Sørg for forbindelse i barske miljøer med bundne Ethernet-kabler

Med overgangen til Industrial Internet of Things (IIoT) giver efterspørgslen efter øget pålidelighed og ydeevne i sensor- og aktuatorrige industrielle miljøer voksende udfordringer for udviklere, der leder efter robuste tilslutningsløsninger. Støjende elektriske miljøer begrænser trådløse metoder, mens barske fysiske miljøer komplicerer brugen af konventionelle kablingsmetoder. Designere har brug for en mere effektiv tilslutningsløsning, der kan opretholde pålidelighed og ydeevne.

En mulighed er at bruge bundet parsnoede Ethernet kabling, der forhindrer adskillelse af de snoede trådpar for at bevare signalintegriteten.

Denne artikel beskriver de udfordringer, som designere står over for, når de overvejer kablingsmuligheder til barske miljøer. Derefter viser den, hvordan de kan løse disse udfordringer med bundne parsnoede Ethernet-kabler, og bruger eksempler fra Belden til at illustrere teknologiens egenskaber og ydeevne i forhold til klassiske Ethernet-kabler.

Industrielle miljøer i udvikling udfordrer netværkets pålidelighed og ydeevne

Behovet for et større udvalg og antal sensorer og aktuatorer i den voksende IIoT har forværret udfordringerne for designere af industrielle netværk. Sammen med det løbende behov for pålidelig forbindelse skal industrielle netværk levere både realtidsydelse og højere kapacitet, da vision-baserede systemer sammen med højpræcisionssensorer spiller en kritisk rolle i flere faser af fremstillingsprocessen. Mens netværksteknologier som IEEE 802.1-standarderne for tidsfølsomme netværk (TSN) hjælper designere med at opfylde kravene til deterministisk Ethernet-ydeevne, er 10 gigabit (Gbit) Ethernet-netværk ved at blive standarden, efterhånden som industrielle miljøer oplever større datamængder, hastighed og variation.

Det er stadig en udfordring at sikre netværkets pålidelighed og ydeevne i det industrielle miljø på grund af den typiske fabriks elektriske og fysiske miljø. I dette miljø kombineres maskingenereret elektrisk støj og strømforstyrrelser med forskellige kilder til elektromagnetisk interferens (EMI) og radiofrekvensinterferens (RFI) for at kompromittere kommunikationssignalets integritet. Fabriksgulvet byder på store fysiske udfordringer i form af brændstof, olie, opløsningsmidler og andre kemikalier samt fugt, høje temperaturer og hurtige temperaturændringer fra maskiner i drift, industrielle processer og svejsesprøjt.

I opbygningen af deres kommunikationsnetværk er designerne af fabriksnetværk afhængige af kommunikationskabler, der kun overfladisk har ligheder med kabler, der er beregnet til installation i kommercielle bygninger. Ligesom i erhvervsbygninger anvendes et stigrørskabel, kendt som et CMR-kabel (Communications Multipurpose Cable, Riser/CMR), til kabeltræk gennem stigrør eller lodrette skakter i industrianlæg. På samme måde er et plenum-klassificeret kabel, kendt som et CMP-kabel (Communications Multipurpose Cable, Plenum/CMP), et højere klassificeret kabel, der er nødvendigt for at begrænse flammespredning og røg i vandrette kabelstrækninger gennem rum under gulve eller lofter.

I modsætning til de fleste installationer i erhvervsbygninger er kabeltræk i industrimiljøer dog særligt udsatte for mekanisk belastning fra vedvarende vibrationer, bøjning, slid og knusning fra normal fabriksdrift. Designere af industrielle netværk har længe været afhængige af forskellige isoleringsmaterialer til kabelkapper for at opnå den nødvendige balance mellem omkostninger og ydeevne i deres netværk.

