Cum se asigură integritatea semnalului Ethernet Gigabit în implementările de automatizare industrială pe distanțe lungi

Cablajul Ethernet cu perechi torsadate este considerat o tehnologie matură și fiabilă, pe care oamenii se bazează de mulți ani pentru vitezele de transfer de date 10Base-T și 100Base-T. Cu toate acestea, pe măsură ce traficul Ethernet de mare viteză atinge 1 gigabit pe secundă (Gbit/s) și mai mult, proiectanții trebuie să se confrunte cu realitatea faptului că semnalele sunt mai puțin iertătoare față de inconsecvențele cablurilor și devin mai sensibile la interferențe, diafonie, pierderi de impedanță, pierderi la retur cauzate de semnalele reflectate, precum și la atenuare.

Problemele se intensifică odată cu creșterea lungimii cablurilor, cum ar fi în cazul instalațiilor de automatizare industrială. Acestea prezintă complicații suplimentare legate de torsadarea și îndoirea cablurilor Ethernet în timpul pozării, dar și în aplicații precum robotica și alte utilaje. Această îndoire repetată poate separa perechile torsadate, compromițând performanța electrică a cablului. Atenuarea rezultată a semnalului poate introduce pierderi de date intermitente care se agravează în timp. Faptul că aceste tipuri de erori sunt dificil de identificat și de rezolvat este un lucru cunoscut, iar acest lucru cauzează întreruperi costisitoare și de durată ale sistemului.

Acest articol analizează provocările legate de transmiterea datelor Ethernet digitale de mare viteză prin intermediul conductorilor cu perechi torsadate. Acesta explică modul în care pot fi utilizate cablurile Ethernet cu perechi lipite pentru a obține performanțe constante pentru datele Ethernet de mare viteză pe distanțe lungi, inclusiv pierderi reduse de semnal și rezistență la abuzurile fizice. Apoi, va prezenta două exemple de cabluri Ethernet cu perechi lipite de la Belden și va arăta cum pot fi acestea utilizate pentru a asigura integritatea semnalului Ethernet în mediile industriale.

Trimiterea fiabilă a datelor Ethernet gigabit

Cablurile Ethernet standard trimit date prin intermediul unor conductori de cupru cu perechi torsadate. În trecut, cablurile mai puțin costisitoare puteau folosi doar două perechi torsadate, dar cablurile Ethernet convenționale moderne au patru perechi torsadate, pentru un transfer de date de mare viteză și pentru furnizarea Power over Ethernet (PoE). Toate cablurile Ethernet suferă o degradare a semnalului într-o anumită măsură, din cauza construcției cablului, lungimii acestuia, interferențelor și vitezei de transmisie a datelor. În cazul în care datele de mare viteză sunt trimise pe un cablu de 10 metri (m) sau mai mult, construcția cablului este responsabilă pentru prevenirea degradării excesive a semnalului.

Majoritatea cablurilor Ethernet comerciale și industriale de viteză redusă utilizează perechi răsucite de conductori de cupru torsadat. Cuprul torsadat este foarte flexibil și ușor de prelucrat, rezultând într-un cablu care se poate îndoi în colțuri și care rămâne fixat atunci când este prins cu bandă adezivă pe podele și în punctele de montare. Cu toate acestea, firele de cupru torsadat au o rezistență mai mare la fluxul de curent decât firele de cupru solid, în special pe distanțe lungi. Acest lucru face ca firele de cupru solid să fie mai potrivite pentru datele de mare viteză, care, de obicei, utilizează tensiuni de semnalizare mai mici, ceea ce face ca datele de mare viteză să fie mai sensibile la atenuarea semnalului și la pierderea de date din cauza rezistenței firelor. Pentru PoE, cuprul solid poate transporta mai mult curent și generează mai puțină căldură în comparație cu cuprul torsadat, ceea ce îl face o opțiune mai potrivită.

Dezavantajul cuprului solid este faptul că nu se îndoaie bine și opune mai multă rezistență la îndoire decât cuprul torsadat, ceea ce poate necesita un efort suplimentar atunci când se pozează cablul.

