Hogyan biztosítható a gigabites Ethernet-jelek épsége a nagy távolságokat áthidaló ipari automatizálási rendszerekben?

A csavart érpárú Ethernet-kábel kiforrott és megbízható technikának számít, amelyet már évek óta elterjedten használnak a 10Base-T és 100Base-T adatátviteli sebességű rendszerekben. Ahogy azonban a nagy sebességű Ethernet-forgalom eléri az 1 Gb/s (gigabit/másodperc) vagy annál magasabb sebességet, a tervezőknek szembe kell nézniük azzal a ténnyel, hogy a jelek kevésbé viselik el az össze nem illő kábelek hatásait, és érzékenyebbé válnak a zavarokra, az áthallásra, az impedanciaillesztési veszteségre, a visszavert jelek miatti visszaverődési csillapításra és a jelcsillapításra.

Ahogy a kábelek hossza nő, például az ipari automatizálási létesítményekben, a problémák súlyosbodnak. További bonyodalmat okoz az Ethernet-kábelek megcsavarodása és hajlítása a kábelvezetés során, valamint az olyan alkalmazási területeken, mint a robotika és más gépészeti felhasználások. Ez az többszöri hajlítás eltávolíthatja egymástól a csavart érpárok ereit, ami rontja a kábel villamos teljesítményét. Az ebből eredő jelcsillapítás időnkénti adatveszteségeket okozhat, ami idővel súlyosbodhat. Az ilyen típusú hibákat köztudottan nehéz azonosítani és elhárítani, ami hosszadalmas és költséges rendszerleállásokat okoz.

Ez a cikk a nagy sebességű digitális adatok csavart érpárú Ethernet-kábelen történő továbbításának kihívásait tárgyalja. Elmagyarázza, hogyan használhatóak a ragasztott érpárú Ethernet-kábelek a nagy sebességű Ethernet-adatok egyenletes teljesítményének nagy távolságokon történő biztosítására, beleértve a kisebb jelcsillapítást és a fizikai visszaélésekkel szembeni ellenállást is. Ezután két példát mutat a Belden által gyártott ragasztott érpárú Ethernet-kábelekre, és ismerteti, hogyan lehet ezeket az Ethernet-jelek épségének biztosítására használni ipari környezetben.

Gigabites Ethernet-adatok megbízható küldése

A szokványos Ethernet-kábelek csavart érpárú rézvezetékeken keresztül továbbítják az adatokat. Régebben az olcsóbb kábelek csak két csavart érpárt használtak, de a korszerű hagyományos Ethernet-kábelek négy csavart érpárból állnak a nagy sebességű adatátvitel és a Power over Ethernet (PoE) funkció megvalósítása érdekében. Minden Ethernet-kábel okoz bizonyos mértékű jelromlást a kábel felépítése és hossza, a zavarok és az adatátviteli sebesség miatt. Ha a nagy sebességű adatokat 10 méteres vagy annál hosszabb kábelen keresztül továbbítják, a kábel szerkezete felelős a túlzott jelromlás megakadályozásáért.

A legtöbb általános célú, valamint kis sebességű ipari Ethernet-kábel sodrott rézvezetéket tartalmazó csavart érpárokat használ. A sodrott rézvezeték nagyon hajlékony és könnyen használható, így a kábel a sarkok körül hajlítható, és ragasztószalaggal a padlóra és a szerelési pontokra ragasztva a helyén marad. A sodrott rézvezetékeknek azonban nagyobb az ellenállásuk, mint a tömöreknek, különösen nagy távolságokon. Emiatt a tömör rézvezetékek alkalmasabbak a nagy sebességű adatokhoz, amelyek jellemzően alacsonyabb jelfeszültségeket használnak, ezért a nagy sebességű adatok jobban ki vannak téve a vezeték ellenállása miatti jelcsillapításnak és adatvesztésnek. A PoE esetében a tömör rézvezeték több áramot is képes vezetni, és kevesebb hőt termel, mint a sodrott rézvezeték, ezért jobb választás erre a célra.

A tömör rézvezeték hátránya, hogy nem hajlik jól, és jobban ellenáll a hajlításnak, mint a sodrott rézvezeték, ezért a kábelvezetés valamivel több erőfeszítést igényelhet.