Industrielle kabelegenskaber

Selvom kabelisoleringsmaterialer varierer for at opfylde særlige krav, er fluorethylenpolymer (FEP) og polyvinylchlorid (PVC) to materialer, der almindeligvis bruges i industrielle kabelkapper. I CMP-klassificerede kabler anvendes ofte FEP på grund af dets røg- og flammehæmmende egenskaber. Brugen af FEP i kapper til kommunikationskabler reducerer ikke kun flammer, men begrænser også spredningen af røg fra brande gennem luftkanaler. Sammen med stærk kemisk resistens tåler FEP-kabler typisk et bredt temperaturområde i omgivelserne. For eksempel er Beldens CMP-klassificerede firepars FEP-kappe DataTuff 7931A Ethernet-kabel (7931A 0101000) specificeret til et driftstemperaturområde på -70 til +150 °C.

CMR-klassificerede kabler er typisk isoleret med PVC, som er billigere og samtidig har en passende holdbarhed og modstandsdygtighed over for kemikalier, varme og vand. PVC har typisk en mere begrænset driftstemperatur, hvilket stemmer overens med den typiske anvendelse i stigrør. For eksempel er Beldens CMR-klassificerede firepars PVC-kappe DataTuff 7953A Ethernet-kabel (7953A 0101000) specificeret til et driftstemperaturområde på -40 til 75 °C.

Ud over FEP og PVC anvendes andre materialer ofte separat eller sammen for at opfylde specifikke krav. For eksempel kombinerer Belden i sit to-parrede DataTuff 7962A Ethernet-kabel (7962A 1SW1000) en yderkappe af termoplastisk elastomer (TPE), en inderkappe af polyethylen (PE) og en ledningsisolering af polyolefin (PO) for at skabe et robust, flammehæmmende og oliebestandigt kabel, der er egnet til farlige miljøer.

Valget af kappemateriale er kun et af flere vigtige beslutningspunkter i valget af kabel til industrielle Ethernet-netværk. Som tidligere nævnt kan industrielle kommunikationskabler blive udsat for betydelig mekanisk belastning, der resulterer i øget signalstøj i konventionelle parsnoede kabler. Denne velkendte kabeltype er afhængig af den reduktion i krydstale og interferensmodtagelighed, der findes, når et par ledninger er snoet sammen. I praksis kan belastningerne ved installation og typisk daglig drift i det industrielle miljø dog forårsage adskillelse mellem de parrede ledninger (figur 1).

Figur 1: Konventionelle parsnoede kabler reducerer krydstale og støj, mens de parrede ledninger forbliver tæt på hinanden (øverst), men ledningerne adskilles typisk (nederst) efter gentagne bøjninger, fleksion og træk. (Billedkilde: Belden)

Når afstanden mellem lederne, eller centriciteten, øges på grund af fortsat bøjning, fleksion eller træk, forringes det snoede pars støjdæmpende effekt betydeligt. Med tiden bliver signalintegriteten kompromitteret, hvilket påvirker pålideligheden af transmissioner på tværs af netværket. Beldens alternativ til konventionelle parsnoede kommunikationskabler er designet til at bevare signalintegriteten på trods af den hårde installation og løbende brug.

Teknologien med bundne parsnoede kabler giver immunitet over for belastninger

Beldens patenterede teknologi med bundne parsnoede kabler skaber en faktisk binding mellem ledningerne i hvert par for at opretholde en optimal centrering for alle snoede par i et kommunikationskabel, så man undgår huller, der kan kompromittere signalintegriteten (figur 2).

Figur 2: I modsætning til konventionel teknologi med parsnoede kabler (venstre) sikrer Beldens teknologi med bundne parsnoede kabler (højre), at afstanden mellem parrede ledninger i et kabel forbliver fast på trods af bøjning, fleksion eller træk. (Billedkilde: Belden)

Beldens teknologi med bundne parsnoede kabler resulterer i kabler med en trækmodstand, der typisk er 40 % stærkere end konventionelle Ethernet-kabler. Samtidig kan et Belden bundet parsnoet kabel sikkert bøjes eller flekteres langs en bøjningsradius, der er så lille som fire gange kablets ydre diameter. I modsætning hertil er et almindeligt Ethernet-kabels bøjningsradius typisk begrænset til ti gange den ydre diameter.

