mbpsの伝送を可能にし、同時に電力も供給します。

TDKは、EVAL-ADIN1100EBZ（図4）、EVAL-ADIN1110EBZの評価ボードに適合するように開発された、6つの異なるパワークラス用のさまざまな10BASE-T1Lプラグアンドプレイテストボードを用意しており、設計およびテスト段階を短縮します。

図4：SPEはネットワークを簡素化し、このEVAL-ADIN1100EBZの簡略化されたブロック図に示されているように、最大1,000mの距離で最大10Mbpsの伝送を可能にします。（画像提供：TDK）

2つの動作モードを持つインターフェースボード

Analog DevicesのADIN1100堅牢、産業用、低消費電力10BASE-T1L Ethernet PHYは、ROHS3準拠、MSL（湿度感度レベル）1（無制限）、REACHの影響がない状態で、ADIN1100は堅牢で、低消費電力10BASE-T1L PHYの迅速な評価のための柔軟なプラットフォームを備えています。

EVAL-ADIN1100EBZ（図5）は、1.7kmという相当な距離のケーブルでデバイスと10MbpsシングルペアEthernet（SPE）接続が可能で、2つの動作モードを持つ評価ボードにより、最大限の柔軟性を提供します。ADIN1100のGUIソフトウェアでPCに接続すると、診断やリンク品質モニタ診断など、ADIN1100のレジスタ設定のフルセットにアクセスすることができます。

図5：ADIN1100 Ethernet PHYインターフェース評価ボード。（画像提供：Analog Devices Inc.）

あるいは、ハードウェア設定スイッチとリンクを設定することで、EVAL-ADIN1100EBZボードをスタンドアローンモードで動作させることもできます。作業者は、ADIN1100データおよび管理インターフェースにより、オンボードLEDのステータスをモニタすることができ、EVAL-SPOE-KIT-AZ LTC4296-1 PoEパワーマネージメント評価ボードを利用して、外部ホストコントローラに接続するように簡単に設定することができます。

まとめ

高品質のシングルペアEthernet（SPE）は、産業用モノのインターネット（IIoT）のための強固で信頼性の高いインフラの構築に不可欠です。

TDK Electronicsは、Analog Devices Inc.とともに、最高水準のSPEを提供することで定評があり、そのためクラウドから地上への通信が容易になります。