Verbindingsmogelijkheden in zware omgevingen garanderen met bonded-pair Ethernet-kabels

Met de migratie naar het Industrial Internet of Things (IIoT) vormt de vraag naar meer betrouwbaarheid en betere prestaties in industriële omgevingen die rijk zijn aan sensoren en actuatoren een groeiende uitdaging voor ontwikkelaars die op zoek zijn naar robuuste connectiviteitsoplossingen. Lawaaierige elektrische omgevingen beperken draadloze methoden, terwijl zware fysieke omgevingen het gebruik van conventionele bekabeling bemoeilijken. Ontwerpers hebben een effectievere connectiviteitsoplossing nodig die betrouwbaarheid en prestaties kan handhaven.

Eén optie is om bonded-pair Ethernet-bekabeling te gebruiken die de scheiding van de getwiste aderparen voorkomt om de signaalintegriteit te behouden.

Dit artikel beschrijft de uitdagingen waarmee ontwerpers worden geconfronteerd wanneer ze bekabelingsopties voor ruwe omgevingen overwegen. Vervolgens wordt getoond hoe ze deze uitdagingen kunnen aanpakken met gebonden Ethernet-kabels, waarbij voorbeelden van Belden worden gebruikt om de kenmerken en prestaties van de technologie ten opzichte van klassieke Ethernet-bekabeling te illustreren.

Evoluerende industriële omgevingen stellen netwerkbetrouwbaarheid en -prestaties op de proef

De behoefte aan een grotere verscheidenheid en een groter aantal sensoren en actuatoren in het zich ontwikkelende IIoT heeft de uitdagingen voor industriële netwerkontwerpers vergroot. Naast de voortdurende behoefte aan betrouwbare connectiviteit, moeten industriële netwerken zowel real-time prestaties als een hogere verwerkingscapaciteit leveren, aangezien vision-gebaseerde systemen samen met hoge-precisie sensoren een kritieke rol gaan spelen in meerdere fasen van het productieproces. Terwijl netwerktechnologieën zoals de IEEE 802.1 time-sensitive networking (TSN) standaarden ontwerpers helpen om te voldoen aan de eisen voor deterministische Ethernetprestaties, worden 10 gigabit (Gbit) Ethernetnetwerken de standaard naarmate industriële omgevingen een groter datavolume, hogere snelheid en grotere variëteit ervaren.

Het garanderen van netwerkbetrouwbaarheid en -prestaties in de industriële omgeving blijft een uitdaging vanwege de aard van de elektrische en fysieke omgeving van een typische fabriek. In deze omgeving worden door machines gegenereerde elektrische ruis en stroomstoringen gecombineerd met verschillende bronnen van elektromagnetische interferentie (EMI) en radiofrequentie-interferentie (RFI) om de integriteit van communicatiesignalen in gevaar te brengen. Fysiek gezien biedt de fabrieksvloer aanzienlijke uitdagingen in de vorm van brandstof, olie, oplosmiddelen en andere chemicaliën, maar ook vocht, hoge temperaturen en snelle temperatuurveranderingen door werkende machines, industriële processen en lasspetters.

Bij het bouwen van hun communicatienetwerken vertrouwen ontwerpers van fabrieksnetwerken op communicatiekabels die slechts oppervlakkige overeenkomsten vertonen met kabels die bedoeld zijn voor installatie in commerciële gebouwen. Net als in commerciële gebouwen dient een kabel met stijgleiding, bekend als Communications Multipurpose Cable, Riser (CMR), voor kabeltrajecten door stijgleidingen of verticale schachten in industriële installaties. Op dezelfde manier is een kabel met plenumclassificatie, bekend als Communications Multipurpose Cable, Plenum (CMP), een kabel met een hogere classificatie die nodig is om de verspreiding van vlammen en rook te beperken in horizontale kabeltrajecten door ruimten onder vloeren of plafonds.

In tegenstelling tot de meeste installaties in commerciële gebouwen zijn kabeltracés in de industriële omgeving echter bijzonder gevoelig voor mechanische belasting door voortdurende trillingen, buigen, schuren en pletten als gevolg van normale fabrieksactiviteiten. Ontwerpers van industriële netwerken hebben lang vertrouwd op diverse isolatiematerialen voor kabelmantels om de vereiste balans tussen kosten en prestaties in hun netwerken te bereiken.

