Hoe de signaalintegriteit van Gigabit Ethernet te waarborgen in industriële automatiseringsinstallaties over lange afstand

Twisted-pair Ethernet-bekabeling wordt beschouwd als een volwassen en betrouwbare technologie die al vele jaren vertrouwd is met 10Base-T en 100Base-T-datasnelheden. Naarmate het hogesnelheids-ethernetverkeer echter 1 gigabit per seconde (Gbit/s) en meer bereikt, krijgen ontwerpers te maken met de realiteit dat signalen minder vergevingsgezind zijn voor kabelinconsistenties en gevoeliger worden voor interferentie, overspraak, impedantieverlies, retourverlies door weerkaatste signalen en verzwakking.

De problemen worden nog verergerd naarmate de kabellengte toeneemt, zoals in industriële automatiseringsinstallaties. Deze hebben de extra complicatie van het verdraaien en buigen van Ethernet-kabels tijdens de layout, en in toepassingen zoals robotica en andere machines. Deze herhaalde buiging kan de twisted pair scheiden, waardoor de elektrische prestaties van de kabel in het gedrang komen. De resulterende signaalverzwakking kan leiden tot intermitterende gegevensverliezen die na verloop van tijd verergeren. Dit soort fouten is algemeen bekend als moeilijk op te sporen en op te lossen, met langdurige en dure systeemuitval tot gevolg.

Dit artikel bespreekt de uitdagingen van het verzenden van digitale Ethernet-gegevens met hoge snelheid over twisted pair-geleiders. Er wordt uitgelegd hoe bonded-pair Ethernetkabels kunnen worden gebruikt om consistente prestaties te leveren voor Ethernet-gegevens met hoge snelheid over lange afstanden, inclusief minder signaalverlies en weerstand tegen fysiek misbruik. Vervolgens worden twee voorbeelden gegeven van bonded-pair Ethernet-kabels van Belden en wordt getoond hoe deze kunnen worden gebruikt om de integriteit van het Ethernet-signaal in industriële omgevingen te waarborgen.

Betrouwbaar verzenden van gigabit Ethernet-gegevens

Standaard Ethernet-kabels verzenden gegevens via twisted-pair koperen aders. In het verleden konden minder dure kabels slechts twee gedraaide paren gebruiken, maar moderne conventionele Ethernet-kabels hebben vier twisted pairs voor snelle gegevensoverdracht en Power over Ethernet (PoE) levering. Alle Ethernet-kabels hebben tot op zekere hoogte te lijden onder signaaldegradatie als gevolg van de kabelconstructie, de kabellengte, interferentie en datasnelheid. Als gegevens met hoge snelheid over een kabel van 10 meter (m) of meer worden verzonden, is het de verantwoordelijkheid van de kabelconstructie om overmatige signaaldegradatie te voorkomen.

De meeste commerciële en industriële Ethernet-kabels voor lage snelheid maken gebruik van twisted pairs van gevlochten koperen geleiders. Strandkoper is zeer flexibel en gemakkelijk te verwerken, wat resulteert in een kabel die om hoeken kan worden gebogen en die op zijn plaats blijft wanneer hij op vloeren en bevestigingspunten wordt vastgeplakt. Stranded koperdraad heeft echter een grotere weerstand tegen de stroom dan massief koperdraad, vooral over lange afstanden. Dit maakt massieve koperdraden geschikter voor hoge-snelheidsgegevens, waarvoor doorgaans lagere signaalspanningen worden gebruikt, waardoor hoge-snelheidsgegevens gevoeliger zijn voor signaalverzwakking en gegevensverlies als gevolg van draadweerstand. Voor PoE kan massief koper ook meer stroom transporteren en genereert het minder warmte in vergelijking met gevlochten koper, waardoor het een geschiktere optie is.

Het nadeel van massief koper is dat het niet goed buigt en meer weerstand biedt tegen buigen dan gevlochten koper, zodat bij het leggen van de kabel enige extra inspanning nodig kan zijn.

