Garantera anslutningar i tuffa miljöer med Ethernet-kablar med limmade par

Med övergången till Industrial Internet of Things (IIoT) ökar kraven på tillförlitlighet och prestanda i industriella miljöer med många sensorer och ställdon, vilket innebär växande utmaningar för utvecklare som letar efter robusta anslutningslösningar. Elektriska miljöer med mycket störningar begränsar trådlösa metoder, medan tuffa fysiska miljöer komplicerar användningen av konventionella kabelförläggningsmetoder. Konstruktörer behöver en effektivare anslutningslösning som kan bibehålla tillförlitlighet och prestanda.

Ett alternativ är att använda Ethernet-kablar med limmade par som förhindrar att de tvinnade trådparen separeras för att bibehålla signalintegriteten.

Artikeln beskriver de utmaningar som konstruktörer ställs inför när de överväger kabelförläggningsalternativ i tuffa miljöer. Den visar sedan hur de kan hantera dessa utmaningar med limmade partvinnade Ethernet-kablar, med exempel från Belden för att illustrera teknikens egenskaper och prestanda i förhållande till klassiska Ethernet-kablar.

Föränderliga industrimiljöer utmanar nätverkens tillförlitlighet och prestanda

Behovet av en större variation och ett större antal sensorer och ställdon i den framväxande IIoT har försvårat utmaningarna för utvecklare av industriella nätverk. Tillsammans med det ständiga behovet av tillförlitliga anslutningsmöjligheter måste industriella nätverk leverera både realtidsprestanda och högre genomströmning när bildbaserade system tillsammans med högprecisionssensorer spelar en avgörande roll i flera faser av tillverkningsprocessen. Medan nätverkstekniker som IEEE 802.1 TSN (Time Sensitive Networking) hjälper konstruktörer att uppfylla kraven på deterministisk Ethernet-prestanda, blir 10 Gbit Ethernet-nätverk standard när industrimiljöer måste hantera större datavolymer, hastigheter och variationer.

Att garantera nätverkets tillförlitlighet och prestanda i industriella miljöer är fortfarande en utmaning på grund av den elektriska och fysiska miljön i en typisk fabrik. I den här miljön kombineras maskingenererade elektriska störningar och effektstörningar med olika källor av elektromagnetiska störningar (EMI) och radiofrekvensstörningar (RFI) för att skada kommunikationssignalernas integritet. Fysiskt innebär fabriksgolvet stora utmaningar i form av bränsle, olja, lösningsmedel och andra kemikalier, liksom fukt, höga temperaturer och snabba temperaturförändringar från maskiner i drift, industriprocesser och svetsloppor.

När fabrikens nätverkskonstruktörer bygger sina kommunikationsnätverk använder de kommunikationskablar som bara ytligt sett har likheter med kablar som är avsedda för installation i kommersiella byggnader. Precis som i kommersiella byggnader används en CMR-kabel (Communications Multipurpose Cable, Riser) som är klassificerad för kabelstegar, för kabeldragningar på kabelstegar eller i vertikala schakt i industrianläggningar. På samma sätt är CMP-kabel (Communications Multipurpose Cable, Plenum), en kabel med högre klassificering som krävs för att begränsa flamspridning och rök i horisontella kabelförläggningar genom utrymmen under golv eller i tak.

Till skillnad från de flesta installationer i kommersiella byggnader är dock kabelförläggning i industrimiljö särskilt känslig för mekaniska påfrestningar såsom kontinuerliga vibrationer, böjning, nötning och sammanpressning vid normal fabriksdrift. Konstruktörer av industriella nätverk har länge förlitat sig på olika kabelmantlars isoleringsmaterial för att uppnå den nödvändiga balansen mellan kostnad och prestanda i sina nätverk.

Egenskaper för industriella kablar

Även om kabelns isoleringsmaterial varierar för att uppfylla särskilda krav, är fluorinerad etylenpolymer (FEP) och polyvinylklorid (PVC) två material som ofta används i industriella kabelmantlar. I CMP-klassificerade kablar används ofta FEP tack vare dess rök- och flamskyddande egenskaper. Användningen av FEP i kommunikationskablarnas mantel reducerar inte bara flammor utan begränsar även spridningen av tung brandrök via ventilationskanaler. FEP-kablarna tål vanligtvis ett stort omgivningstemperaturområde och har även hög beständighet mot kemikalier. Som exempel, har den CMP-klassificerade Ethernet-kabeln DataTuff 7931A(7931A 0101000) med fyra par och FEP-mantel från Belden ett drifttemperaturområde på -70 till +150 °C.

CMR-klassificerade kablar är vanligtvis isolerade med PVC, vilket ger lägre kostnader samtidigt som det ger lämplig hållbarhet och beständighet mot kemikalier, värme och vatten. PVC har vanligtvis en mer begränsad driftstemperatur, i linje med dess typiska användning på kabelstegar. Som exempel, har den CMR-klassificerade Ethernet-kabeln DataTuff 7953A(7953A 0101000) med fyra par och PVC-mantel från Belden ett drifttemperaturområde på -40 till 75 °C.

Förutom FEP och PVC används ofta andra material separat eller tillsammans för att uppfylla specifika krav. Som exempel, kombinerar Belden en yttermantel av termoplastisk elastomer (TPE), en innermantel av polyeten (PE) och en trådisolering av polyolefinplast (PO) till en tålig, flamskyddad och oljebeständig kabel som är lämplig för riskfyllda miljöer, för sin Ethernet-kabel DataTuff 7962A (7962A 1SW1000) med två par.

