Jak zajistit integritu gigabitového ethernetového signálu v nasazeních průmyslové automatizace s dlouhými vzdálenostmi

Ethernetová kabeláž s kroucenými páry je považována za vyspělou a spolehlivou technologii, která je po mnoho let důvěryhodná a nabízí rychlosti přenosu dat 10Base-T a 100Base-T. Avšak vzhledem k tomu, že vysokorychlostní ethernetový provoz dosahuje 1 Gbit/s a více, musí se konstruktéři vypořádat s realitou, že signály jsou citlivější na nekonzistence kabelů a stávají se náchylnějšími k rušení, přeslechu, ztrátě impedance, útlumu odrazu v důsledku odražených signálů a útlumu.

Problémy se zhoršují s prodlužující se délkou kabelů, jako například v závodech s průmyslovou automatizací. Délka navíc představuje komplikaci v podobě kroucení a ohýbání ethernetových kabelů během pokládání, stejně jako v aplikacích, jako je robotika a další stroje. Toto opakované ohýbání může kroucené páry oddělit a narušit elektrický výkon kabelu. Výsledný útlum signálu může způsobit přerušované ztráty dat, které se v průběhu času zhoršují. Tyto typy chyb je notoricky obtížné identifikovat a vyřešit, což způsobuje dlouhé a nákladné prostoje systému.

V tomto článku se pojednává o problémech s odesíláním vysokorychlostních digitálních ethernetových dat přes kroucené páry vodičů. Je zde vysvětleno, jak lze k zajištění konzistentního výkonu pro vysokorychlostní ethernetová data na dlouhé vzdálenosti, včetně snížení ztráty signálu a vyšší odolnosti proti fyzickému namáhání, použít ethernetové kabely se svařenými páry. Poté si zde představíme dva příklady ethernetových kabelů se svařenými páry od společnosti Belden a ukážeme si, jak je lze použít k zajištění integrity ethernetového signálu v průmyslových prostředích.

Spolehlivé odesílání gigabitových ethernetových dat

Standardní ethernetové kabely odesílají data přes měděné vodiče s kroucenými páry. V minulosti mohly levnější kabely používat pouze dva kroucené páry, ale moderní konvenční ethernetové kabely mají čtyři kroucené páry pro vysokorychlostní přenos dat a napájení přes ethernet (PoE). Všechny ethernetové kabely podléhají do určité míry degradaci signálu kvůli konstrukci kabelu, délce kabelu, rušení a rychlosti přenosu dat. Pokud jsou vysokorychlostní data odesílána přes 10 metrů kabelu nebo více, je to právě konstrukce kabelu, která je zodpovědná za zabránění nadměrné degradaci signálu.

Většina komerčních a nízkorychlostních průmyslových ethernetových kabelů používá kroucené páry splétaných měděných vodičů. Splétaná měď je velmi flexibilní a snadno se s ní pracuje, takže kabel s touto konstrukcí lze ohnout kolem rohů a kabel přitom zůstává na svém místě, když je přilepen páskou k podlaze a k montážním bodům. Splétané měděné dráty však mají větší odpor proti toku proudu než pevné měděné dráty, zejména na velké vzdálenosti. Díky tomu jsou pevné měděné vodiče vhodnější pro vysokorychlostní data, která obvykle používají nižší signalizační napětí, takže vysokorychlostní data jsou náchylnější k zeslabení signálu a ztrátě dat v důsledku odporu drátu. Co se týče PoE, může pevná měď také přenášet více proudu a generuje méně tepla ve srovnání se splétanou mědí, díky čemuž je vhodnější volbou.

Nevýhodou pevné mědi je, že se neohýbá dobře a klade ohybu odpor více než splétaná měď, proto může při pokládání kabelu vyžadovat trochu víc úsilí.

Ethernetové kabely s kroucenými páry mají charakteristickou impedanci pro přijímače a vysílače na zástrčkách RJ45. Tato impedance je obvykle 100 Ω a musí být konzistentní po celé délce kabelu. Impedance je ovlivněna vzdáleností mezi středy dvou vodičů v krouceném páru. Náraz těžkým předmětem nebo namáhání spojená s natahováním nebo mačkáním kabelu mohou kroucené páry oddělit a v některých částech změnit vzdálenost mezi středy. To má za následek změnu impedance kabelu, která degraduje kvalitu signálu. Nemusí to být patrné při rychlostech 10 Mbit/s (10Base-T) nebo 100 Mbit/s (100Base-T), ale při gigabitových rychlostech (1000Base-T) může docházet ke ztrátě dat.

Další příčinou degradace signálu je přeslech. Souběžné vedení dvou vysokorychlostních vodičů bude mít za následek, že každý vodič indukuje proud v druhém vodiči, což je ta nejhorší situace pro přeslech. K minimalizaci rizika přeslechu a ztráty signálu jsou vodiče vedeny ve stíněných kroucených párech. Nicméně stejně jako u ztráty impedance, pokud jsou dva vodiče v krouceném páru zasunuty nebo vysunuty ze svého místa vnějšími silami na kabel, zvětšuje se přeslech mezi páry, což snižuje spolehlivost signálu.

Kombinace ztráty impedance a přeslechu v kombinaci s elektrickým odporem kabelu na vzdálenost způsobuje útlum odrazu v důsledku odrazu signálu zpět do jeho zdroje. I když se útlum odrazu očekává a je kompenzován použitím potlačení echa v koncovkách, nadměrný útlum odrazu může být vážným problémem, který má za následek občasnou ztrátu dat. Tento problém může být notoricky obtížně diagnostikovatelný a může mít za následek nadměrné prostoje. Problém je ještě větší v průmyslových prostředích s vysokými vibracemi, kde se poloha ethernetového kabelu posunuje a způsobuje změnu elektrických charakteristik, což má za následek problémy s datovým signálem, který záhadně mizí, když vibrace nebo pohyb přestanou.