Twisted-pair Ethernet-kabels hebben een karakteristieke impedantie voor de ontvangers en zenders bij de RJ45-plugs. Gewoonlijk is deze impedantie 100 ohm (Ω) en moet consistent zijn over de gehele lengte van de kabel. De impedantie wordt beïnvloed door de hart-op-hart afstand tussen de twee geleiders in het twisted pair. Een botsing met een zwaar voorwerp of de spanning die optreedt bij het uitrekken of samendrukken van een kabel kan de twisted pair scheiden, waardoor de hart-op-hartafstand in sommige delen verandert. Dit leidt tot een verandering in de impedantie van de kabel, waardoor het signaal wordt aangetast. Dit is wellicht niet merkbaar bij snelheden van 10 megabits per seconde (Mbits/s) (10Base-T) of 100 Mbits/s (100Base-T), maar kan gegevensverlies veroorzaken bij gigabitsnelheden (1000Base-T).

Overspraak is een andere oorzaak van signaaldegradatie. Het parallel laten lopen van twee hogesnelheidsdraden heeft tot gevolg dat elke geleider een stroom in de andere draad induceert, wat de slechtst denkbare situatie voor overspraak is. Om het risico van overspraak en signaalverlies tot een minimum te beperken, worden de draden uitgevoerd in zelfafgeschermde twisted pair. Net als bij impedantieverlies is het echter zo dat wanneer de twee draden in het twisted pair van hun plaats worden geduwd of verschoven door externe krachten op de kabel, de overspraak tussen de paren toeneemt, waardoor de signaalbetrouwbaarheid afneemt.

De combinatie van impedantieverlies en overspraak, gecombineerd met de elektrische weerstand van de kabel over een bepaalde afstand, veroorzaakt retourverlies als gevolg van de weerkaatsing van het signaal terug naar de bron. Retourverlies is te verwachten en wordt gecompenseerd door echo-onderdrukking bij de aansluitingen, maar een teveel aan retourverlies kan een ernstig probleem vormen dat kan leiden tot intermitterend gegevensverlies. Dit probleem is vaak moeilijk te diagnosticeren en kan leiden tot buitensporige uitvaltijd. Het probleem kan nog worden verergerd in industriële omgevingen met veel trillingen, waar de positie van de Ethernet-kabel verschuift en daardoor de elektrische kenmerken veranderen, wat leidt tot problemen met het datasignaal die op mysterieuze wijze verdwijnen wanneer de trillingen of beweging ophouden.

Bonded-pair Ethernet-kabels

Zoals besproken worden impedantieverlies, overspraak en retourverlies alle sterk beïnvloed door de inconsistente hart-op-hart afstand tussen de twisted pair over de lengte van de kabel. Voor ontwerpers die hoge-snelheid Ethernetverbindingen in ruwe omgevingen routen, heeft Belden het probleem aangepakt met zijn 10GX CAT6 en CAT5E bonded-pair modulaire Ethernetkabels voor gigabit Ethernet.

Bonded-pair kabels handhaven een vaste geleider-tot-geleider centriciteit tussen de twisted pair geleiders door ze fysiek aan elkaar te binden, waardoor zelfs tijdelijke scheiding wordt voorkomen (Afbeelding 1). Hierdoor wordt het risico van impedantieverlies en overspraak sterk verminderd.

Afbeelding 1: Het nonbonded twisted pair links heeft de centriciteit tussen geleiders verloren als gevolg van een spleet die is ontstaan door het twisten of buigen van het paar. Het bonded getwiste pair rechts behoudt zijn centriciteit, ondanks externe krachten. (Bron afbeelding: Belden)

Belden bonded-pair Ethernet-kabels maken ook gebruik van massief koperen geleiders voor de twisted pairs, waardoor de elektrische weerstand wordt verminderd. Bovendien laten massieve koperen geleiders meer vermogen toe met minder verlies in vergelijking met gevlochten koperen draden voor PoE-toepassingen. Dit komt ook de veiligheid ten goede doordat de warmte die door de kabelweerstand wordt veroorzaakt, wordt verminderd.