A csavart érpárú Ethernet-kábelek az RJ45-ös csatlakozóknál a vevő és az adó számára is hullámellenállást jelentenek. Ez az ellenállás (impedancia) általában 100 Ω, és a kábel teljes hosszán azonosnak kell lennie. Az impedanciát befolyásolja a csavart érpár két vezetékének középpontja közti távolság. A nehéz tárgyaknak ütődés, illetve a kábel húzásával vagy összenyomásával járó erők eltávolíthatják egymástól a sodrott érpár ereit, ami egyes szakaszokon megváltoztatja a vezetékek középpontja közötti távolságot. Ez a kábel impedanciájának megváltozását eredményezi, ami rontja a jel minőségét. Lehet, hogy ez 10 Mb/s (megabit/másodperc) (10Base-T) és 100 Mb/s (100Base-T) adatátviteli sebességnél nem érzékelhető, de gigabites sebességek esetén (1000Base-T) már adatvesztést okozhat.

A jelromlás másik oka az áthallás. Ha két nagy sebességű vezetéket egymással párhuzamos vezetünk, az azt eredményezi, hogy mindkét vezeték áramot indukál a másik vezetékben, ami az áthallás legrosszabb esete. Az áthallás és a csillapítás kockázatának minimálisra csökkentése érdekében a kábelek erenként árnyékolt csavart érpárokként vannak kialakítva. Ha azonban a csavart érpár két vezetékét a kábelre ható külső erők eltolják vagy elmozdítják egymás mellől, az az impedanciaillesztési veszteséghez hasonlóan növeli az érpárok közötti áthallást is, ami csökkenti a jel megbízhatóságát.

Az impedanciaillesztési veszteség és az áthallás, valamint a kábelhosszból adódó villamos ellenállás kombinációja a jelnek a forráshoz való visszaverődése miatt létrejövő visszaverődési csillapítást okoz. Bár a visszaverődési csillapításra számítani lehet, és a végpontoknál a reflexióelnyomás segítségével csökkenthető, a túl nagymértékű visszaverődési csillapítás komoly gondot jelenthet, és időszakos adatvesztést eredményezhet. Ezt a problémát köztudottan nehéz diagnosztizálni, ezért meglehetősen hosszú állásidőt eredményezhet. Erős rezgésekkel járó ipari környezetben a probléma súlyosbodhat, ha az Ethernet-kábel mozog, és emiatt változó villamos értékeket idéz elő, ami olyan adatjelhibákat okoz, amelyek rejtélyes módon eltűnnek, amikor a rezgés vagy a mozgás megszűnik.

Ragasztott érpárú Ethernet-kábelek

Mint már említettük, az impedanciaillesztési veszteséget, az áthallást és a visszaverődési csillapítást nagymértékben befolyásolja, ha nem azonos a csavart érpár ereinek középpontja közti távolság a kábel teljes hosszában. A nagy sebességű Ethernet-kapcsolatokat zord körülmények közé szánó tervezők számára a Belden a gigabites Ethernet-kapcsolatokhoz készült 10GX CAT6 és CAT5E ragasztott érpárú, modulrendszerű Ethernet-kábelekkel segít megoldani a problémát.

A ragasztott érpárú kábelek állandó távolságot tartanak a csavart érpár vezetékeinek középpontja között, még átmenetileg is megakadályozva a vezetékek egymástól való eltávolodását (1. ábra). Ez nagymértékben csökkenti az impedanciaillesztési veszteség és az áthallás kockázatát.

1. ábra: A bal oldalon látható nem ragasztott csavart érpár esetében az érpár megcsavarodása vagy hajlítása által okozott hézag miatt nem végig azonos a távolság az érpár két vezetékének középpontja között. A jobb oldalon látható ragasztott csavart érpár a külső erők ellenére is megtartja az érpár két vezetékének középpontja közötti azonos távolságot. (A kép forrása: Belden.)

A Belden ragasztott érpárú Ethernet-kábeleiben tömör rézvezetéket használnak a csavart érpárokban, ami csökkenti a villamos ellenállást. Ezenkívül a tömör rézvezetékek a PoE-alkalmazásokban a sodrottakhoz képest nagyobb áramátvitelt tesznek lehetővé kisebb veszteséggel. Ez a biztonságot is javítja, mivel csökkenti a kábel ellenállása miatt keletkező hőt.

A kábel villamos ellenállásának csökkentése, az impedanciaillesztési veszteség csökkentése és az áthallás minimálisra csökkentése együtt még zord környezetben is jelentősen javítja a gigabites Ethernet adatépségét.

