Sikkerhed, ydeevne og pålidelighed i fysiske industrielle netværk

En af fordelene ved Ethernet er, at det virkelig er blevet standardiseret og gør det nemt at oprette forbindelser. Samtidig kan et dårligt komponentvalg være en fare og risiko for sikkerhed, ydeevne og/eller pålidelighed i industrielle miljøer. Der skal planlægges for dynamiske miljøforhold for Ethernet-kabling ligesom for andre ledninger, kabler og stik, der skal bruges i kontrolpaneler, maskiner og udstyr. Denne diskussion vil undersøge almindelige og gennemgribende miljøfaktorer som EMI-støj (elektromagnetisk interferens), strategier og produktløsninger til at mindske og fjerne støj som en trussel mod Ethernet-enhedens ydeevne.

Bedste praksis for EMI-styring i kontrolpanelet

Kabinettet i et kontrolpanel til en maskine udgør en EMI-barriere, der beskytter det interne kredsløb mod eksterne støjkilder. Panduit industrielle Ethernet-kabelsæt er konstrueret af kategori 5e og 6A, industrielt kvalitetskabel med snoet parsnoede parsnoede kabler til UTP- og STP-installationer. Hvert ledningssæt er UL-, NEMA- og IP-klassificeret til at kunne modstå let vask og midlertidig nedsænkning uden tab af ydeevne for at sikre pålidelighed. EMI genereres dog også af det interne kredsløb. Enhederne i kabinetterne kan være mere udsatte på grund af deres følsomhed og nærhed til disse interne EMI-kilder, der genererer EMI. Styringen af industrielle processer befinder sig i kabinetterne, og derfor er der behov for yderligere beskyttelse, selv om enhederne allerede er beskyttet mod ydre EMI (Figur 1).

Figur 1: EMI-støjrisiko i en indkapsling til industrielle automatiseringssystemer. (Billedkilde: Panduit)

På grund af den tætte afstand mellem følsomme enheder og støjende kilder er de vigtigste former for EMI i et kabinet kapacitiv og induktiv kobling. Forståelse af begge kilder hjælper med at undersøge, hvordan bedste praksis og specifikation af støjdæmpende produkter forbedrer udstyrets pålidelighed.

Begge former for kobling er utilsigtede og opstår, når strømmen i en ledning inducerer en spænding i en parallel ledning, der ligger inden for dens magnetfelt. Kapacitiv kobling er mere problematisk i højfrekvente kredsløb, mens induktiv kobling er mere problematisk i højstrømskredsløb. Størrelsen af den genererede støj kan måles med et oscilloskop med en offertråd tilsluttet (figur 2). Det anbefales at anvende en flerlaget tilgang til at mindske EMI for at opretholde driften af kritisk kommunikations- og kontrolinfrastruktur. Disse beskyttelseslag omfatter jordings- og bondingmetoder, adskillelse og adskillelse af ledninger, brug af barrierer, kabelafskærmning og brug af filtre. Panduit PanelMax™ Shielded Wiring Duct og Noise Shield leder, adskiller og skærmer følsomme ledninger mod støjemission. Dette gør det muligt at placere stier tættere på hinanden, hvilket sparer værdifuld plads i industrielle kontrolpaneler. Afskærmningen giver op til 20 dB reduktion af støj (EMI/RFI) eller 90 % reduktion af støjspænding (NVR), hvilket svarer til en luftafstand på 6 tommer mellem følsomme ledninger og ledninger, der udsender støj.

Figur 2: EMI-typer, -kilder og metoder til afhjælpning af problemer. (Billedkilde: Panduit)

Den type afskærmning, der anvendes i det valgte kabel, afhænger af støjkilderne og den type støj, der forventes i miljøet.

Det er vigtigt at vælge den rette infrastruktur til netværkskommunikation i et industrielt miljø. Et ofte stillet spørgsmål er "hvornår og hvordan man skal bruge afskærmet kabling". Afskærmede kabler bruges ofte i industrielle miljøer for at mindske uønsket interferens, der finder vej ind i Ethernet-netværkskablerne. Uafskærmet kabel giver en vis grad af beskyttelse mod interferens på grund af det balancerede, snoede pardesign, men giver ikke samme beskyttelsesniveau som afskærmet kabel. Denne "elektriske balance" gør det muligt for kablet at minimere virkningerne af EMI, og jo bedre balancen er, desto bedre beskyttelse. I industriområder, hvor der er mange forstyrrelser, giver brugen af afskærmede kabler et ekstra beskyttelseslag.

Hvad er elektrisk støj?

Det primære anvendelsesområde for afskærmet kabel er miljøer, der indeholder elektriske støjkilder i nærheden af kommunikationskabler. Det miljø, hvor kablet skal installeres, er for det meste afgørende for, om der skal bruges afskærmet eller ikke-afskærmet kabel. ANSI/TIA-1005-A-standarden beskriver MICE-klassificeringssystemet (Mechanical/Ingress/Climatic-Chemical/Electromagnetic). Panduit M.I.C.E guide er et effektivt værktøj, der giver nyttige retningslinjer for kvantificering af mængden af miljøbelastninger som f.eks. elektrisk støj pr. klassifikation.