Door de elektrische weerstand van de kabel te verlagen, het impedantieverlies te verminderen en de overspraak te minimaliseren, wordt de gegevensintegriteit voor gigabit Ethernet aanzienlijk verbeterd, zelfs in veeleisende omgevingen.

Voor gigabit Ethernet-patchkabels levert Belden de C601106010 10 foot (ft.) bonded-pair Ethernet-kabelassembly (Afbeelding 2). Het is een CAT6+ kabel met vier onderling verbonden twisted paris van 24 AWG massief koperdraad. De uiteinden zijn voorzien van RJ45-plugs met een elastomeren omhulsel dat aan de buitenmantel van polyvinylchloride (PVC) is vastgegoten, zodat een sterke trekontlasting wordt gevormd die bestand is tegen losraken. Het voorkomt ook verdraaiing of scheiding van de twisted pairs bij de RJ45-aansluiting, en biedt bescherming tegen water en stof.

Afbeelding 2: De Belden C601106010 Ethernetkabel is voorzien van twee RJ45-plugs met een elastomeren trekontlasting die over de PVC-mantel is gegoten om de kabelaansluitingen te beschermen tegen stof en vocht. (Bron afbeelding: Belden)

De blauwe Ethernetkabel heeft een diameter van 5,715 millimeter (mm), wat typisch is voor een Ethernetkabel. Aangezien de bonded pairs en massieve geleiders geen extra massa aan de kabelassemblage toevoegen, is de C601106010 geschikt voor elke toepassing waar commerciële kabels zouden worden gelegd.

De kabelassemblage heeft een stroomsterkte van 1.500 ampère (A) per contact. In combinatie met de gigabitsnelheid is de C601106010 geschikt voor industriële PoE-toepassingen, zoals robotica en Industrial Internet of Things (IIoT)-eindpunten. De maximale contactweerstand is 0,020 Ω, wat bij 1,500 A een warmteontwikkeling van slechts 0,300 watt oplevert, een aanvaardbare hoeveelheid voor industriële toepassingen.

Deze CAT6+ kabelassemblage is geschikt voor 1000Base-T toepassingen en heeft een bedrijfstemperatuur van -10 °C tot +60 °C, waardoor hij geschikt is voor snelle industriële automatiseringstoepassingen met grote temperatuurextremen.

Voor langere afstanden maakt Belden de CA21106025 25 ft. bonded-pair Ethernet kabel assemblage. Het is een CAT6a-kabelassemblage met dezelfde elektrische basisspecificaties als de Belden C601106010, en met dezelfde afsluitweerstand als in Afbeelding 2. Omdat de CA21106025-kabel langer is, is deze echter gevoeliger voor externe interferentie: gigabitsnelheden over een kabel van 25 ft werken als een antenne die elektromagnetische straling van omringende elektronica kan oppikken. Om de signaalintegriteit te waarborgen, heeft de CA21106025 een buitenste afscherming van aluminiumfolie. Dit resulteert in een diameter van 6,731 mm, wat iets groter is dan in de handel verkrijgbare kabels, maar ruim binnen de toleranties voor kabelgeleiders en gangbare routingmethoden.

Dankzij deze afscherming is de Belden CA21106025-kabel geschikt voor 10GBase-T (10 Gbits/s), waardoor hij geschikt is voor zeer geavanceerde industriële automatiseringstoepassingen, alsook voor het streamen van high-definition video in een faciliteit.

Conclusie

Gigabit Ethernet brengt hogere datasnelheden naar industriële automatiseringsfaciliteiten. Met deze datasnelheden neemt het risico van interferentie, overspraak en return loss toe, hetgeen kan leiden tot intermitterende dataverbindingen. Dit geldt met name voor industriële toepassingen waar de kabel herhaaldelijk kan worden gebogen, waardoor de elektrische prestaties van de kabel afnemen.

Door gebruik te maken van "bonded twisted-pair" Ethernet-kabels die een vaste center-to-center centriciteit garanderen, kunnen ontwerpers comfortabel hogere snelheden gebruiken over grotere afstanden, terwijl voldaan wordt aan de PoE-eisen voor netwerkupgrades en nieuwe implementaties.