Gigabites Ethernet-kábelként a Belden a C601106010 jelű, 10 láb (3 m) hosszú, ragasztott érpárú Ethernet-kábelt kínálja (2. ábra). Ez egy CAT6+ kategóriájú összekötőkábel, négy 24 AWG méretű (0,5 mm átmérőjű) tömör rézhuzalból készült ragasztott csavart érpárral. A kábelvégeken RJ45-ös dugók találhatók, amelyeknek a polivinil-klorid (PVC) dugótestre öntött elasztomer burkolata erős, a vezetékek szétválását gátló nyúláscsökkentő köpenyt alkot. Ezenkívül megakadályozza a csavart érpárok csavarodását és az érpár ereinek egymástól való eltávolodását az RJ45-ös csatlakozónál, valamint védelmet nyújt a víz és a por ellen.

2. ábra: A Belden C601106010 jelű Ethernet-kábel két RJ45-ös dugóval van ellátva, amelyeknek a PVC dugótestre öntött elasztomer nyúláscsökkentő burkolata megvédi a kábelvégeket a portól és a nedvességtől. (A kép forrása: Belden)

A kék Ethernet-kábel átmérője 5,715 mm, mint az Ethernet-kábelek többségéé. Mivel a ragasztott érpárok és a tömör vezetők nem növelik a kábel tömegét, a C601106010 minden olyan helyen vezethető, ahol az általános célú kábelek is.

A kábel névleges áramerőssége érintkezőnként 1,5 A. Gigabites sebességbesorolásának köszönhetően a C601106010 alkalmas ipari PoE alkalmazási területen való használatra, például robotikához és a dolgok ipari internetének (IIoT) végpontjaihoz. A legnagyobb érintkezési ellenállás 0,02 Ω, amely 1,5 A mellett mindössze 0,3 W hőt termel, ami ipari alkalmazási területeken elfogadható érték.

Ez a CAT6+ kábel 1000Base-T alkalmazásokhoz van méretezve, és az üzemi hőmérséklete –10 °C – +60 °C, ami alkalmassá teszi nagy sebességű, szélsőséges hőmérsékletekkel járó ipari automatizálási területeken való használatra.

Nagyobb távolságok áthidalására a Belden a CA21106025 jelű, 25 láb (7,5 m) hosszú ragasztott érpárú Ethernet-kábelt ajánlja. Ez egy CAT6a kategóriájú kábel, amely ugyanazokkal az alapvető villamos jellemzőkkel rendelkezik, mint a Belden C601106010, és ugyanolyan, a 2. ábrán látható csatlakozókkal van ellátva. Mivel azonban a CA21106025 kábel hosszabb, ezért érzékenyebb a külső zavarokra: a gigabites sebesség mellett egy 25 láb hosszú kábel antennaként működik, így magába szedheti a környező elektronikai készülékek elektromágneses sugárzását. A jel épségének védelme érdekében a CA21106025 alumíniumfóliás külső árnyékolással van ellátva. Ez 6,731 mm kábelátmérőt eredményez, ami valamivel nagyobb, mint az általános célú kábeleké, de jóval a kábelvezetők és az elterjedt kábelvezetési módok tűréshatárán belül van.

Ezzel az árnyékolással a Belden CA21106025 kábel 10GBase-T (10 Gb/s) sebességig használható, így alkalmas a legfejlettebb technikát felvonultató ipari automatizálási területeken való használatra, valamint létesítményen belüli nagy felbontású videóközvetítésekhez is.

Összegzés

A gigabites Ethernet nagyobb adatátviteli sebességet tesz lehetővé az ipari automatizálási létesítményekben. Ezekkel az adatátviteli sebességekkel azonban együtt jár a zavarás, az áthallás és a visszaverődési csillapítás megnövekedett kockázata, ami szaggatott adatkapcsolatot eredményezhet. Ez különösen igaz az ipari alkalmazási területeken, ahol a kábel ismételt hajlítgatásoknak lehet kitéve, ami a kábel villamos teljesítményének csökkenéséhez vezethet.

Az érpárt alkotó erek középpontja közt állandó távolságot biztosító ragasztott csavart érpárú Ethernet-kábelek használatával a tervezők kényelmesen használhatnak nagyobb sebességet nagyobb távolságokon, miközben megfelelnek a PoE által a hálózatfejlesztéssel és az új kiépítésekkel szemben támasztott követelményeknek is.