Asigurați conectivitatea în medii dure cu ajutorul cablurilor Ethernet cu perechi lipite

Odată cu migrarea către Internetul industrial al lucrurilor (IIoT), cererea pentru fiabilitate și performanță sporite în mediile industriale bogate în senzori și actuatoare reprezintă o provocare tot mai mare pentru dezvoltatorii care caută soluții de conectivitate robuste. Mediile electrice zgomotoase limitează metodele wireless, în timp ce mediile fizice dificile complică utilizarea abordărilor convenționale de cablare. Proiectanții au nevoie de o soluție de conectivitate mai eficientă, capabilă să mențină fiabilitatea și performanța.

O opțiune este utilizarea cablării Ethernet cu perechi lipite, care împiedică separarea perechilor de fire torsadate pentru a menține integritatea semnalului.

Acest articol descrie provocările cu care se confruntă proiectanții atunci când iau în considerare opțiunile de cablare pentru mediile dificile. Apoi, arată cum pot aborda proiectanții aceste provocări cu ajutorul cablurilor Ethernet cu perechi lipite, utilizând exemple de la Belden pentru a ilustra caracteristicile și performanțele tehnologiei în raport cu cablurile Ethernet clasice.

Mediile industriale în evoluție pun la încercare fiabilitatea și performanța rețelelor

Necesitatea unei varietăți și a unui număr mai mare de senzori și actuatoare în cadrul IIoT în continuă evoluție a sporit provocările cu care se confruntă proiectanții de rețele industriale. În plus față de cerința constantă pentru o conexiune fiabilă, rețelele industriale trebuie să asigure atât performanțe în timp real, cât și o capacitate de transfer de date mai mare. Acest lucru este necesar deoarece sistemele bazate pe imagini se integrează cu senzori de înaltă precizie pentru a juca un rol critic în diverse etape ale procesului de fabricație. În timp ce tehnologiile de rețea, cum ar fi standardele IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN), ajută proiectanții să îndeplinească cerințele de performanță Ethernet deterministă, rețelele Ethernet de 10 gigabiți (Gbit) devin un standard pe măsură ce mediile industriale se confruntă cu un volum, o viteză și o varietate mai mari de date.

Asigurarea fiabilității și performanței rețelei în mediul industrial rămâne o provocare din cauza naturii mediului electric și fizic tipic al unei fabrici. În acest mediu, zgomotul electric generat de mașini și perturbațiile de putere se combină cu diverse surse de interferențe electromagnetice (EMI) și interferențe de radiofrecvență (RFI), compromițând integritatea semnalelor de comunicații. Din punct de vedere fizic, în fabrică există o serie de provocări importante legate de prezența combustibilului, uleiului, solvenților și a altor substanțe chimice pe podea, precum și de nivelul de umiditate, temperaturile ridicate și fluctuațiile rapide de temperatură generate de activitatea mașinilor, procesele industriale și scânteile de sudură.

La construirea rețelelor de comunicații, proiectanții de rețele din fabrici se bazează pe cabluri de comunicații care seamănă doar superficial cu cablurile destinate instalării în clădirile comerciale. Așa cum se întâmplă și în clădirile comerciale, un cablu cu clasificarea „pentru montare pe verticală” cunoscut sub denumirea de cablu multifuncțional de comunicații, cu montare pe verticală (CMR), este folosit pentru pozarea cablurilor prin coloane ascendente sau puțuri verticale în instalațiile industriale. În mod similar, un cablu cu clasificarea „pentru montare în spaţiile de refulare”, cunoscut sub numele de cablu multifuncțional de comunicații, cu montare în spaţiile de refulare (CMP), este un cablu cu o clasificare superioară, necesar pentru a restricționa propagarea flăcărilor și a fumului în pozarea orizontală a cablurilor în spațiile aflate sub podele sau plafoane.

Totuși, spre deosebire de majoritatea instalațiilor din clădirile comerciale, cablurile din mediul industrial sunt deosebit de sensibile la stresul mecanic cauzat de vibrațiile continue, flexiunea, abraziunea și strivirea cauzate de operațiunile normale din fabrică. De-a lungul timpului, specialiștii în proiectarea rețelelor industriale au folosit o varietate de materiale pentru a izola mantaua cablurilor, astfel încât să poată găsi un echilibru adecvat între costuri și performanță în rețelele pe care le construiesc.

