Sikre tilkoblingsmuligheter i tøffe miljøer med Ethernet-kabler med limt par

Med overgangen til Industrial Internet of Things (IIoT) gir etterspørselen etter økt pålitelighet og ytelse i sensor- og aktuatorrike industrielle miljøer økende utfordringer for utviklere som ser etter robuste tilkoblingsløsninger. Støyende elektriske miljøer begrenser trådløse metoder, mens tøffe fysiske miljøer kompliserer bruken av konvensjonelle kabler. Designere krever en mer effektiv tilkoblingsløsning som kan opprettholde pålitelighet og ytelse.

Et alternativ er å bruke Ethernet-kabler med limt-par, eller bondert par (bonded-pair) som forhindrer separasjon av de tvinnede kabelparene for å opprettholde signalintegritet.

Denne artikkelen beskriver utfordringene designere står overfor når de vurderer kablingsalternativer for tøffe miljøer. Den viser deretter hvordan de kan takle disse utfordringene med Ethernet-kabler med limt-par (bonded-pair), ved hjelp av eksempler fra Belden for å illustrere teknologiens egenskaper og ytelse i forhold til klassisk Ethernet-kabling.

Industrimiljøer i stadig utvikling utfordrer nettverkspålitelighet og -ytelse

Behovet for et større utvalg og antall sensorer og aktuatorer i den utviklende IIoT har forsterket utfordringene for designere for industrielle nettverks. I tillegg til det pågående behovet for pålitelige tilkoblingsmuligheter, må industrielle nettverk levere både sanntidsytelse og høyere gjennomstrømning ettersom visjonsbaserte systemer kobles til sensorer med høy presisjon for å spille en kritisk rolle i flere faser av produksjonsprosessen. Mens nettverksteknologier som IEEE 802.1-standardene for tidsfølsomme nettverk (TSN) hjelper designere med å oppfylle kravene til deterministisk Ethernet-ytelse, blir 10 gigabit (Gbit) Ethernet-nettverk standarden etter hvert som industrielle miljøer opplever større datavolum, -hastighet og -utvalg.

Sikre nettverkspålitelighet og ytelse i det industrielle miljøet forblir utfordrende på grunn av arten av den typiske fabrikkens elektriske og fysiske miljø. I dette miljøet kombineres maskingenerert elektrisk støy og strømforstyrrelser med ulike kilder til elektromagnetisk interferens (EMI) og radiofrekvensinterferens (RFI) for å kompromittere kommunikasjonssignalintegritet. Fysisk gir fabrikkgulvet betydelige utfordringer i form av drivstoff, olje, løsemidler og andre kjemikalier, så vel som fuktighet, høye temperaturer og raske temperaturendringer fra driftsmaskiner, industrielle prosesser og sveisesprut.

Designere av fabrikknettverk er avhengige av kommunikasjonskabler som bare overfladisk deler likheter med kabler beregnet for installasjon i kommersielle bygninger når de bygger kommunikasjonsnettverk. Som i kommersielle bygninger, tjener en stige-klassifisert kabel, kjent som Communications Multipurpose Cable, Stigeledning (CMR), for kabelforløp gjennom stigerør eller vertikale sjakter i industrianlegg. På samme måte er en plenum-klassifisert kabel, kjent som Communications Multipurpose Cable, Plenum (CMP), en høyere klassifisert kabel som trengs for å begrense flammeutbredelse og røyk i horisontale kabler som går gjennom områder under etasjer eller tak.

I motsetning til de fleste kommersielle bygningsinstallasjoner er imidlertid kabelforløp i det industrielle miljøet spesielt utsatt for mekanisk stress fra fortsatt vibrasjon, bøying, slitasje og knusing fra normal fabrikkdrift. Designere av industrielle nettverk har lenge vært avhengige av forskjellige kabelmantelisolasjonsmaterialer for å oppnå den nødvendige balansen mellom kostnad og ytelse i nettverket.

