Hur man säkerställer signalintegriteten för Gigabit Ethernet i industriella automationsinstallationer med långa avstånd

Partvinnade Ethernet-kablar anses vara en mogen och tillförlitlig teknik som har använts för datahastigheterna 10Base-T och 100Base-T i många år. När Ethernet-trafikens hastighet når en gigabit per sekund (Gbit/s) och högre måste konstruktörer dock ta hänsyn till att signalerna inte är lika tåliga mot kabelns felaktigheter och blir mer mottagliga för störningar, överhörning, impedansförlust, returförlust på grund av reflekterade signaler och dämpning.

Problemen förvärras när kabellängden ökar, exempelvis i industriella automationsanläggningar. Dessa medför en extra svårighet i och med att Ethernet-kablarna vrids och böjs vid förläggningen, liksom i tillämpningar som i robotar och andra maskiner. Dessa upprepade böjningar kan separera de tvinnade paren, vilket försämrar kabelns elektriska prestanda. Den signaldämpning detta medför kan leda till intermittenta dataförluster som förvärras med tiden. Dessa fel är ofta svåra att identifiera och felsöka, vilket leder till långa och kostsamma systemavbrott.

Artikeln går igenom utmaningarna med att skicka digital Ethernet-data med hög hastighet via partvinnade ledare. Den förklarar hur parbundna Ethernet-kablar, kan användas för att ge en konsekvent prestanda för Ethernet-data i hög hastighet över långa avstånd, inklusive minskad signalförlust och motståndskraft mot fysisk felhantering. Därefter presenteras två exempel på parbundna Ethernet-kablar från Belden och hur de kan användas för att säkerställa integriteten hos Ethernet-signalen i industriella miljöer.

Skicka data via gigabit Ethernet på ett tillförlitligt sätt

Standardkablar för Ethernet skickar data via partvinnade kopparledare. Tidigare kunde billigare kablar använda endast två tvinnade par, men moderna konventionella Ethernet-kablar har fyra tvinnade par för dataöverföring i hög hastighet och Power over Ethernet (PoE). Alla Ethernet-kablar drabbas i viss mån av signalförsämring på grund av kabelns konstruktion, kabelns längd, störningar och datahastighet. Om höghastighetsdata skickas längre än 10 m i en kabel, så är det kabelns konstruktion som ska förhindra att signalen försämras.

De flesta kommersiella och industriella Ethernet-kablar för låg hastighet använder flerkardeliga partvinnade kopparledare. Flerkardelig koppar är väldigt flexibel och lätt att arbeta med, vilket ger en kabel som kan böjas runt hörn och som håller sig på plats när den tejpas fast på golv och monteringspunkter. Men, flerkardeliga kopparledare har dock en större resistans mot strömflödet enkelledare av koppar, särskilt över långa avstånd. Detta gör enkelledare av koppar lämpligare för höghastighetsdata, som vanligtvis använder lägre signalspänningar, vilket gör höghastighetsdata känsligare för signaldämpning och dataförluster på grund av ledarens resistans. För PoE, tål enkelledare av koppar även mer ström och genererar mindre värme än flerkardelig koppar, vilket gör det till ett lämpligare alternativ.

Nackdelen med enkelledare av koppar är att den inte är lika böjlig och därmed svårare att böja än flerkardelig koppar, så den kan kräva lite extra ansträngning vid kabelförläggningen.

Partvinnade Ethernet-kablar har en karakteristisk impedans för mottagare och sändare vid RJ45-kontakterna. Denna impedans är vanligtvis 100 Ω, och måste vara konstant längs kabelns längd. Impedansen påverkas av avståndet från centrum till centrum mellan de två partvinnade ledarna. Stötar från tunga föremål, eller påfrestningar som hör samman med sträckning eller klämning av en kabel kan sära på de tvinnade paren, vilket förändrar avståndet från centrum till centrum i vissa delar av kabeln. Detta medför en förändring av kabelns impedans som försämrar signalen. Det här är kanske inte märkbart vid hastigheter på 10 Mbit/s (10Base-T) eller 100 Mbit/s (100Base-T), men kan orsaka dataförluster vid gigabit-hastigheter (1000Base-T).

Överhörning är ett annat skäl till signalförsämring. Om två höghastighetskablar dras parallellt kommer respektive ledare att inducera en ström i den andra ledaren, vilket är den värsta tänkbara situationen för överhörning. För att minimera risken för överhörning och signalförluster dras ledningarna i tvinnade par med egen skärm. Om de två partvinnade ledarna förskjuts eller förflyttas från sin plats av yttre krafter på kabeln, ökar dock överhörningen mellan paren, vilket minskar signalens tillförlitlighet.

Kombinationen av impedansförlust och överhörning, tillsammans med kabelns elektriska resistans för avståndet, orsakar returförluster på grund av att signalen reflekteras tillbaka till källan. Returförluster är förväntade och kompenseras med hjälp av ekoeliminering vid anslutningarna, men överdrivna returförluster kan vara ett allvarligt problem som leder till intermittenta dataförluster. Problemet kan vara svårt att diagnostisera och kan leda till långa driftstopp. Problemet kan förvärras i industriella miljöer med höga vibrationer, där Ethernet-kabelns position förändras och orsakar förändrade elektriska egenskaper, vilket leder till problem med datasignalen som på ett mystiskt sätt försvinner när vibrationerna eller rörelsen upphör.