Caracteristicile cablurilor industriale

Deși materialele de izolație a cablurilor variază în funcție de cerințele specifice, polimerul de etilenă fluorurat (FEP) și clorura de polivinil (PVC) sunt două materiale utilizate în mod obișnuit în cazul mantalelor cablurilor industriale. În cablurile clasificate CMP, FEP este adesea utilizat datorită caracteristicilor sale de rezistență la fum și de ignifugare. Utilizarea FEP în mantalele cablurilor de comunicații nu numai că minimizează propagarea flăcării, ci și restricționează dispersarea densă a fumului în caz de incendiu prin conductele de aer. Cablurile FEP sunt cunoscute pentru rezistența lor chimică puternică și pot de obicei să facă față unei varietăți extinse de temperaturi ambiante. De exemplu, cablul Ethernet DataTuff 7931A cu manta FEP cu patru perechi și clasificat CMP de la Belden (7931A 0101000), este specificat pentru o gamă de temperaturi de funcționare de la -70 la +150°C.

Cablurile clasificate CMR sunt izolate de obicei cu PVC, care oferă costuri mai mici, asigurând în același timp o durabilitate și o rezistență corespunzătoare la substanțe chimice, căldură și apă. PVC-ul prezintă, de obicei, o temperatură de funcționare mai limitată, în conformitate cu utilizarea sa tipică în conductele ascendente. De exemplu, cablul Ethernet DataTuff 7953A cu manta PVC cu patru perechi și clasificat CMR de la Belden (7953A 0101000), este specificat pentru o gamă de temperaturi de funcționare de la -40 la 75°C.

Pe lângă FEP și PVC, deseori se recurge la utilizarea altor materiale, fie individual, fie în combinație, pentru satisfacerea anumitor necesități specifice. De exemplu, pentru cablul său Ethernet DataTuff 7962A cu două perechi (7962A 1SW1000), Belden combină o manta exterioară din elastomer termoplastic (TPE), o manta interioară din polietilenă (PE) și o izolație a firelor din poliolefină (PO) pentru a oferi un cablu rezistent, ignifug și rezistent la ulei, potrivit pentru medii periculoase.

Selectarea cablului pentru rețelele Ethernet industriale implică mai multe decizii importante, iar alegerea materialului pentru mantaua cablului este doar una dintre acestea. După cum s-a menționat mai devreme, cablurile de comunicații industriale pot fi supuse unor tensiuni mecanice semnificative care au ca rezultat creșterea zgomotului de semnal în cablurile convenționale cu perechi torsadate. Acest tip de cablu familiar se bazează pe reducerea diafoniei și a susceptibilității la interferențe, care apar atunci când o pereche de fire sunt torsadate. Cu toate acestea, în practică, solicitările legate de instalare și de funcționarea zilnică tipică în mediul industrial pot cauza separarea firelor împerecheate (Figura 1).

Figura 1: Cablul convențional cu perechi torsadate reduce diafonia și zgomotul în timp ce firele împerecheate rămân apropiate (sus), dar firele se separă în mod obișnuit (jos) după îndoiri, flexiuni și tracțiuni repetate. (Sursa imaginii: Belden)

Pe măsură ce distanța dintre conductori, sau centricitatea, crește din cauza îndoirii, flexiunii sau tragerii continue, efectul de anulare a zgomotului al perechii torsadate se degradează semnificativ. În timp, integritatea semnalului este compromisă, afectând fiabilitatea transmisiunilor în rețea. Alternativa Belden la cablurile de comunicații convenționale cu perechi torsadate este concepută pentru a menține integritatea semnalului în ciuda rigorilor instalării și a utilizării continue.

Tehnologia perechilor lipite oferă imunitate la tensiuni

Tehnologia patentată Belden a perechilor lipite creează o legătură reală între firele din fiecare pereche pentru a menține o centricitate optimă pentru toate perechile torsadate dintr-un cablu de comunicații, evitând golurile care pot compromite integritatea semnalului (Figura 2).