Industrielle kabelegenskaper

Selv om kabelisolasjonsmaterialer varierer for å oppfylle spesialiserte krav, er fluorert etylenpolymer (FEP) og polyvinylklorid (PVC) to materialer som vanligvis brukes i industrielle kabelkapper. I CMP-klassifiserte kabler brukes ofte FEP på grunn av dens røyk- og flammehemmende egenskaper. Bruk av FEP i kommunikasjonskabelkapper reduserer ikke bare flammen, men begrenser også spredning av kraftig røyk fra branner gjennom luftkanaler. Sammen med sterk kjemisk motstand tolererer FEP-kabler vanligvis et bredt omgivelsestemperaturområde. For eksempel er Beldens CMP-klassifiserte firepar FEP-mantlet DataTuff 7931A Ethernet-kabel (7931A 0101000) spesifisert for et driftstemperaturområde fra -70 til +150 °C.

CMR-klassifiserte kabler er vanligvis isolert med PVC, noe som gir lavere kostnader samtidig som de gir passende holdbarhet og motstand mot kjemikalier, varme og vann. PVC utviser vanligvis en mer begrenset driftstemperatur, i tråd med sin typiske bruk i stigerør. For eksempel er Beldens CMR-klassifiserte firepar PVC-mantlet DataTuff 7953A Ethernet-kabel (7953A 0101000) spesifisert for et driftstemperaturområde fra -40 til 75 °C.

I tillegg til FEP og PVC, brukes ofte andre materialer separat eller sammen for å støtte spesifikke krav. For eksempel, for sin to-par DataTuff 7962A Ethernet-kabel (7962A 1SW1000), kombinerer Belden en termoplastisk elastomer (TPE) ytre kappe, polyetylen (PE) indre kappe, og polyolefin (PO) wire isolasjon for å gi en tøff, flammehemmende, oljebestandig kabel som er egnet for farlige miljøer.

Valget av kappemateriale er bare ett av flere viktige beslutningspunkter i valget av kabel for industrielle Ethernet-nettverk. Som nevnt tidligere, kan industrielle kommunikasjonskabler gjennomgå betydelig mekanisk stress som resulterer i økt signalstøy i konvensjonell tvunnet par-kabel. Denne kjente kabeltypen er avhengig av reduksjonen i krysstale og interferensfølsomhet som finnes når et par ledninger tvinnes sammen. I praksis kan imidlertid påkjenningene ved installasjon og vanlig daglig drift i det industrielle miljøet forårsake separasjon mellom de parede ledningene (bilde 1).

Bilde 1: Konvensjonell tvunnet par-kabel reduserer krysstale og støy mens de sammenkoblede ledningene forblir tett sammen (topp), men ledningene skiller seg vanligvis (bunn) etter gjentatt bøying, fleksing (dynamisk bøyning) og trekking. (Bildekilde: Belden)

Etter hvert som leder-til-leder-avstanden, eller sentrisiteten, øker på grunn av fortsatt bøying, fleksing (dynamisk bøyning) og trekking, blir støyreduksjonseffekten til det tvunnede par betydelig degradert. Over tid blir signalintegriteten kompromittert, noe som påvirker påliteligheten til overføringer over nettverket. Beldens alternativ til konvensjonell tvunnet par-kommunikasjonskabel er konstruert for å opprettholde signalintegritet til tross for påkjenningene ved installasjon og kontinuerlig bruk.

Teknologi med kabler med limt-par (bonded-pair) gir immunitet mot påkjenninger

Beldens patenterte limingsteknikk skaper en faktisk binding mellom ledningene i hvert par for å opprettholde en optimal sentrisitet for alle vridde par i en kommunikasjonskabel, og unngår hullene som kan kompromittere signalintegriteten (bilde 2).

Bilde 2: I motsetning til konvensjonell teknikk med tvunnet par (venstre), sikrer Beldens teknikk med limt par (høyre) at avstanden mellom parede ledninger i en kabel forblir fast til tross for bøying, fleksing (dynamisk bøyning) og trekking. (Bildekilde: Belden)

Beldens teknikk med limt par resulterer i kabler med en trekkstrekkmotstand som vanligvis er 40 % sterkere enn konvensjonell Ethernet-kabel. Samtidig kan en Belden-kabel med limt par bøyes sikkert langs en bøyeradius så stram som fire ganger den ytre diameteren til kabelen. I motsetning til dette er en vanlig Ethernet-kabels bøyeradius vanligvis begrenset til ti ganger den ytre diameteren.

