Zapewnienie integralności sygnału w sieciach Gigabit Ethernet w rozległych sieciach automatyki przemysłowej

Okablowanie Ethernet w postaci skrętek dwużyłowych jest uważane za dojrzałą i niezawodną technologię, która od wielu lat cieszy się zaufaniem w zakresie szybkości transmisji danych 10Base-T i 100Base-T. Ponieważ jednak szybki ruch w sieci Ethernet osiąga prędkości rzędu 1Gbit/s i więcej, projektanci muszą radzić sobie z rzeczywistością, w której sygnały są bardziej podatne na degradację z uwagi na jakość kabla oraz na zakłócenia, przesłuchy, straty impedancyjne i odbiciowe.

Problemy nasilają się wraz ze wzrostem długości kabli, np. w obiektach automatyki przemysłowej. Dodatkowo dochodzi jeszcze problem ze skręcaniem i zginaniem się kabli Ethernet podczas ich układania, a także przy zastosowaniu ich w robotach przemysłowych i innych maszynach. Takie powtarzające się zginanie może powodować rozdzielanie się skrętek dwużyłowych i w rezultacie pogorszenie parametrów elektrycznych kabla. Wynikające z tego tłumienie sygnału może powodować sporadyczne straty danych, które z czasem będą coraz większe. Tego typu błędy są niezwykle trudne do zidentyfikowania i usunięcia, co przekłada się na długie i kosztowne przestoje systemów.

W niniejszym artykule omówiono wyzwania związane z przesyłaniem danych cyfrowych w sieci Ethernet o dużej szybkości przez skrętki dwużyłowe. Wyjaśniono tu sposób wykorzystania kabli Ethernet z parami spojonymi do zapewnienia powtarzalnych parametrów działania w szybkim przesyle danych Ethernet na duże odległości przy jednoczesnym ograniczeniu strat sygnału i zwiększeniu odporności mechanicznej. Następnie przedstawiono dwa przykłady kabli Ethernet z parami spojonymi firmy Belden i sposób ich wykorzystania do zapewnienia integralności sygnału Ethernet w środowiskach przemysłowych.

Niezawodne przesyłanie danych w sieciach Gigabit Ethernet

W standardowych kablach Ethernet dane przesyłane są miedzianymi skrętkami dwużyłowymi. W przeszłości w tańszych kablach wykorzystywane były tylko dwie skrętki dwużyłowe, ale nowoczesne konwencjonalne kable Ethernet mają cztery skrętki do szybkiego przesyłania danych i dostarczania zasilania (PoE). We wszystkich kablach Ethernet mamy do czynienia z pewnym stopniem obniżenia jakości sygnału ze względu na konstrukcję kabla, jego długość, zakłócenia i szybkość transmisji danych. Jeśli dane są przesyłane z dużą prędkością kablem o długości co najmniej 10m, to za zapobieganie nadmiernej degradacji sygnału odpowiada konstrukcja kabla.

Większość komercyjnych i wolnoprzesyłowych przemysłowych kabli Ethernet wykorzystuje skrętki dwużyłowe z żyłami plecionymi. Splot miedziany jest bardzo elastyczny i łatwy w użyciu, dzięki czemu kabel można zginać na zakrętach i pozostaje on na miejscu po przyklejeniu taśmą do podłogi i punktów mocowania. Jednak miedziane przewody plecione stawiają większy opór przepływającemu prądowi niż lite druty miedziane, zwłaszcza przy dużych odległościach. To sprawia, że lite przewody miedziane są bardziej odpowiednie do szybkiego transferu danych, który zazwyczaj wykorzystuje niższe napięcia sygnału, na skutek czego przy szybkim transferze danych występuje większa podatność sygnału na tłumienie oraz danych na utratę z powodu rezystancji przewodu. W przypadku technologii PoE lity przewód miedziany może również przenosić większe prądy i wytwarza mniej ciepła w porównaniu ze splotem miedzianym, co czyni go bardziej adekwatną opcją.

Wadą litej miedzi jest to, że jest mniej elastyczna i bardziej oporna na zginanie niż splot, a zatem może wymagać zwiększonego wysiłku podczas układania kabla.