Valet av mantelmaterial är bara en av flera viktiga beslutspunkter vid valet av kabel för industriella Ethernet-nätverk. Som tidigare nämnts kan industriella kommunikationskablar utsättas för betydande mekanisk påfrestning som leder till ökade signalstörningar i konventionella partvinnade kablar. Denna välkända kabeltyp bygger på den minskning av överhörning och störningskänslighet som sker när ett par ledningar tvinnas ihop. I praktiken kan dock påfrestningarna vid installation och typisk daglig drift i industrimiljö orsaka separation mellan de partvinnade ledarna (figur 1).

Figur 1: En konventionell partvinnad kabel minskar överhörning och störningar när de tvinnade trådarna förblir nära varandra (överst), men trådarna separeras ofta (nederst) vid upprepad böjning, vridning och dragning. (Bildkälla: Belden)

När avståndet mellan ledarna, eller centriciteten, ökar på grund av upprepad böjning, vridning eller dragning, försämras det tvinnade parets störningsreducerande effekt avsevärt. Med tiden äventyras signalintegriteten, vilket påverkar tillförlitligheten för överföringar i nätverket. Beldens alternativ till konventionell partvinnad kommunikationskabel är konstruerad för att bibehålla signalintegriteten trots påfrestningar vid installation och kontinuerlig användning.

Teknik med limmade par ger immunitet mot påfrestningar

Beldens patenterade teknik med limmade par skapar en faktisk bindning mellan trådarna i varje par för att upprätthålla en optimal centricitet för alla tvinnade par i en kommunikationskabel och undvika de mellanrum som kan äventyra signalintegriteten (figur 2).

Bild 2: Till skillnad från konventionell partvinnad teknik (vänster) garanterar Beldens teknik med limmade par (höger) att avståndet mellan de partvinnade ledningarna i en kabel förblir oförändrat trots böjning, vridning eller dragning. (Bildkälla: Belden)

Beldens teknik med limmade par möjliggör kablar med en draghållfasthet som är typiskt 40 % starkare än konventionella Ethernet-kablar. Samtidigt kan en kabel med limmade par från Belden böjas eller vridas med en böjningsradie ända ner till fyra gånger kabelns ytterdiameter på ett säkert sätt. Däremot är böjradien för en vanlig Ethernet-kabel normalt begränsad till tio gånger den yttre diametern.

Den extra styrka som tekniken med limmade par ger, medför en förmåga att bibehålla tillförlitligheten trots fortsatta påfrestningar från böjning vid installation eller normal drift. Även om branschen saknar en standard för att mäta förmågan att motstå böjningar, skapade Belden ett böjningstest som är utformat för att simulera vanliga industriella driftsförhållanden.

Beldens ingenjörer böjde först en 4,5 m lång kabel med limmade par i en böj på 7,62 cm, innan de utsatte den för en multiaxiell rörelse på 3,5 m/s i 28 800 cykler per dag. Beldens ingenjörsteam övervakade kabeln kontinuerligt under testet för att upptäcka kortslutningar, spänningsfall och andra problem vid åtta punkter längs dess längd. De avbröt testet efter 10 075 000 vridningscykler utan att ha upptäckt några fysiska eller elektriska fel.

Den robusta prestandan hos limmad kabel blir uppenbar när man jämför dess elektriska prestanda med konventionell kabel. Med länkmarginalen som mått visade testerna att kabeln med limmade par från Belden bibehåller sin prestanda före och efter installationen (figur 3, vänster). Däremot kan konventionella partvinnade kablar som klarar prestandatester på rullen gå sönder vid installationen på grund av att paren har separerats efter att kabeln har utsatts för de normala drag-, böj- och vridningspåfrestningarna vid installationen (figur 3, höger).

Bild 3: I en kabel med limmade par från Belden förblir länkmarginalen hög i de enskilda dataparen (blå/gul/grön/röd) före och efter installationen (vänster), medan konventionella kablar med tvinnade par som testas och fungerar bra på rullen sedan uppvisar en dramatisk minskning efter installationen på grund av att påfrestningar vid installationen medfört att paren separerats. (Bildkälla: Belden)

Jämfört med en kabel med limmade par kan en konventionell partvinnad kabel också uppvisa oregelbundna frekvensberoende impedansfluktueringar på grund av de mellanrum som skapas mellan trådparen vid installation och hantering (figur 4).

Bild 4: Impedansen hos Beldens kabel med limmade par (vänster) förblir stabil både före och efter installationen, jämfört med de impedansförändringar som orsakas vid hantering av konventionella industrikablar (höger). (Bildkälla: Belden)

Vid normal drift kan oskärmad kabel med limmade par bibehålla störningsskyddet, ofta till en lägre kostnad än med konventionell skärmad kabel. För konstruktörer av industriella nätverk, gör störningsskyddet i kabeln med limmade par det lättare att förlägga kabeln i jämförelse med konventionell skärmad industrikabel. Riktlinjer från ODVA (tidigare Open DeviceNet Vendors Association) rekommenderar exempelvis att konventionella skärmade kablar inte förläggs närmare än 1,5 m från elektromagnetiska källor för att undvika störningar. I motsats till det gör störningsskyddet i den oskärmade kabeln med limmade par det möjligt för nätverkskonstruktörer att förlägga kabeln inom 15 cm eller mindre störningskälla utan att riskera signalintegriteten.

Sammanfattning

Tuffa elektriska och fysiska industrimiljöer gör det svårare att välja kablar som kan bibehålla den signalintegritet som krävs när IIoT-datahastigheterna ökar. Den patenterade tekniken med limmade par från Belden är en effektiv lösning som kan bibehålla anslutningsprestandan mer effektivt än konventionella industriella Ethernet-kablar.