Parbundna Ethernet-kablar

Som tidigare nämnts, påverkas impedansförlust, överhörning och returförlust i hög grad av det inkonsekventa avståndet från centrum-till-centrum mellan de tvinnade paren längs kabelns längd. Belden har löst problemet för konstruktörer som ska förlägga Ethernet-anslutningar med höga hastigheter i tuffa miljöer med sina modulära Gigabit Ethernet-kablar för CAT6 och CAT5E. 10GX.

Parbundna kablar bibehåller en fast ledare-till-ledare-centrering mellan de partvinnade ledarna genom att binda samman dem fysiskt, vilket förhindrar även tillfällig separation (figur 1). Detta minskar risken för impedansförlust och överhörning betydligt.

Figur 1: Det tvinnade paret till vänster har förlorat sin centricitet från ledare till ledare på grund av ett mellanrum som orsakats av att paret vridits eller böjts. Det bundna paret till höger bibehåller sin centricitet trots yttre krafter. (Bildkälla: Belden)

Parbundna Ethernet-kablar från Belden använder även enkelledare av koppar för de tvinnade paren, vilket minskar den elektriska resistansen. Enkelledare av koppar tillåter dessutom mer ström med mindre förluster jämfört med flerkardeliga kopparledare för PoE-tillämpningar. Detta förbättrar även säkerheten genom att minska den värme som orsakas av kabelns resistans.

Sammantaget medför en minskning av kabelns elektriska resistans, minskning av impedansförlusten och en minimering av överhörningen, en avsevärt förbättrad dataintegritet för gigabit Ethernet, även i tuffa miljöer.

För gigabit Ethernet-patchkablar tillhandahåller Belden de parbundna Ethernet-kablarna C601106010 på 3 m (figur 2). Det är en kabel för CAT6+ med fyra tvinnade par med en 0,25 mm2 enkelledare av koppar. Ändarna är kontakterade med RJ45-kontakter med en kåpa av elastomer som är ingjuten i PVC-isoleringen, vilket bildar en stark dragavlastning som motstår separering. Den förhindrar även att de tvinnade paren vrids eller separeras vid RJ45-kontakten och skyddar mot vatten och damm.

Figur 2: Ethernet-kabeln C601106010 från Belden är kontakterad med två RJ45-kontakter och har en kåpa av elastomer som är ingjuten i PVC-isoleringen för att skydda kabelanslutningarna från damm och fukt. (Bildkälla: Belden)

Den blå Ethernet-kabeln har en diameter på 5,715 mm, som är typiskt för en Ethernet-kabel. Eftersom de parbundna enkelledarna inte lägger till någon extra volym för den färdiga kabeln är C601106010 lämplig i alla tillämpningar där kommersiella kablar normalt skulle förläggas.

Den färdiga kabelmonteringen har en märkström på 1 500 A per kontakt. I kombination med märkningen för gigabithastighet är C601106010 lämplig för industriella PoE-tillämpningar som robotar och slutpunkter för Industriellt Internet of Things (IIoT). Den maximala kontaktresistansen är 0,020 Ω, som vid 1 500 A genererar endast 0,300 W värme, vilket är acceptabelt för industriella tillämpningar.

Kabeln för CAT6+ är avsedd för 1000Base-T-tillämpningar och har en driftstemperatur på -10 °C till +60 °C, vilket gör den lämplig för industriella automationstillämpningar med hög hastighet och stora temperaturskillnader.

För längre sträckor, tillverkar Belden den färdiga parbundna Ethernet-kabeln CA21106025 på 7,2 m. Det är en kabel enligt CAT6a med samma grundläggande elektriska specifikationer som Beldens C601106010 och samma kontaktering som visas i figur 2. Eftersom kabeln CA21106025 är längre, är den dock känsligare för externa störningar: gigabit-hastigheter i en 7,6 m kabel agerar som en antenn som kan plocka upp elektromagnetisk strålning från omgivande elektronik. För att garantera signalintegriteten har CA21106025 en yttre skärm av aluminiumfolie. Detta ger en diameter på 6,731 mm, vilket är något större än kommersiella kablar, men väl inom toleranserna för kabelrännor och vanliga metoder för kabelförläggning.

Med denna skärmning är kabeln CA21106025 från Belkin dimensionerad för 10 GBase-T (10 Gbits/s), vilket gör den lämplig för avancerade industriella automationstillämpningar och för att strömma video med hög upplösning i en anläggning.

Sammanfattning

Gigabit Ethernet innebär högre datahastigheter till industriella automatiseringsanläggningar. Med dessa datahastigheter följer en ökad risk för störningar, överhörning och returförluster som kan leda till intermittenta dataanslutningar. Detta gäller särskilt i industriella tillämpningar där kabeln kan utsättas för upprepade böjningar, vilket kan leda till att kabelns elektriska prestanda försämras.

Genom att använda parbundna Ethernet-kablar, som garanterar en fast centrering från centrum-till-centrum kan konstruktörer använda högre hastigheter över större avstånd, samtidigt som de uppfyller PoE-kraven för uppgraderingar av nätverk och nya installationer.