Figura 2: Spre deosebire de tehnologia convențională cu perechi torsadate (stânga), tehnologia Belden cu perechi lipite (dreapta) asigură faptul că distanța dintre firele împerecheate dintr-un cablu rămâne fixă în ciuda îndoirii, flexiunii sau tragerii. (Sursa imaginii: Belden)

Tehnologia Belden cu perechi lipite are ca rezultat cabluri cu o rezistență la tracțiune care este de obicei cu 40% mai puternică decât în cazul un cablu Ethernet convențional. În același timp, un cablu Belden cu perechi lipite poate fi îndoit sau flexat în siguranță de-a lungul unei raze de îndoire de patru ori mai mică decât diametrul exterior al cablului. În schimb, raza de curbură a unui cablu Ethernet obișnuit este limitată de obicei la de zece ori diametrul exterior.

Rezistența suplimentară conferită de tehnologia cu perechi lipite se traduce prin capacitatea de a menține fiabilitatea în ciuda stresului continuu datorat flexiunii în timpul instalării sau al funcționării normale. Deși industria nu dispune de un standard pentru măsurarea capacității de a rezista la flexiune, Belden a creat un test de flexiune conceput pentru a simula condițiile obișnuite de funcționare industrială.

Înainte de a o supune la o mișcare multiaxială de 10 picioare pe secundă (ft./s) timp de 28.800 de cicluri pe zi, inginerii de la Belden au supus inițial o lungime de 15 picioare (ft) de cablu cu perechi lipite la o curbură strânsă de 3 inch (in.). Echipa de ingineri Belden a monitorizat continuu cablul testat pentru scurtcircuite, căderi de tensiune și alte probleme în opt puncte de-a lungul acestuia. Ei au oprit testul după 10.075.000 de cicluri de flexiune, fără a fi detectat nicio defecțiune fizică sau electrică.

Performanța robustă a cablului cu perechi lipite devine evidentă atunci când se compară performanța electrică a acestuia cu cea a cablului convențional. Utilizând marja de legătură ca măsură, testele au arătat că performanța cablului Belden cu perechi lipite este menținută înainte și după instalare (Figura 3, stânga). În schimb, cablurile convenționale cu perechi torsadate care trec testele de performanță pe bobină pot eșua după instalare din cauza separării perechilor după ce cablul a fost supus solicitărilor normale de tragere, îndoire și flexiune din timpul instalării (Figura 3, dreapta).

Figura 3: Într-un cablu Belden cu perechi lipite, marja de legătură rămâne ridicată în perechile de date individuale (albastru/galben/verde/roșu) înainte și după instalare (stânga), în timp ce cablurile convenționale cu perechi torsadate care se testează bine pe bobină prezintă ulterior o reducere dramatică după instalare din cauza separării perechilor cauzate de stresul instalării. (Sursa imaginii: Belden)

În comparație cu un cablu cu perechi lipite, un cablu convențional cu perechi torsadate poate prezenta, de asemenea, fluctuații neregulate ale impedanței în funcție de frecvență, din cauza golurilor create între perechile de fire în timpul instalării și manipulării (Figura 4).

Figura 4: Impedanța cablului Belden cu perechi lipite (stânga) rămâne stabilă înainte și după instalare, în comparație cu modificările de impedanță induse de manipulare ale cablului industrial convențional (dreapta). (Sursa imaginii: Belden)

În condiții normale de funcționare, cablurile cu perechi lipite neecranate pot menține protecția împotriva zgomotului, adesea la un cost mai mic decât cablurile ecranate convenționale. Pentru proiectanții de rețele industriale, protecția împotriva zgomotului oferită de cablul cu perechi lipite ajută la reducerea constrângerilor de pozare în comparație cu cablul industrial ecranat convențional. De exemplu, liniile directoare ale ODVA (fosta Open DeviceNet Vendors Association) recomandă ca, pentru a evita interferențele, cablul ecranat convențional să nu se afle la mai mult de 5 picioare de sursele electromagnetice. În schimb, protecția împotriva zgomotului a cablului cu perechi lipite neecranat permite proiectanților de rețele să direcționeze acest cablu la o distanță de 6 inch sau mai puțin de o sursă fără a compromite integritatea semnalului.

Concluzie

Mediile industriale fizice și electrice dure complică selecția cablurilor capabile să mențină integritatea necesară a semnalului pe măsură ce ratele de date IIoT cresc. După cum se arată, tehnologia patentată Belden pentru perechi lipite oferă o soluție eficientă, capabilă să mențină performanța conectivității mai eficient decât cablurile Ethernet industriale convenționale.