Ethernetové kabely se svařenými páry

Jak již bylo probráno, ztráta impedance, přeslech a útlum odrazu jsou silně ovlivněny nekonzistentní vzdáleností mezi středy v krouceném páru po délce kabelu. Pro konstruktéry navrhující vedení vysokorychlostních ethernetových připojení v náročných prostředích vyřešila společnost Belden problém modulárními ethernetovými kabely 10GX CAT6 a CAT5E pro gigabitový ethernet.

Kabely se svařenými páry udržují pevnou centricitu vodič-vodič mezi vodiči kroucených párů tím, že jsou fyzicky spojeny dohromady, čímž brání dokonce i jen dočasnému oddělení (obrázek 1). Výrazně se tak snižuje riziko ztráty impedance a přeslechu.

Obrázek 1: Nesvařený kroucený pár vlevo ztratil centricitu vodič-vodič v důsledku mezery způsobené kroucením nebo ohýbáním páru. Svařený kroucený pár napravo si zachovává svou centricitu navzdory vnějším silám. (Zdroj obrázku: společnost Belden)

Ethernetové kabely se svařenými páry společnosti Belden také používají pevné měděné vodiče pro kroucené páry, což snižuje elektrický odpor. Kromě toho pevné měděné vodiče umožňují větší výkon s menší ztrátou ve srovnání se splétanými měděnými vodiči pro aplikace PoE. To také zvyšuje bezpečnost snížením tepla způsobeného odporem kabelu.

Celkově tedy snížení elektrického odporu kabelu, snížení ztráty impedance a minimalizace přeslechu vede k výrazně lepší integritě dat pro gigabitový ethernet, a to i v drsných prostředích.

Pro gigabitové ethernetové propojovací kabely poskytuje společnost Belden sestavu ethernetového kabelu se svařenými páry C601106010 o délce 3 m (10 stop) (obrázek 2). Jedná se o sestavu kabelu CAT6+ se čtyřmi svařenými kroucenými páry pevného měděného drátu 24 AWG. Konce jsou zakončeny zástrčkami RJ45 s elastomerovým návlekem zalisovaným do vnějšího pláště z polyvinylchloridu (PVC), což vytváří silnou ochranu proti vytržení, která odolává separaci. Zabraňuje také kroucení nebo oddělení kroucených párů na koncovce RJ45 a poskytuje ochranu proti vodě a prachu.

Obrázek 2: Ethernetový kabel C601106010 společnosti Belden je zakončen dvěma zástrčkami RJ45 s ochranou proti vytržení v podobě elastomerového návleku zalisovaného přes plášť z PVC, aby chránil koncovky kabelů před prachem a vlhkostí. (Zdroj obrázku: společnost Belden)

Modrý ethernetový kabel má průměr 5,715 mm typický pro ethernetový kabel. Model C601106010 je vhodný pro všechny aplikace, kde by byly vedeny komerční kabely, protože svařené páry a pevné vodiče nepřidávají sestavě kabelů žádný další objem.

Sestava kabelů má jmenovitý proud 1,500 A na kontakt. V kombinaci s gigabitovou rychlostí je kabel C601106010 vhodný pro průmyslové aplikace PoE, jako je robotika a koncové body průmyslového internetu věcí (IIoT). Maximální kontaktní odpor je 0,020 Ω, což při 1,500 A generuje pouhých 0,300 W tepla a tato hodnota představuje pro průmyslové aplikace přijatelné množství.

Tato kabelová sestava CAT6 + je dimenzována pro aplikace 1000Base-T a má provozní teplotu −10 °C až +60 °C, což je vhodné pro vysokorychlostní aplikace průmyslové automatizace s širokými teplotními extrémy.

Pro delší vzdálenosti vyrábí společnost Belden sestavu ethernetového kabelu se svařenými páry CA21106025 o délce 7,62 m (25 stop). Jedná se o sestavu kabelu CAT6a se stejnými základními elektrickými specifikacemi jako model C601106010 společnosti Belden a se stejnou koncovkou, která je vidět na obrázku 2. Kabel CA21106025 je však delší, a proto je náchylnější k vnějšímu rušení: Gigabitové rychlosti přes kabel s délkou 7,62 m (25 stop) fungují jako anténa, která dokáže zachytit elektromagnetické záření z okolní elektroniky. K zajištění integrity signálu má kabel CA21106025 vnější stínění z hliníkové fólie. Výsledkem je průměr 6,731 mm, který je o něco větší než u komerčních kabelů, ale v rámci tolerancí pro vedení kabelů a běžné způsoby vedení.

Díky tomuto stínění je sestava kabelu CA21106025 společnosti Belden dimenzována na rychlosti 10GBase-T (10 Gbit/s), díky čemuž je vhodná pro velmi špičkové aplikace průmyslové automatizace i pro streamování videa ve vysokém rozlišení v celém závodu.

Závěr

Gigabitový ethernet přináší vyšší přenosové rychlosti do závodů s průmyslovou automatizací. S těmito datovými rychlostmi přichází zvýšené riziko rušení, přeslechu a útlumu odrazu, které mohou mít za následek přerušovaná datová spojení. To platí zejména v průmyslových aplikacích, kde může docházet k opakovanému ohýbání kabelu, což způsobuje ztrátu elektrického výkonu kabelu.

Pomocí ethernetových kabelů se svařenými kroucenými páry, které zajišťují pevnou centricitu mezi středy, mohou konstruktéři pohodlně využívat vyšší rychlosti na větší vzdálenosti a současně splňovat požadavky na PoE pro upgrady sítí a nová nasazení.