Sådan sikrer du Gigabit ethernet-signalintegritet i industriel automatisering over lange afstande

Twisted-pair Ethernet-kabling betragtes som en moden og pålidelig teknologi, der har været betroet med 10Base-T og 100Base-T datahastigheder i mange år. Men da højhastigheds Ethernet-trafik når 1 gigabit pr. sekund (Gbit/s) og højere, designere nødt til at beskæftige sig med den virkelighed, at signaler er mindre tilgivende af kabel inkonsekvenser og bliver mere modtagelige for interferens, krydstale, impedans tab, tilbagevenden tab på grund af reflekterede signaler, og dæmpning.

Problemerne forværres, efterhånden som kabellængderne øges, f.eks. i industrielle automatiseringsanlæg. Disse har den ekstra komplikation af vridning og bøjning af Ethernet-kabler under layout, samt i applikationer såsom robotteknologi og andre maskiner. Denne gentagne flexing kan adskille de snoede par, kompromittere kabelens elektriske ydeevne. Den resulterende signal dæmpning kan indføre intermitterende tab af data, der forværres over tid. Disse typer af fejl er notorisk vanskelige at identificere og fejlfinde, hvilket forårsager langvarige og dyre systemnedetider.

Denne artikel diskuterer udfordringerne ved at sende højhastigheds digital Ethernet-data over snoede parledere. Det forklarer, hvordan bonded-pair Ethernet-kabler kan bruges til at give konsekvent ydeevne for højhastigheds Ethernet-data over lange afstande, herunder reduceret signal tab og modstand mod fysisk misbrug. Det vil derefter introducere to eksempler på bonded-pair Ethernet-kabler fra Belden og vise, hvordan de kan bruges til at sikre Ethernet-signalintegritet i industrielle miljøer.

Pålidelig afsendelse af gigabit Ethernet-data

Standard Ethernet-kabler sender data over snoede kobberledere. Tidligere kunne billigere kabler kun bruge to snoede par, men moderne konventionelle Ethernet-kabler har fire snoede par til højhastigheds dataoverførsel og Power over Ethernet (PoE) levering. Alle Ethernet-kabler lider signal degradering til en vis grad på grund af kabel konstruktion, kabellængde, interferens og datahastighed. Hvis højhastighedsdata sendes over 10 meter (m) kabel eller mere, er det kabelkonstruktionen, der er ansvarlig for at forhindre overskydende signalforringelse.

De fleste kommercielle og lavhastigheds industrielle Ethernet-kabler bruger snoede par af flettede kobberledere. Snoet kobber er meget fleksibelt og nemt at arbejde med, hvilket resulterer i et kabel, der kan bøjes rundt om hjørner, og som forbliver på plads, når det tapes ned på gulve og monteringspunkter. Men snoede kobbertråde har større modstandsdygtighed over for strømgennemstrømning end faste kobbertråde, især over lange afstande. Dette gør faste kobbertråde mere velegnede til højhastighedsdata, som typisk bruger lavere signalspændinger, hvilket gør højhastighedsdata mere modtagelige for signaldæmpning og tab af data på grund af trådmodstand. For PoE kan fast kobber også transportere mere strøm og genererer mindre varme sammenlignet med snoet kobber, hvilket gør det til en mere hensigtsmæssig mulighed.

Ulempen ved fast kobber er, at det ikke bøjer godt og modstår bøjning mere end snoet kobber, og så kan kræve nogle ekstra indsats, når du lægger ud kablet.

Twisted-pair Ethernet-kabler præsentere en karakteristisk impedans til modtagere og sendere på RJ45 stik. Typisk er denne impedans 100 ohm (Ω) og skal være konsistent langs kablets længde. Impedansen påvirkes af center-til-center-afstanden mellem de to ledere i det snoede par. Sammenstød med et tungt objekt eller stress forbundet med at strække eller klemme et kabel kan adskille de snoede par, ændre center-til-center afstand i nogle sektioner. Dette resulterer i en kabel impedans ændring, der nedbryder signalet. Dette er muligvis ikke mærkbart ved hastigheder på 10 megabit pr. sekund (Mbits/s) (10Base-T) eller 100 Mbits/s (100Base-T) hastigheder, men kan forårsage tab af data ved gigabit hastigheder (1000Base-T).

Crosstalk er en anden årsag til signalnedbrydning. At køre to højhastighedstråde parallelt vil resultere i, at hver leder inducerer en strøm i den anden ledning, hvilket er den værst tænkelige situation for krydstale. For at minimere risikoen for krydstale- og signaltab køres ledninger i selvskærmede snoede par. Men som med impedanstab, hvis de to ledninger i det snoede par skubbes eller flyttes ud af stedet af eksterne kræfter på kablet, det øger kryds og tværs mellem parrene, hvilket reducerer signal pålidelighed.

Kombinationen af impedanstab og krydstale kombineret med kablets elektriske modstand over afstand forårsager returtab på grund af signalets refleksion tilbage til kilden. Selv om der forventes returtab, og der kompenseres for at anvende ECHO-annullering ved opsigelserne, kan et for stort returtab være et alvorligt problem, som resulterer i periodisk datatab. Dette problem kan være notorisk vanskeligt at diagnosticere og kan resultere i overdreven nedetid. Problemet kan forværres i industrielle miljøer med høj vibration, hvor Ethernet-kabelets position skifter og forårsager skiftende elektriske egenskaber, hvilket resulterer i datasignalproblemer, der på mystisk vis forsvinder, når vibrationen eller bevægelsen ophører.