Kenmerken industriële kabel

Hoewel kabelisolatiematerialen variëren om te voldoen aan gespecialiseerde vereisten, zijn gefluoreerd ethyleenpolymeer (FEP) en polyvinylchloride (PVC) twee materialen die vaak worden gebruikt in industriële kabelmantels. In CMP-kabels wordt vaak FEP gebruikt vanwege de rook- en vlamvertragende eigenschappen. Het gebruik van FEP in omhulsels van communicatiekabels vermindert niet alleen de vlammen, maar beperkt ook de verspreiding van zware rook van branden door luchtkanalen. Naast een sterke chemische weerstand verdragen FEP-kabels doorgaans een breed omgevingstemperatuurbereik. Zo is de CMP-goedgekeurde vier-pens DataTuff 7931A Ethernet-kabel (7931A 0101000) met FEP-omhulling van Belden gespecificeerd voor een bedrijfstemperatuurbereik van -70 tot +150 °C.

Kabels met CMR-markering worden meestal geïsoleerd met PVC, wat goedkoper is en tegelijkertijd duurzaam en bestand tegen chemicaliën, hitte en water. PVC heeft doorgaans een beperktere bedrijfstemperatuur, in overeenstemming met het typische gebruik in stijgleidingen. De CMR-geclassificeerde vierpaar PVC-omhulde DataTuff 7953A Ethernet-kabel (7953A 0101000) van Belden is bijvoorbeeld gespecificeerd voor een bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot 75 °C.

Naast FEP en PVC worden vaak ook andere materialen afzonderlijk of samen gebruikt om aan specifieke eisen te voldoen. Voor de tweepaar DataTuff 7962A Ethernet-kabel (7962A 1SW1000) combineert Belden bijvoorbeeld een thermoplastisch elastomeer (TPE) buitenmantel, polyethyleen (PE) binnenmantel en polyolefine (PO) draadisolatie om een sterke, brandvertragende, oliebestendige kabel te leveren die geschikt is voor gevaarlijke omgevingen.

De keuze van het materiaal van de mantel is slechts een van de vele belangrijke beslispunten bij de selectie van een kabel voor industriële Ethernet-netwerken. Zoals eerder vermeld kunnen industriële communicatiekabels een aanzienlijke mechanische belasting ondergaan die resulteert in meer signaalruis in conventionele twisted-pair kabels. Dit bekende kabeltype is gebaseerd op de vermindering van overspraak en storingsgevoeligheid die optreedt wanneer een paar draden in elkaar gedraaid zijn. In de praktijk kunnen de spanningen van de installatie en het typische dagelijkse gebruik in de industriële omgeving echter leiden tot scheiding tussen de gepaarde draden (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Conventionele getwiste pair-kabels verminderen overspraak en ruis terwijl de gepaarde draden dicht bij elkaar blijven (boven), maar de draden gaan meestal uit elkaar (onder) na herhaaldelijk buigen, buigen en trekken. (Bron afbeelding: Belden)

Als de afstand tussen geleiders, of centriciteit, toeneemt door voortdurend buigen, buigen of trekken, wordt het ruisonderdrukkende effect van het getwiste paar aanzienlijk aangetast. Na verloop van tijd wordt de signaalintegriteit aangetast, wat de betrouwbaarheid van transmissies over het netwerk beïnvloedt. Belden's alternatief voor conventionele twisted-pair communicatiekabel is ontworpen om de signaalintegriteit te behouden ondanks de zware installatie- en gebruiksomstandigheden.

Bonded-pair technologie biedt immuniteit tegen spanningen

De gepatenteerde bonded-pair technologie van Belden creëert een echte verbinding tussen de draden in elk paar om een optimale centriciteit te behouden voor alle getwiste paren in een communicatiekabel, waardoor de gaten die de signaalintegriteit in gevaar kunnen brengen, worden vermeden (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: In tegenstelling tot conventionele twisted-pair technologie (links), zorgt Belden's bonded-pair technologie (rechts) ervoor dat de afstand tussen gepaarde draden in een kabel vast blijft ondanks buigen, buigen of trekken. (Bron afbeelding: Belden)

De bonded-pair-technologie van Belden resulteert in kabels met een trekweerstand die gewoonlijk 40% sterker is dan conventionele Ethernet-kabel. Tegelijkertijd kan een Belden-bonded-pair-kabel veilig worden gebogen of gebogen met een buigradius die tot vier keer de buitendiameter van de kabel bedraagt. Daarentegen is de buigradius van een gewone Ethernet-kabel meestal beperkt tot tien keer de buitendiameter.