Cablurile Ethernet cu perechi torsadate prezintă o impedanță caracteristică pentru receptoarele și emițătoarele de la fișele RJ45. În mod obișnuit, această impedanță este de 100 ohmi (Ω) și trebuie să fie constantă pe toată lungimea cablului. Impedanța este influențată de distanța dintre centrele celor doi conductori din perechea torsadată. Impactul cu un obiect greu sau solicitările asociate cu întinderea sau strângerea unui cablu pot separa perechile torsadate, modificând distanța dintre centre în unele secțiuni. Acest lucru rezultă într-o modificare a impedanței cablului, care degradează semnalul. Este posibil ca acest lucru să nu fie evident la viteze de 10 megabiți pe secundă (Mbit/s) (10Base-T) sau 100 Mbit/s (100Base-T), dar poate cauza pierderi de date la viteze de gigabiți (1000Base-T).

Diafonia este o altă cauză a degradării semnalului. Dacă se pozează două fire de mare viteză în paralel, fiecare conductor va induce un curent în celălalt fir, ceea ce reprezintă cea mai gravă situație de diafonie. Pentru a minimiza riscul de diafonie și de pierderi de semnal, firele sunt pozate în perechi torsadate și ecranate. Cu toate acestea, ca și în cazul pierderii de impedanță, dacă cele două fire din perechea torsadată sunt împinse sau deplasate din loc ca urmare a forțelor externe aplicate pe cablu, diafonia între perechi crește, reducând fiabilitatea semnalului.

Combinația dintre pierderea impedanței și diafonie, pe lângă rezistența electrică a cablului pe distanță, determină pierderi la retur cauzate de reflectarea semnalului înapoi la sursă. În timp ce pierderile la retur sunt de așteptat și sunt compensate prin anularea ecoului la terminații, pierderile excesive la retur pot fi o problemă serioasă, ducând la pierderi intermitente de date. Această problemă este cunoscută ca fiind dificil de diagnosticat și poate duce la perioade de nefuncționare excesive. Problema poate fi exacerbată în mediile industriale cu vibrații puternice, unde poziția cablului Ethernet se schimbă și determină modificarea caracteristicilor electrice, ceea ce duce la probleme cu semnalul de date, care dispar în mod misterios atunci când vibrațiile sau mișcările încetează.

Cabluri Ethernet cu perechi lipite

După cum s-a discutat, pierderea de impedanță, diafonia și pierderea la retur sunt toate puternic influențate de distanța neconsecventă dintre centrele perechilor torsadate de-a lungul cablului. Pentru proiectanții care realizează conexiuni Ethernet de mare viteză în medii dificile, Belden a rezolvat problema cu ajutorul cablurilor modulare Ethernet 10GX CAT6 și CAT5E cu perechi lipite pentru Ethernet gigabit.

Cablurile cu perechi lipite mențin o centricitate fixă de la conductor la conductor între conductorii perechilor torsadate, prin lipirea fizică a acestora, împiedicând chiar și separarea temporară (Figura 1). Acest lucru reduce foarte mult riscul de pierdere de impedanță și de diafonie.

Figura 1: perechea torsadată nelipită din stânga a pierdut centricitatea de la conductor la conductor din cauza unui decalaj cauzat de torsadarea sau îndoirea perechii. Perechea torsadată lipită din dreapta își menține centricitatea, în ciuda forțelor externe. (Sursa imaginii: Belden)

De asemenea, cablurile Ethernet cu perechi lipite Belden utilizează conductori de cupru solid pentru perechile torsadate, reducând rezistența electrică. În plus, conductorii de cupru solid permit o putere mai mare cu pierderi mai mici în comparație cu firele de cupru torsadat pentru aplicațiile PoE. Acest lucru îmbunătățește și siguranța, prin reducerea căldurii cauzate de rezistența cablului.

Luate împreună, reducerea rezistenței electrice a cablului, reducerea pierderilor de impedanță și minimizarea diafoniei rezultă într-o integritate semnificativ îmbunătățită a datelor pentru Ethernet gigabit, chiar și în medii dificile.