Den ekstra styrken som gis av teknikken med limt par oversetter til en evne til å opprettholde pålitelighet til tross for fortsatt stress fra bøying under installasjon eller normal drift. Selv om industrien mangler en standard for å måle evnen til å motstå bøying, skapte Belden en flex-test designet for å simulere vanlige industrielle driftsforhold.

Beldens ingeniører utsatte først en 15 fots lengde (457,5 cm) av bundet par kabel for en tett 3 tommers (7,62 cm) bøy, før de utsatte den for en fleraksial bevegelse på 10 fot per sekund (fot/s) (305 cm/s) 28 800 sykluser per dag. Belden-teamet overvåket kontinuerlig kabel-under-testen for shorts, spenningsfall og andre problemer på åtte punkter langs lengden. De stoppet testen etter 10 075 000 flex-sykluser uten å ha oppdaget fysiske eller elektriske feil.

Den robuste ytelsen til kabel med limt par blir tydelig når man sammenligner den elektriske ytelsen med konvensjonell kabel. Ved å bruke koblingsmargin som en beregning, viste tester at Belden-kabel med limt par opprettholder ytelsen før og etter installasjon (bilde 3, venstre). I motsetning til dette kan konvensjonelle tvunnet par-kabler som består ytelsestester på spolen, mislykkes etter installasjon på grunn av parseparasjon etter at kabelen har blitt utsatt for de normale trekk-, bøy- og bøyespenningene ved installasjon (bilde 3, høyre).

Bilde 3: I en Beldens kabel med limt par forblir koblingsmarginen høy i de individuelle dataparene (blå/gul/grønn/rød) før og etter installasjon (venstre), mens konvensjonelle tvunnet par-kabler som tester brønnen på spolen, senere viser en dramatisk reduksjon etter installasjon på grunn av parseparasjon forårsaket av installasjonsstress. (Bildekilde: Belden)

Sammenlignet med en kabel med limt par, kan en konvensjonell kabel med tvunnet par også vise uregelmessige frekvensavhengige impedansfluktuasjoner på grunn av gapene som opprettes mellom ledningspar under installasjon og håndtering (bilde 4).

Bilde 4: Impedansen til Beldens limte parkabel (venstre) forblir stabil før og etter installasjon, sammenlignet med de håndteringsinduserte impedansendringene til konvensjonell industrikabel (høyre). (Bildekilde: Belden)

Under normal drift kan uskjermet, kabel med limt par opprettholde støybeskyttelse, ofte til en lavere kostnad enn konvensjonell, skjermet kabel. For designere av industrielle nettverk bidrar støybeskyttelsen til kabel med limt par til å lette rutingsbegrensninger sammenlignet med konvensjonell skjermet industrikabel. Retningslinjer fra ODVA (tidligere Open DeviceNet Vendors Association) anbefaler for eksempel ruting av konvensjonell skjermet kabel ikke mer enn 5 fot (152,5 cm) fra elektromagnetiske kilder for å unngå forstyrrelser. I motsetning til dette gjør støybeskyttelsen til uskjermet kabel med limt par at designere av industrielle nettverk kan rute denne kabelen innen 6 tommer (15,24 cm) eller mindre av en kilde uten at det går på bekostning av signalintegriteten.

Konklusjon

Tøffe elektriske og fysiske industrielle miljøer kompliserer valget av kabler som er i stand til å opprettholde den nødvendige signalintegriteten når IIoT-datahastigheter øker. Som vist, gir Beldens patenterte teknikk med limt par en effektiv løsning som er i stand til å opprettholde tilkoblingsytelsen mer effektivt enn konvensjonelle industrielle Ethernet-kabler.