De extra sterkte die de bonded-pair-technologie biedt, vertaalt zich in een vermogen om betrouwbaarheid te behouden ondanks voortdurende stress door buigen tijdens installatie of normaal gebruik. Hoewel de industrie geen standaard heeft voor het meten van de buigweerstand, heeft Belden een buigtest ontwikkeld om veelvoorkomende industriële bedrijfsomstandigheden te simuleren.

De technici van Belden onderwierpen eerst een kabel van 15 voet (ft.) aan een strakke bocht van 3 inch (in.), voordat ze de kabel onderwierpen aan een multiaxiale beweging van 10 voet per seconde (ft./s) gedurende 28.800 cycli per dag. Het technische team van Belden controleerde de te testen kabel voortdurend op kortsluiting, spanningsdalingen en andere problemen op acht punten langs de lengte. Ze stopten de test na 10.075.000 flexcycli zonder enige fysieke of elektrische defecten te hebben gedetecteerd.

De robuuste prestaties van bonded-pair-kabel worden duidelijk wanneer de elektrische prestaties worden vergeleken met conventionele kabel. Met linkmarge als maatstaf toonden tests aan dat Belden bonded-pair-kabel zowel voor als na installatie goed blijft presteren (Afbeelding 3, links). Daarentegen kunnen conventionele twisted-pair-kabels die de prestatietests op de rol doorstaan, het na installatie begeven als gevolg van het loslaten van de paren nadat de kabel is blootgesteld aan de normale trek-, buig- en buigspanningen van de installatie (Afbeelding 3, rechts).

Afbeelding 3: In een Belden-bonded-pair kabel blijft de verbindingsmarge hoog in de afzonderlijke gegevensparen (blauw/geel/groen/rood) voor en na installatie (links), terwijl conventionele twisted-pair kabels die goed testen op de rol vervolgens een dramatische vermindering vertonen na installatie als gevolg van paarscheiding veroorzaakt door stress bij installatie. (Bron afbeelding: Belden)

Vergeleken met een twisted-pair-kabel kan een conventionele kabel met getwist aderpaar ook onregelmatige frequentie-afhankelijke impedantiefluctuaties vertonen door de openingen die ontstaan tussen de aderparen tijdens installatie en verwerking (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De impedantie van de bonded-pair-kabel van Belden (links) blijft stabiel voor en na installatie, in vergelijking met de door hantering veroorzaakte impedantieveranderingen van conventionele industriële kabel (rechts). (Bron afbeelding: Belden)

Bij normaal gebruik kan niet-afgeschermde bonded-pair-kabel de ruisbescherming handhaven, vaak tegen lagere kosten dan conventionele afgeschermde kabel. Voor ontwerpers van industriële netwerken helpt de ruisbescherming van bonded-pair kabels de routingbeperkingen te verlichten in vergelijking met conventionele afgeschermde industriële kabel. Richtlijnen van ODVA (voorheen Open DeviceNet Vendors Association) raden bijvoorbeeld aan om conventionele afgeschermde kabel niet verder dan 5 ft. van elektromagnetische bronnen te leiden om interferentie te voorkomen. De ruisbescherming van niet-afgeschermde bonded-pair-kabel daarentegen stelt netwerkontwerpers in staat om deze kabel binnen 6 inch of minder van een bron te leiden zonder de signaalintegriteit aan te tasten.

Conclusie

Ruwe elektrische en fysieke industriële omgevingen bemoeilijken de selectie van kabels die de vereiste signaalintegriteit kunnen handhaven naarmate de IIoT-datasnelheden toenemen. Zoals aangetoond, biedt de gepatenteerde bonded-pair technologie van Belden een effectieve oplossing die de connectiviteitsprestaties beter kan handhaven dan conventionele industriële Ethernet-kabels.