Zapewnienie łączności w trudnych warunkach dzięki kablom Ethernet z parami spojonymi

Wraz z migracją do przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) zapotrzebowanie na zwiększoną niezawodność i wyższe parametry działania w środowiskach przemysłowych bogatych w czujniki i aktuatory stawia coraz większe wyzwania dla deweloperów poszukujących solidnych rozwiązań w dziedzinie łączności. Zakłócenia w środowiskach elektrycznych ograniczają możliwość stosowania łączności bezprzewodowej, natomiast trudne warunki fizyczne komplikują stosowanie konwencjonalnych metod przewodowych. Projektanci wymagają bardziej efektywnych rozwiązań w zakresie połączeń, zapewniających niezawodność i parametry działania.

Jedną z opcji jest zastosowanie okablowania Ethernet z parami spojonymi, które zapobiega separacji skrętek dwużyłowych w celu utrzymania integralności sygnału.

W niniejszym artykule opisano wyzwania stojące przed projektantami, którzy rozważają różne typy okablowania do trudnych warunków środowiskowych. Następnie przedstawiono sposób, w jaki można sprostać tym wyzwaniom dzięki kablom Ethernet z parami spojonymi, wykorzystując przykładowe produkty firmy Belden, aby zilustrować charakterystykę i parametry działania tej technologii w porównaniu z klasycznym okablowaniem Ethernet.

Ewolucja środowisk przemysłowych stanowi wyzwanie dla niezawodności i parametrów działania sieci

Potrzeba bardziej zróżnicowanych i liczniejszych czujników oraz aktuatorów w ewoluującym przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT) zwiększyła wyzwania stojące przed projektantami sieci przemysłowych. Wraz z ciągłym zapotrzebowaniem na niezawodną łączność, sieci przemysłowe muszą zarówno zapewniać działanie w czasie rzeczywistym, jak i wyższą przepustowość, ponieważ do czujników o wysokiej precyzji dołączają systemy wizyjne, które mają odgrywać kluczową rolę w wielu fazach procesu produkcyjnego. Podczas gdy technologie sieciowe, takie jak sieci wrażliwe na czas (TSN) standardu IEEE 802.1 pomagają projektantom spełnić wymagania dotyczące deterministycznych parametrów działania sieci Ethernet, sieci 10Gbit Ethernet stają się standardem w środowiskach przemysłowych charakteryzujących się większą ilością, prędkością i różnorodnością danych.

Zapewnienie niezawodności i wysokich parametrów działania sieci w środowisku przemysłowym pozostaje wyzwaniem ze względu na charakter środowiska elektrycznego i fizycznego w typowym zakładzie produkcyjnym. W takim środowisku zakłócenia elektryczne generowane przez maszyny i zakłócenia zasilania łączą się z różnymi źródłami zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RFI), zagrażając integralności sygnału komunikacyjnego. Pod względem fizycznym hala fabryczna stanowi poważne wyzwanie ze względu na występowanie paliw, olejów, rozpuszczalników i innych chemikaliów, a także wilgoci, wysokich temperatur i szybkich zmian temperatury spowodowanych pracującymi maszynami, procesami przemysłowymi oraz rozpryskami spawalniczymi.

Budując sieci komunikacyjne, projektanci sieci fabrycznych polegają na kablach komunikacyjnych, które tylko pozornie są podobne do kabli przeznaczonych do instalacji w budynkach komercyjnych. Podobnie jak w budynkach komercyjnych, kable przeznaczone do instalacji w pionach kablowych, tzw. kable klasy CMR (Communications Multipurpose Cable, Riser) są używane do instalacji w liniach kablowych prowadzonych w pionach instalacyjnych lub szybach pionowych w zakładach przemysłowych. Podobnie kable przeznaczone do instalacji w pustkach technicznych, tzw. kable klasy CMP (Communications Multipurpose Cable, Plenum) to kable o podwyższonych parametrach znamionowych wymaganych dla ograniczenia rozprzestrzeniania się płomieni i dymu w poziomych ciągach kablowych w obrębie przestrzeni pod podłogami lub sufitami.

Jednak w przeciwieństwie do większości instalacji w budynkach komercyjnych, ciągi kablowe w środowisku przemysłowym są szczególnie podatne na naprężenia mechaniczne w wyniku ciągłych drgań, zginania, ścierania i zgniatania podczas normalnych operacji produkcyjnych. Aby osiągnąć wymaganą równowagę między kosztami a parametrami działania w sieciach przemysłowych, ich projektanci od dawna polegają na wykorzystaniu różnych materiałów izolacyjnych do płaszczy kablowych.