Årsager til at bruge skærmet kabel:

• Påbudt af virksomhedens specifikationer eller lokale krav - Produktionsvirksomheder og systemintegratorer inden for visse vertikale sektorer har arbejdet meget i udfordrende miljøer med installation af netværkskabler. Denne stammeviden om kendte "elektrisk støjende" miljøer er bedst dækket af dokumentation i virksomhedens specifikationer og standarder. Det er almindeligt for disse virksomheder at inkludere krav og retningslinjer i design og teknisk dokumentation (bedste praksis) for, hvornår der skal anvendes afskærmet kabel til bestemte anvendelser.

  Korrekt udformning af kabelinfrastruktur omfatter at undgå elektrisk støjende områder så vidt muligt og anvende bedste praksismetoder, f.eks. krydsning af vekselstrømsledninger i 90 grader og korrekt jordforbindelse af skærme på det afskærmede kabel.

• Infrastrukturen er placeret tæt på fabriksgulvet, og datatransmissionen er kritisk - Ofte er der datatransmissionslinjer tæt på fabriksgulvet, som er udsat for en vis grad af miljøbelastning. Kabler i virksomhedskvalitet er typisk ikke så robuste som kabler, der er beregnet til industrielle anvendelser. Eksponering for forskellige typer kemikalier, indtrængen af væsker, elektrisk støj og bøjningsanvendelser løses bedst ved at bruge industrikabler. Ved at specificere det rigtige kabel i designfasen forbedres hele systemets levetid og ydeevne.
• Motion Control- og højhastighedsautomatiseringsapplikationer - På grund af det iboende støjende miljø i motion control- og højhastighedsautomatiseringssystemer kræver eller anbefaler mange leverandører af motion control-produkter afskærmede kabler. Disse systemer er tidskritiske og afhængige af hver enkelt informationspakke. Selv om forskellen kun er et spørgsmål om millisekunder, kan en maskine med høj hastighed gå offline eller forårsage skade på udstyret. I ekstreme tilfælde af elektrisk støj fra bevægelse anbefales det at anvende fiberoptiske kontrolfibre.
• MICE-niveau (mekanisk/indgreb/klimatisk/kemisk/elektromagnetisk) på E2 eller E3

Figur 3: E2- eller_{E3-MICE-niveauer} afspejler alvorlige niveauer af støjinterferens. MICE-klassificeringssystemet er et effektivt værktøj fra TIA-1005-standarden, som giver nyttige retningslinjer for kvantificering af mængden af miljøbelastninger som f.eks. elektrisk støj pr. klassifikation. For yderligere oplysninger om MICE henvises til standarden eller til Panduit MICE-vejledningsmaterialet på Panduit MICE-webstedet. (Billedkilde: Panduit)

Elektrisk støj i form af EMI og radiofrekvensinterferens (RFI) er almindeligt forekommende i industrielle miljøer. Disse former for elektrisk støj kan forstyrre transmissionen af Ethernet-netværkskabler. Kilder til elektromagnetisk interferens omfatter, men er ikke begrænset til: elektriske motorer, variable frekvensdrev, kontaktorer/relæer, svejsning, fluorescerende belysning og radiokommunikation. Disse enheder anvendes i industrielle miljøer og påvirker ofte netværkskablerne gennem induktiv, magnetisk eller kapacitiv kobling. Elektrisk støj kan også overføres gennem fælles jord i knudepunkter. Der kræves dog ikke omfattende viden om disse principper for at udvikle en veludformet fysisk infrastruktur. Fysisk adskillelse med luftrum og/eller isoleringsbarrierer er effektiv, men på visse punkter er Ethernet-netværkskabler stadig udsat for støjrisikoen. Det kan være vanskeligt at bestemme kilden til støjen i et styresystem, og det kan kræve en betydelig mængde testudstyr og tid. Derfor sparer man værdifuld tid og ressourcer ved at følge bedste praksis i forbindelse med udformningen af den fysiske infrastruktur og sikrer samtidig bedre ydeevne. Jord- og bonding-systemer er en integreret del af Ethernet-kommunikationsinfrastrukturen, men det er ikke en absolut videnskab. Hver applikation har sine egne unikke støj- og jordingssituationer, som kræver bedste praksis og erfaring for at forstå. Ukorrekt jording og bonding kan lede støj, der forstyrrer transmissionen af Ethernet-pakker.

Du kan få flere oplysninger om afskærmede applikationer ved at besøge Panduit'sanvendelsesguide for industrielt miljø eller downloade hvidbogen Noise Mitigation for Control Panels (støjdæmpning for kontrolpaneler ). Du kan få flere oplysninger om MICE-retningslinjerne på Panduit MICE-landingssiden.