Bundet-par Ethernet-kabler

Som diskuteret er impedanstab, krydstale og returtab alle stærkt påvirket af inkonsekvent center-til-center-afstand mellem det snoede par langs kablets længde. For designere, der dirigerer højhastigheds Ethernet-forbindelser i barske miljøer, har Belden løst problemet med sine 10GX CAT6 og CAT5E bonded-pair modulære Ethernet-ledninger til gigabit Ethernet.

Bundne parkabler opretholder en fast leder-til-leder-centricitet mellem de snoede parledere ved fysisk at binde dem sammen, hvilket forhindrer selv midlertidig adskillelse (figur 1). Dette reducerer i høj grad risikoen for impedanstab og krydstale.

Figur 1: Det nonbonded snoede par til venstre har mistet leder-til-leder centricitet på grund af et hul forårsaget af vridning eller bøjning af paret. Det snoede par til højre fastholder sin centricitet til trods for ydre kræfter. (Billedkilde: Belden)

Belden bundet-par Ethernet-kabler også bruge solid kobber ledere til de snoede par, reducere elektrisk modstand. Derudover tillader faste kobberledere mere strøm med mindre tab sammenlignet med snoede kobbertråde til PoE-applikationer. Dette forbedrer også sikkerheden ved at reducere varme forårsaget af kabelmodstand.

Tilsammen, reducere den elektriske modstand af kablet, reducere impedans tab, og minimere krydstale, resulterer i væsentligt forbedret dataintegritet for gigabit Ethernet, selv i barske miljøer.

For gigabit Ethernet patch ledninger, Belden giver C601106010 10 fod (ft.) bonded-pair Ethernet kabel samling (figur 2). Det er en CAT6+kabel samling med fire bonded twisted snoede par af 24 AWG fast kobbertråd. Enderne afsluttes med RJ45 stik med en elastomer boot støbt til polyvinylchlorid (PVC) ydre jakke, danner en stærk belastning relief, der modstår adskillelse. Det forhindrer også vridning eller adskillelse af de snoede par ved RJ45 terminering, samt giver beskyttelse mod vand og støv.

Figur 2: Belden C601106010 Ethernet-ledningen er termineret i to RJ45-stik med en elastomerstøvleaflastning støbt over PVC-kappen for at beskytte kabeltermineringerne mod støv og fugt. (Billedkilde: Belden)

Det blå Ethernet-kabel er 5,715 millimeter (mm) i diameter, typisk for et Ethernet-kabel. Da de limede par og faste ledere ikke tilføjer yderligere bulk til kabelsamlingen, er C601106010 egnet til enhver anvendelse, hvor kommercielle kabler ville blive trukket.

Kabelenheden har en strømstyrke på 1.500 ampere (A) pr. kontakt. Kombineret med gigabithastigheden er C601106010 velegnet til industrielle PoE-applikationer såsom robotteknologi og industrielle Internet of Things (IIoT) endepunkter. Den maksimale kontaktmodstand er 0,020 Ω, hvilket ved 1.500 A genererer blot 0.300 watt varme, en acceptabel mængde til industrielle applikationer.

Denne CAT6+ kabelsamling er normeret til 1000Base-T applikationer og har en driftstemperatur på -10 °C til +60 °C, hvilket gør den velegnet til højhastigheds industriel automatisering applikationer med brede temperatur ekstremer.

For længere afstande, gør Belden CA21106025 25 ft. bundet-par Ethernet-kabel samling. Det er en CAT6a-kabelenhed med de samme grundlæggende elektriske specifikationer som Belden C601106010, og den samme terminal som i figur 2. Men fordi CA21106025 kabel er længere, er det mere modtagelige for ekstern interferens: gigabit hastigheder over en 25 ft kabel fungerer som en antenne, der kan opfange elektromagnetisk stråling fra omkringliggende elektronik. For at sikre signalintegritet har CA21106025 en aluminiumsfolie ydre afskærmning. Dette resulterer i en diameter på 6,731 mm, som er lidt større end kommercielle kabler, men godt inden for tolerancerne for kabelføringer og fælles routingmetoder.

Med denne afskærmning er Belden CA21106025-kablet vurderet til 10 GBase-T (10 Gbits/s), hvilket gør det velegnet til meget avancerede industrielle automatiseringsapplikationer samt til streaming af high-definition video i hele anlægget.

Konklusion

Gigabit Ethernet bringer højere datahastigheder til industriautomatiseringsanlæg. Med disse datahastigheder kommer den øgede risiko for interferens, krydstale og returtab, som kan resultere i intermitterende dataforbindelser. Dette gælder især i industrielle applikationer, hvor kablet kan blive udsat for gentagne bøjninger, hvilket medfører tab af kabelelektrisk ydeevne.

Ved hjælp af snoede Ethernet-kabler, der sikrer en fast center-til-center-centricitet, kan designere komfortabelt bruge højere hastigheder over større afstande, samtidig med at de opfylder PoE's krav til netværksopgraderinger og nye implementeringer.