Charakterystyka kabli przemysłowych

Chociaż materiały izolacji kabli różnią się w zależności od specjalistycznych wymagań, fluorowy etylen-propylen (FEP) i polichlorek winylu (PVC) to dwa materiały powszechnie stosowane w przemysłowych płaszczach kabli. W kablach CMP często stosuje się fluorowy etylen-propylen (FEP) ze względu na jego właściwości zmniejszające dymienie i palność. Zastosowanie fluorowego etylenu-propylenu (FEP) w płaszczach kabli komunikacyjnych nie tylko redukuje płomienie, ale także ogranicza rozprzestrzenianie się silnego dymu z pożaru przez kanały powietrzne. Oprócz dużej odporności chemicznej, kable wykonane z fluorowego etylenu-propylenu (FEP) zwykle tolerują szeroki zakres temperatur otoczenia. Na przykład czteroparowy kabel Ethernet DataTuff 7931A klasy CMP z płaszczem z fluorowego etylenu-propylenu (FEP) firmy Belden (7931A 0101000) charakteryzuje znamionowy zakres temperatur roboczych od -70 do +150°C.

Kable klasy CMR zwykle mają izolację z polichlorku winylu (PVC), co obniża koszty i zapewnia odpowiednią trwałość oraz odporność na chemikalia, ciepło i wodę. Polichlorek winylu (PVC) zwykle ma bardziej ograniczoną temperaturę roboczą, co jest zgodne z typowym zastosowaniem w pionach. Na przykład czteroparowy kabel Ethernet DataTuff 7953A klasy CMR z płaszczem z polichlorku winylu (PVC) firmy Belden (7953A 0101000) charakteryzuje znamionowy zakres temperatur roboczych od -40 do 75°C.

Oprócz fluorowego etylenu-propylenu (FEP) i polichlorku winylu (PVC), w celu spełnienia określonych wymagań często stosuje się inne materiały lub ich kombinacje. Na przykład w przypadku dwuparowego kabla Ethernet 7962A DataTuff (7962A 1SW1000), firma Belden zastosowała połączenie elastomeru termoplastycznego (TPE) w płaszczu zewnętrznym z polietylenem (PE) w płaszczu wewnętrznym oraz poliolefiną (PO) w izolacji przewodu, tworząc wytrzymały, ogniotrwały i odporny na oleje kabel, odpowiedni do instalacji w niebezpiecznych środowiskach.

Wybór materiału płaszcza jest tylko jednym z kilku kluczowych punktów decyzyjnych przy doborze kabla do przemysłowych sieci Ethernet. Jak wspomniano wcześniej, kable komunikacji przemysłowej mogą podlegać znacznym obciążeniom mechanicznym, które powodują wzrost szumów sygnału w konwencjonalnych kablach ze skrętkami dwużyłowymi. W tym znanym typie kabla, zmniejszenie przesłuchów i podatności na zakłócenia, polega na skręceniu ze sobą pary przewodów. W praktyce jednak naprężenia w instalacji i typowa codzienna eksploatacja w środowisku przemysłowym mogą powodować rozdzielenie sparowanych przewodów (ilustracja 1).

Ilustracja 1: konwencjonalna skrętka dwużyłowa zmniejsza przesłuchy i szumy, podczas gdy sparowane przewody pozostają blisko siebie (u góry), ale przewody zwykle rozdzielają się (u dołu) po wielokrotnym zginaniu, wyginaniu i pociąganiu. (Źródło ilustracji: Belden)

Ponieważ odległość między żyłami zwiększa się w wyniku ciągłego zginania, wyginania lub pociągania, efekt tłumienia zakłóceń przez skrętkę dwużyłową jest znacznie słabszy. Z biegiem czasu integralność sygnału się pogarsza, co wpływa na niezawodność transmisji w sieci. Alternatywa firmy Belden dla konwencjonalnych kabli komunikacyjnych wykorzystujących skrętki dwużyłowe została zaprojektowana z myślą o zachowaniu integralności sygnału pomimo warunków instalacji i ciągłego użytkowania.

Technologia par spojonych zapewnia odporność na naprężenia

W opatentowanej technologii par spojonych firmy Belden tworzone jest fizyczne połączenie pomiędzy przewodami w każdej parze, aby utrzymać optymalną współosiowość wszystkich skrętek dwużyłowych w kablu komunikacyjnym i wyeliminować szczeliny, które mogą zagrozić integralności sygnału (ilustracja 2).