Den ekstra styrke, som teknologien med bundne parsnoede kabler giver, betyder, at pålideligheden bevares på trods af fortsat belastning fra bøjning under installation eller normal drift. Selvom branchen mangler en standard til at måle evnen til at modstå bøjning, har Belden udviklet en bøjningstest, der er designet til at simulere almindelige industrielle driftsforhold.

Beldens ingeniører udsatte først et 15 fods (ft.) langt bundet parsnoet kabel for en stram bøjning på 3 tommer (in.), før de udsatte det for en multiaksial bevægelse på 10 fod pr. sekund (ft./s) i 28.800 cyklusser pr. dag. Beldens ingeniørteam overvågede løbende kablet under test for kortslutninger, spændingsfald og andre problemer på otte punkter langs dets længde. De stoppede testen efter 10.075.000 flexcyklusser uden at have fundet nogen fysiske eller elektriske fejl.

Det bundne parsnoede kabels robuste ydeevne bliver tydelig, når man sammenligner dets elektriske ydeevne med konventionelle kabler. Ved at bruge linkmargin som målestok viste tests, at Beldens bundet parsnoet kabel opretholder ydeevnen før og efter installationen (figur 3, venstre). I modsætning hertil kan konventionelle parsnoede kabler, der består ydelsestests på spolen, fejle efter installationen på grund af parseparation, efter at kablet har været udsat for de normale træk-, bøjnings- og fleksionsbelastninger ved installationen (figur 3, højre).

Figur 3: I et Belden bundet parsnoet kabel forbliver linkmarginen høj i de enkelte datapar (blå/gul/grøn/rød) før og efter installationen (venstre), mens konventionelle parsnoede kabler, der tester godt på spolen, efterfølgende viser en dramatisk reduktion efter installationen på grund af parseparation forårsaget af installationsstress. (Billedkilde: Belden)

Sammenlignet med et bundet parsnoet kabel kan et konventionelt parsnoet kabel også vise uberegnelige frekvensafhængige impedansudsving på grund af de huller, der opstår mellem ledningsparrene under installation og håndtering (figur 4).

Figur 4: Impedansen i Beldens bundet parsnoet kabel (til venstre) forbliver stabil før og efter installationen, sammenlignet med de håndteringsinducerede impedansændringer i konventionelle industrikabler (til højre). (Billedkilde: Belden)

Ved normal drift kan ikke-afskærmede bunde parsnoede kabler opretholde støjbeskyttelse, ofte til en lavere pris end konventionelle skærmede kabler. For industrielle netværksdesignere hjælper et bundet parsnoet kabels støjbeskyttelse med at lette rutebegrænsninger sammenlignet med konventionelt skærmet industrikabel. For eksempel anbefaler retningslinjer fra ODVA (formerly Open DeviceNet Vendors Association), at konventionelle skærmede kabler ikke føres mere end 1,5 meter fra elektromagnetiske kilder for at undgå interferens. I modsætning hertil gør et uskærmet bundet parsnoet kabels støjbeskyttelse det muligt for netværksdesignere at føre dette kabel inden for 6 tommer eller mindre fra en kilde uden at gå på kompromis med signalintegriteten.

Konklusion

Barske elektriske og fysiske industrielle miljøer komplicerer valget af kabler, der er i stand til at opretholde den nødvendige signalintegritet, efterhånden som IIoT-datahastighederne stiger. Som vist giver Beldens patenterede teknologi med bundet parsnoet kabel en effektiv løsning, der er i stand til at opretholde forbindelsesydelsen mere effektivt end konventionelle industrielle Ethernet-kabler.