Slik sikrer du signalintegriteten til gigabit Ethernet i distribusjoner av industriautomasjon over lange avstander

Ethernet-kabling med tvunnede par anses som en moden og pålitelig teknologi som har vært betrodd med 10Base-T- og 100Base-T-datahastigheter i mange år. Etter hvert som høyhastighets Ethernet-trafikk når 1 gigabit per sekund (Gbit/s) og høyere, må imidlertid konstruktører være klar over at signaler har spesielt strenge krav når det kommer til kabelinkonsistens, og de blir mer mottakelige for interferens, krysstale, impedanstap, returdemping på grunn av reflekterte signaler og demping (attenuasjon).

Problemene forverres etter hvert som kabellengdene øker, for eksempel i industrielle automasjonsanlegg. Disse har den ekstra utfordringen at Ethernet-kablene må vris og bøyes under installasjon, samt i bruksområder som involverer robotikk og andre maskiner. Denne gjentatte bøyingen kan skille de tvunnede parene fra hverandre, noe som går utover kabelens elektriske ytelse. Den resulterende signaldempingen kan introdusere periodiske datatap som forverres over tid. Denne typen feil er kjent for å være vanskelig å identifisere og feilsøke, og forårsaker langvarig og dyr nedetid for systemer.

Denne artikkelen tar for seg utfordringene relatert til sending av digitale Ethernet-data med høy hastighet over tvunnede ledningspar. Den forklarer hvordan Ethernet-kabler kan brukes til å gi konsekvent ytelse for Ethernet-data med høy hastighet over lange avstander, som omfatter redusert signaltap og motstand mot fysisk misbruk. Den vil deretter introdusere to eksempler på Ethernet-kabler med limte par (bonded-pair) fra Belden og vise hvordan de kan brukes til å sikre Ethernet-signalintegritet i industrimiljøer.

Pålitelig sending av gigabit Ethernet-data

Standard Ethernet-kabler sender data over tvunnede ledningspar av kobber. Billigere kabler brukte tidligere ofte bare to tvunnede par, men moderne konvensjonelle Ethernet-kabler har fire tvunnede par for dataoverføring med høy hastighet og Power over Ethernet (PoE)-forsyning. Alle Ethernet-kabler opplever til en viss grad kvalitetstap på grunn av kabelkonstruksjon, kabellengde, interferens og datahastighet. Hvis høyhastighetsdata sendes over kabler på 10 meter (m) eller mer, er det kabelkonstruksjonen som er ansvarlig for å forhindre overdrevent kvalitetstap av signalet.

De fleste kommersielle og lavhastighets industrielle Ethernet-kabler bruker tvunnede par av flertrådede kobberledninger. Flertrådet kobber er veldig fleksibelt og enkelt å jobbe med, noe som resulterer i en kabel som kan bøyes rundt hjørner og som holder seg på plass når den tapes til gulv og festepunkter. Flertrådede kobberledninger har imidlertid større motstand mot strømflyt sammenlignet med massive kobberledninger, spesielt over lange avstander. Dette gjør massive kobberledninger bedre egnet for høyhastighetsdata, som vanligvis bruker lavere signalspenninger, og gjør høyhastighetsdata mer følsomme for signaldemping og datatap på grunn av motstand i ledningene. For PoE kan massivt kobber også føre mer strøm, og det genererer mindre varme sammenlignet med flertrådet kobber, noe som betyr at det er et mer egnet alternativ.

Ulempen med massivt kobber er at det ikke bøyer seg godt og motstår bøying mer enn flertrådet kobber, så det kan derfor kreve litt ekstra innsats når kabelen skal legges.

Ethernet-kabler med tvunnede ledningspar presenterer en karakteristisk impedans til mottakerne og senderne på RJ45-pluggene. Vanligvis er denne impedansen 100 ohm (Ω), og den må være konsistent langs hele kabellengden. Impedansen påvirkes av avstanden fra midtpunkt til midtpunkt mellom de to lederne i det tvunnede paret. Sammenstøt med en tung gjenstand eller stress forbundet med strekking eller klemming av en kabel kan separere de tvunnede parene, noe som endrer avstanden fra midtpunkt til midtpunkt i noen seksjoner. Dette resulterer i en endring i kabelimpedans som forringer signalet. Dette er kanskje ikke merkbart ved hastigheter på 10 megabit per sekund (Mbits/s) (10Base-T) eller 100 Mbits/s (100Base-T), men kan forårsake datatap ved hastigheter i gigabit-området (1000Base-T).

Krysstale er en annen årsak til signalnedbrytning. Å legge to høyhastighetsledninger parallelt vil resultere i at hver leder induserer en strøm i den andre ledningen, noe som er den verste mulige situasjonen for krysstale. For å minimere risikoen for krysstale og signaltap, legges ledninger i tvunnede par med selv-skjerming. I likhet med impedanstap økes krysstalen mellom parene hvis de to ledningene i det tvunnede paret skyves eller flyttes av eksterne krefter på kabelen, noe som fører til en reduksjon i signalets pålitelighet.

Kombinasjonen av impedanstap og krysstale, kombinert med den elektriske motstanden til kabelen over avstand, forårsaker returdemping på grunn av refleksjon av signalet tilbake til kilden. Selv om returdemping forventes og kompenseres for ved å bruke ekkokansellering på termineringene, kan overskytende returdemping være et alvorlig problem som resulterer i periodiske tap av data. Som alle vet, kan dette problemet kan være vanskelig å diagnostisere og kan resultere i overdreven nedetid. Problemet kan forverres i industrimiljøer med høye vibrasjoner der Ethernet-kabelens posisjon forskyves og forårsaker endrede elektriske egenskaper, noe som resulterer i datasignalproblemer som på mystisk vis forsvinner når vibrasjonen eller bevegelsen opphører.