Kable Ethernet ze skrętkami dwużyłowymi posiadają impedancję charakterystyczną dla odbiorników i nadajników na wtyczkach RJ45. Zazwyczaj impedancja ta wynosi 100Ω i musi być jednakowa na całej długości kabla. Na impedancję ma wpływ odległość między środkami żył w skrętce dwużyłowej. Uderzenie ciężkim przedmiotem lub naprężenia związane z rozciąganiem lub ściskaniem kabla mogą rozdzielić skrętki dwużyłowe, zmieniając odległość między ich środkami na niektórych odcinkach. Powoduje to zmianę impedancji kabla i degradację sygnału. Może to nie być zauważalne przy szybkości 10Mbit/s (10Base-T) czy 100Mbit/s (100Base-T), ale przy szybkościach gigabitowych (1000Base-T) może spowodować utratę danych.

Kolejną przyczyną degradacji sygnału są przesłuchy. Równoległe prowadzenie dwóch przewodów o dużej prędkości transmisji spowoduje, że jeden będzie indukował prąd w drugim. Taka sytuacja najczęściej prowadzi do przesłuchów. Aby zminimalizować ryzyko przesłuchów i strat sygnału, przewody są prowadzone w postaci samoekranujących skrętek dwużyłowych. Jednak, podobnie jak w przypadku strat impedancyjnych, jeśli dwa przewody w skrętce dwużyłowej zostaną przesunięte lub przemieszczone przez siły zewnętrzne działające na kabel, następuje wzrost przesłuchów między parami, zmniejszając wiarygodność sygnału.

Kombinacja strat impedancyjnych i przesłuchów, w połączeniu z rezystancją elektryczną kabla na większej długości, powoduje straty odbiciowe spowodowane odbiciem sygnału z powrotem do jego źródła. Mimo że pewne straty odbiciowe są nieuniknione i kompensowane pomocą eliminacji echa na zakończeniach kabla, nadmierne straty odbiciowe mogą być poważnym problemem powodującym brak ciągłości przesyłu danych. Ten problem może być niezwykle trudny do zdiagnozowania i może powodować nadmierne przestoje. Problem może się nasilać w środowiskach przemysłowych o wysokim poziomie wibracji, w których położenie kabla Ethernet zmienia się i powoduje zmianę charakterystyk elektrycznych, co z kolei powoduje problemy z sygnałem danych, które w tajemniczy sposób znikają, gdy ustają wibracje lub ruch.

Kable Ethernet z parami spojonymi (bonded-pair)

Jak wspomniano, na straty impedancyjne, odbiciowe i przesłuchy duży wpływ ma niejednakowa odległość między środkami żył skrętki na całej długości kabla. Dla projektantów wykonujących szybkie połączenia Ethernet w trudnych warunkach firma Belden przewidziała rozwiązanie tego problemu przy użyciu modułowych kabli Ethernet CAT6 i CAT5E 10Gx z parami spojonymi do sieci Gigabit Ethernet.

Stała odległość między żyłami skrętki dwużyłowej kablach z parami spojonymi (bonded-pair) jest utrzymywana poprzez fizyczne połączenie ich ze sobą, co zapobiega nawet tymczasowej separacji (ilustracja 1). To znacznie zmniejsza ryzyko strat impedancyjnych i przesłuchów.

Ilustracja 1: skrętka dwużyłowa niespojona po lewej stronie utraciła wyrównanie środków żył z powodu przerwy spowodowanej skręceniem lub zgięciem kabla. Skrętka dwużyłowa spojona po prawej stronie zachowuje odległość między środkami pomimo działania sił zewnętrznych. (Źródło ilustracji: Belden)

W kablach Ethernet z parami spojonymi firmy Belden w skrętkach dwużyłowych wykorzystuje się również przewody z litej miedzi, co zmniejsza rezystancję elektryczną. Ponadto w zastosowaniach PoE przewody z litej miedzi zapewniają większą moc przy mniejszych stratach w porównaniu z przewodami plecionymi. Poprawia to również bezpieczeństwo, zmniejszając ciepło generowane przez rezystancję kabla.

Podsumowując, zmniejszenie rezystancji elektrycznej kabla, strat impedancyjnych i zminimalizowanie przesłuchów skutkuje znacznie lepszą integralnością danych w sieci Gigabit Ethernet, nawet w trudnych warunkach.