Pentru cablurile de legătură Ethernet gigabit, Belden oferă ansamblul de cabluri Ethernet cu perechi lipite de 10 picioare (ft.) C601106010 (Figura 2). Acesta este un ansamblu de cabluri CAT6+ cu patru perechi torsadate lipite, cu sârmă de cupru solid de 24 AWG. Capetele au terminații cu fișe RJ45, cu un manșon din elastomer turnat pe mantaua exterioară din clorură de polivinil (PVC), formând o protecție puternică împotriva solicitărilor, ce rezistă la separare. De asemenea, aceasta previne răsucirea sau separarea perechilor torsadate la terminația RJ45 și oferă protecție împotriva apei și prafului.

Figura 2: cablul Ethernet C601106010 de la Belden este terminat cu două fișe RJ45 cu un element de reducere a solicitării din elastomer turnat peste mantaua din PVC, pentru a proteja terminațiile cablului de praf și umezeală. (Sursa imaginii: Belden)

Cablul Ethernet albastru are un diametru de 5,715 milimetri (mm), tipic pentru un cablu Ethernet. Deoarece perechile lipite și conductorii solizi nu adaugă niciun volum suplimentar la ansamblul de cabluri, C601106010 este potrivit pentru orice aplicație în care ar fi trase cabluri comerciale.

Ansamblul de cabluri are un curent nominal de 1,500 de amperi (A) pe contact. Combinat cu viteza nominală de nivelul gigabiților, C601106010 este potrivit pentru aplicații PoE industriale, cum ar fi robotica și punctele finale ale Internetului industrial al lucrurilor (IIoT). Rezistența maximă de contact este de 0,020 Ω, care la 1,500 A generează doar 0,300 wați de căldură, o cantitate acceptabilă pentru aplicațiile industriale.

Acest ansamblu de cabluri CAT6+ este clasificat pentru aplicații 1000Base-T și are o temperatură de funcționare cuprinsă între -10 °C și +60 °C, ceea ce îl face adecvat pentru aplicații de automatizare industrială de mare viteză cu o gamă amplă de temperaturi extreme.

Pentru distanțe mai mari, Belden produce ansamblul de cabluri Ethernet cu perechi lipite de 25 ft. CA21106025. Acesta este un ansamblu de cabluri CAT6a cu aceleași specificații electrice de bază ca și Belden C601106010 și cu aceeași terminație din Figura 2. Cu toate acestea, deoarece cablul CA21106025 este mai lung, este mai susceptibil la interferențe externe: vitezele gigabit pe un cablu de 25 ft. acționează ca o antenă care poate capta radiații electromagnetice de la aparatele electronice din jur. Pentru a asigura integritatea semnalului, CA21106025 are un scut exterior din folie de aluminiu. Acest lucru rezultă într-un diametru de 6,731 mm, care este puțin mai mare decât cel al cablurilor din comerț, dar se încadrează bine între toleranțele pentru ghidajele de cablu și metodele obișnuite de trasare.

Cu această ecranare, ansamblul de cabluri Belden CA21106025 este clasificat pentru viteze de 10GBase-T (10 Gbit/s), ceea ce îl face potrivit pentru aplicații de automatizare industrială de foarte înaltă calitate, precum și pentru streaming video de înaltă definiție în întreaga instalație.

Concluzie

Ethernet gigabit aduce viteze mai mari de transmitere a datelor în instalațiile de automatizare industrială. Odată cu aceste viteze de transfer de date, crește și riscul de interferență, diafonie și pierderi la retur, ceea ce poate duce la conexiuni de date intermitente. Acest lucru este valabil în special în aplicațiile industriale în care cablul poate fi supus la îndoiri repetate, ceea ce duce la pierderea performanțelor electrice ale cablului.

Prin utilizarea cablurilor Ethernet cu perechi torsadate lipite care asigură o centricitate fixă între centrele cablurilor, proiectanții pot utiliza confortabil viteze mai mari pe distanțe mai mari, respectând în același timp cerințele PoE pentru upgrade-uri de rețea și implementări noi.