Ilustracja 2: w przeciwieństwie do konwencjonalnej technologii skrętek dwużyłowych (po lewej), technologia par spojonych firmy Belden (po prawej) zapewnia utrzymanie stałego odstępu między sparowanymi przewodami w kablu pomimo jego zginania, wyginania lub pociągania. (Źródło ilustracji: Belden)

Technologia par spojonych firmy Belden pozwala uzyskać kable o odporności na rozciąganie zwykle o 40% większej w porównaniu z konwencjonalnymi kablami Ethernet. Jednocześnie kabel z parami spojonymi firmy Belden można bezpiecznie zginać lub wyginać wzdłuż promienia gięcia równego czterokrotności średnicy zewnętrznej kabla. W przeciwieństwie do tego, promień gięcia zwykłego kabla Ethernet jest zwykle ograniczony do dziesięciokrotności średnicy zewnętrznej.

Dodatkowa wytrzymałość zapewniana przez technologię par spojonych przekłada się na zdolność do zapewnienia niezawodności pomimo ciągłych naprężeń spowodowanych zginaniem podczas instalacji lub normalnej pracy. Chociaż w branży brakuje standardu pomiaru wytrzymałości na zginanie, firma Belden opracowała próbę zginania mającą na celu symulację typowych przemysłowych warunków pracy.

Inżynierowie firmy Belden najpierw poddawali kabel z parami spojonymi o długości ok. 4,572m zginaniu z zastosowaniem małego promienia gięcia wynoszącego ok. 7,62cm, a następnie poddawali go wieloosiowemu ruchowi z prędkością 3,048m/s przez 28.800 cykli na dzień. Zespół inżynierów firmy Belden stale monitorował badany kabel pod kątem zwarć, spadków napięcia i innych problemów w ośmiu punktach jego długości. Próba została przerwana po 10.075.000 cykli gięcia bez wykrycia żadnych usterek fizycznych ani elektrycznych.

Wysokie parametry działania kabla z parami spojonymi stają się oczywiste, gdy porówna się jego parametry elektryczne z konwencjonalnymi kablami. Wykorzystując margines łącza jako miarę, testy wykazały, że kabel z parami spojonymi firmy Belden zachowuje parametry działania przed instalacją i po niej (ilustracja 3, po lewej). W przeciwieństwie do tego, konwencjonalne kable ze skrętkami dwużyłowymi, które przeszły pomyślnie próby działania na szpuli, mogą ulec uszkodzeniu po instalacji z powodu separacji par w następstwie poddania kabla normalnym naprężeniom rozciągającym, zginającym i wyginającym podczas instalacji (ilustracja 3, po prawej).

Ilustracja 3: w kablu z parami spojonymi firmy Belden margines łącza pozostaje wysoki dla poszczególnych par danych (niebieska/żółta/zielona/czerwona) przed instalacją i po niej (po lewej), podczas gdy w przypadku konwencjonalnych kabli ze skrętkami dwużyłowymi, które dobrze sprawdzają się na szpuli, po instalacji wystąpiła istotna redukcja marginesu wskutek separacji par spowodowanej naprężeniami instalacyjnymi. (Źródło ilustracji: Belden)

W porównaniu z kablem z parami spojonymi, konwencjonalna skrętka dwużyłowa może również wykazywać nieregularne wahania impedancji zależne od częstotliwości, spowodowane przerwami między parami przewodów, które powstały podczas instalacji i eksploatacji (ilustracja 4).

Ilustracja 4: impedancja kabla z parami spojonymi firmy Belden (po lewej) pozostaje stabilna przed instalacją i po jej zakończeniu, natomiast w przypadku konwencjonalnego kabla przemysłowego (po prawej) występuje zmienność impedancji wywołana układaniem kabla. (Źródło ilustracji: Belden)

Podczas normalnej pracy nieekranowane kable z parami spojonymi mogą zapewnić ochronę przed zakłóceniami, często przy niższych kosztach niż konwencjonalne kable ekranowane. Projektanci sieci przemysłowych zyskują lepszą ochronę przed zakłóceniami, używając kabli z parami spojonymi niż używając konwencjonalnych ekranowanych kabli przemysłowych. Na przykład w wytycznych ODVA (poprzednio Open DeviceNet Vendors Association) zaleca się układanie konwencjonalnego kabla ekranowanego w odległości nie mniejszej niż 1,524m od źródeł elektromagnetycznych, aby uniknąć zakłóceń. Z kolei ochrona przed zakłóceniami w nieekranowanych kablach z parami spojonymi pozwala projektantom sieci na układanie takich kabli w odległości nawet 15,24cm od źródła elektromagnetycznego bez szkody dla integralności sygnału.

Podsumowanie

Trudne elektryczne i fizyczne warunki przemysłowe komplikują dobór kabli, które będą w stanie utrzymać wymaganą integralność sygnału, zwłaszcza w obliczu wzrostu szybkości przesyłu danych w przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT). Opatentowana technologia par spojonych firmy Belden stanowi skuteczne rozwiązanie zapewniające korzystniejsze parametry łączności w porównaniu z konwencjonalnymi kablami Ethernet.