Jako kable połączeniowe Gigabit Ethernet firma Belden proponuje zespoły kablowe Ethernet z parami spojonymi C601106010 o długości 3m (ilustracja 2). Są to zespoły kablowe CAT6 z czterema skrętkami dwużyłowymi spojonymi z litego przewodu miedzianego 24AWG. Końce posiadają wtyczki RJ45 z elastomerową nakładką uformowaną na zewnętrznym płaszczu z polichlorku winylu (PVC), zapewniającą wytrzymałe odciążenie kabla i odporność na rozdzielenie. Zapobiega również skręcaniu lub rozdzieleniu skrętek dwużyłowych na zakończeniu RJ45, a także zapewnia ochronę przed wodą i kurzem.

Ilustracja 2: kabel Ethernet C601106010 firmy Belden jest zakończony dwiema wtyczkami RJ45 z elastomerową nakładką odciążającą uformowaną na płaszczu z PVC w celu ochrony zakończeń kablowych przed kurzem i wilgocią. (Źródło ilustracji: Belden)

Niebieski kabel Ethernet ma typową dla kabla Ethernet średnicę 5,715mm. Ponieważ pary spojone i lite żyły nie skutkują zwiększeniem wagi zespołu kablowego, kable C601106010 są odpowiednie do wszelkich zastosowań wymagających prowadzenia kabli komercyjnych.

Zespół kablowy charakteryzuje się prądem znamionowym 1,5A na styk. W połączeniu z gigabitową prędkością przesyłu danych, zespół kablowy C601106010 jest odpowiedni do przemysłowych zastosowań PoE, takich jak robotyka i przemysłowe punkty końcowe Internetu rzeczy (IIoT). Maksymalna rezystancja zestykowa wynosi 0,02Ω, co przy natężeniu 1,5A generuje zaledwie 0,3W ciepła, czyli ilość akceptowalną w zastosowaniach przemysłowych.

Ten zespół kablowy CAT6+ nadaje się do zastosowań 1000Base-T i ma temperaturę roboczą od -10°C do +60°C, dzięki czemu jest odpowiedni do szybkich rozwiązań w automatyce przemysłowej o szerokim zakresie temperatur roboczych.

Do większych odległości firma Belden oferuje zespół kablowy Ethernet z parami spojonymi CA21106025 o długości 7,63m. Jest to zespół kablowy CAT6a o tej samej podstawowej specyfikacji elektrycznej, co zespół kablowy C601106010 firmy Belden i takim samym zakończeniu, jak pokazano na ilustracji 2. Jednak ze względu na większą długość, zespół kablowy CA21106025 jest bardziej podatny na zakłócenia zewnętrzne: kabel o gigabitowej prędkości i długości 7,63m działa jak antena, która może odbierać promieniowanie elektromagnetyczne z elektroniki znajdującej się w pobliżu. Aby zapewnić integralność sygnału, zespół kablowy CA21106025 wyposażono w zewnętrzny ekran z folii aluminiowej. Daje to średnicę 6,731mm, która jest nieco większa niż w przypadku kabli komercyjnych, ale mieści się w granicach tolerancji dla prowadnic kablowych i popularnych metod prowadzenia.

Dzięki takiemu ekranowaniu zespół kablowy CA21106025 firmy Belden jest przystosowany do szybkości 10GBase-T (10Gbit/s) i nadaje się do bardzo zaawansowanych rozwiązań automatyki przemysłowej, a także do przesyłania strumieniowego wideo w wysokiej rozdzielczości w całym obiekcie.

Podsumowanie

Sieci Gigabit Ethernet zapewniają wyższe szybkości transmisji danych w obiektach automatyki przemysłowej. Z takimi szybkościami transmisji danych wiąże się zwiększone ryzyko zakłóceń, przesłuchów i strat odbiciowych, co może skutkować przerywaniem połączenia danych. Ma to miejsce szczególnie w zastosowaniach przemysłowych, gdzie kabel może podlegać wielokrotnemu zginaniu, a w rezultacie mogą obniżyć się jego parametry elektryczne.

Używając kabli Ethernet ze skrętkami dwużyłowymi spojonymi, które charakteryzują się stałą odległością między środkami żył, projektanci mogą wygodnie korzystać z wyższych prędkości na większych odległościach, jednocześnie spełniając wymagania technologii PoE podczas modernizacji istniejących sieci i budowy nowych.