Ethernet-kabler med limte par

Som vi allerede har tatt for oss, er impedanstap, krysstale og returdemping alle sterkt påvirket av inkonsekvent avstand fra midtpunkt til midtpunkt mellom det tvunnede paret langs hele kabellengden. Konstruktører som ruter Ethernet-tilkoblinger med høye hastigheter i røffe omgivelser kan bruke Belden sine modulære 10GX CAT6 og CAT5E Ethernet-ledninger med limte par for gigabit Ethernet.

Kabler med limte par opprettholder en fast leder-til-leder-sentrisitet (avstand) mellom de tvunnede parene ved å fysisk lime dem sammen, noe som hindrer selv midlertidig separasjon (figur 1). Dette reduserer kraftig risikoen for impedanstap og krysstale.

Figur 1: Det tvunnede paret som ikke er limt, til venstre, har mistet leder-til-leder-sentrisiteten på grunn av et mellomrom forårsaket av vridning eller bøyning av paret. Det tvunnede paret som er limt, til høyre, opprettholder sentrisiteten, til tross for ytre krefter. (Bildekilde: Belden)

Ethernet-kabler med limte par fra Belden bruker også massive kobberledere for de tvunnede parene, noe som reduserer elektrisk motstand. I tillegg håndterer massive kobberledere mer strøm med mindre tap sammenlignet med flertrådede kobberledninger for PoE-bruksområder. Dette forbedrer også sikkerheten ved å redusere varme forårsaket av kabelmotstand.

Samlet sett vil elektrisk motstand til kabelen reduseres, impedanstap reduseres og krysstale minimeres, noe som resulterer i betydelig forbedret dataintegritet for gigabit Ethernet, selv i røffe omgivelser.

For gigabit Ethernet-patchledninger, tilbyr Belden C601106010, som er en 3 meter (10 fot) Ethernet-kabelmodul med limte par (figur 2). Det er en CAT6+-kabelmodul med fire limte tvunnede ledningspar i massivt kobber på 0,2047 mm2 (24 AWG). Endene er terminert med RJ45-plugger med en elastomermansjett støpt til den ytre kappen av polyvinylklorid (PVC), som danner en sterk strekkavlastning som motstår separasjon. Dette hindrer også vridning eller separasjon av de tvunnede parene på RJ45-termineringen, og gir samtidig beskyttelse mot vann og støv.

Figur 2: Belden C601106010 Ethernet-ledningen er terminert i to RJ45-plugger med en strekkavlastende elastomermansjett støpt over PVC-kappen for å beskytte kabeltermineringene mot støv og fuktighet. (Bildekilde: Belden)

Den blå Ethernet-kabelen er 5,715 millimeter (mm) i diameter, noe som er typisk for en Ethernet-kabel. Siden de limte parene og de massive lederne ikke tilfører noe ekstra bulk til kabelmodulen, er C601106010 egnet for alle bruksområder der kommersielle kabler skal rutes.

Kabelmodulen har en merkestrøm på 1,500 ampere (A) per kontakt. Kombinert med den klassifiserte gigabit-hastigheten, er C601106010 egnet for industrielle PoE-konstruksjoner, for eksempel robotikk og endepunkter for industrielle tingenes Internett (IIoT). Maksimal kontaktmotstand er 0,020 Ω, som ved 1,500 A kun genererer varme på 0,300 watt, noe som er en akseptabel mengde for industrielle konstruksjoner.

Denne CAT6+ -kabelen er klassifisert for 1000Base-T-konstruksjoner og har en driftstemperatur på –10 °C til +60 °C, noe som gjør den egnet for bruksområder som høyhastighets industriautomasjon med ekstreme temperaturer.

For lengre avstander er Belden CA21106025, en 7,6 m (25 fot) Ethernet-kabelmodul med limte par, et godt alternativ. Det er en CAT6a-kabelmodul med de samme grunnleggende elektriske spesifikasjonene som Belden C601106010, og den samme termineringen vi ser på figur 2. Fordi CA21106025-kabelen er lengre, er den imidlertid mer mottakelig for ekstern interferens: Gigabithastigheter over en kabel på 7,6 meter (25 fot) fungerer som en antenne som kan fange opp elektromagnetisk stråling fra omkringliggende elektronikk. For å sikre signalintegritet har CA21106025 en ytre skjerming av aluminiumsfolie. Dette resulterer i en diameter på 6,731 mm, som er litt større enn kommersielle kabler, men godt innenfor toleransene for kabelføringer og vanlige måter for ruting.

Med denne skjermingen er Belden CA21106025-kabelen klassifisert for 10 GBase-T (10 Gbits/s)-hastigheter, noe som gjør den egnet for bruksområder som svært avanserte industriautomasjoner og strømming av HD-video på tvers av et helt anlegg.

Konklusjon

Gigabit Ethernet bringer høyere datahastigheter til anlegg med industriautomasjon. Med disse datahastighetene kommer den økte risikoen for interferens, krysstale og returdemping, som kan føre til periodisk datakonnektivitet. Dette gjelder spesielt i industrielle konstruksjoner der kabelen kan utsettes for gjentatte bøyninger, noe som fører til reduksjon i kabelens elektriske ytelse.

Ved å bruke Ethernet-kabler med tvunnede par som sikrer fast midtpunkt-til-midtpunkt-sentrisitet, kan konstruktører komfortabelt bruke høyere hastigheter over større avstander, samtidig som de oppfyller PoE-kravene til nettverksoppgraderinger og nye distribusjoner.