Veiligheid, prestaties en betrouwbaarheid in fysieke industriële netwerken

Een van de voordelen van Ethernet is dat het werkelijk gestandaardiseerd is, waardoor verbindingen eenvoudig zijn. Tegelijkertijd kan een slechte keuze van onderdelen een gevaar en risico vormen voor de veiligheid, de prestaties en/of de betrouwbaarheid in industriële omgevingen. Er moeten plannen worden gemaakt voor dynamische omgevingsomstandigheden voor Ethernet-bekabeling, net als voor andere draad, kabel en connectoren die naar bedieningspanelen, machines en apparatuur gaan. In deze discussie wordt ingegaan op algemene en alomtegenwoordige omgevingsfactoren zoals EMI (elektromagnetische interferentie) ruis, strategieën en productoplossingen om ruis te verminderen en te elimineren als een bedreiging voor de prestaties van Ethernet-apparatuur.

Beste praktijken voor EMI-beheer in het controlepaneel

De behuizing van een bedieningspaneel voor een machine vormt een EMI-barrière die de interne circuits beschermt tegen externe geluidsbronnen. Panduit industriële Ethernet snoeren zijn gemaakt van categorie 5e en 6A, industriële kwaliteit, geslagen, twisted pair kabel voor UTP en STP installaties. Elke kabelset heeft een UL-, NEMA- en IP-classificatie om bestand te zijn tegen een lichte afspoeling en tijdelijke onderdompeling zonder prestatieverlies, zodat betrouwbaarheid verzekerd is. EMI wordt echter ook gegenereerd door het interne circuit. De apparaten in de behuizingen kunnen een groter risico lopen vanwege hun gevoeligheid en de nabijheid van deze interne EMI-genererende bronnen. De besturing van industriële processen bevindt zich binnen de behuizingen, zodat extra bescherming nodig is, ook al zijn de apparaten reeds beschermd tegen EMI van buitenaf (figuur 1).

Figuur 1: Risico van EMI-geluid binnen een omkasting voor industriële automatiseringssystemen. (Afbeelding bron: Panduit)

Vanwege de nabijheid van gevoelige apparatuur bij lawaaibronnen zijn capacitieve en inductieve koppeling de belangrijkste EMI-oorzaken in een behuizing. Inzicht in beide bronnen helpt om te onderzoeken hoe de beste praktijken en het specificeren van geluiddempende producten de betrouwbaarheid van apparatuur verbeteren.

Beide vormen van koppeling zijn onbedoeld en treden op wanneer de stroom door een draad een spanning induceert op een parallelle draad die zich binnen zijn magnetisch veld bevindt. Capacitieve koppeling is meer een probleem in circuits met een hoge frequentie, terwijl inductieve koppeling meer een probleem is in circuits met een hoge stroomsterkte. De grootte van de opgewekte ruis kan worden gemeten met een oscilloscoop waaraan een slachtofferdraad is bevestigd (figuur 2). Om de werking van kritieke communicatie- en controle-infrastructuur in stand te houden, wordt een meerlagige aanpak aanbevolen om EMI te beperken. Deze beschermingslagen omvatten aardings- en verbindingsmethoden, het scheiden en scheiden van draden, het gebruik van barrières, het afschermen van kabels en het gebruik van filters. Panduit PanelMax™ afgeschermd bedradingskanaal en geluidsscherm routeert, scheidt en schermt gevoelige bedrading af tegen geluidsemissie. Hierdoor kunnen paden dichter bij elkaar worden geplaatst, waardoor kostbare ruimte wordt bespaard in industriële besturingspanelen. De afscherming zorgt voor een vermindering van de ruis (EMI/RFI) met maximaal 20 dB, of een vermindering van de ruisspanning (NVR) met 90%, wat overeenkomt met een luchtafstand van 15 cm tussen gevoelige en ruis uitstralende bedrading.

Figuur 2: EMI-types, bronnen en bestrijdingsmethoden. (Afbeelding bron: Panduit)

Het type afscherming dat in de kabel wordt gebruikt, hangt samen met de geluidsbronnen en het soort lawaai dat in de omgeving wordt verwacht.

De keuze van de juiste infrastructuur voor netwerkcommunicatie in een industriële omgeving is belangrijk. Een vaak gestelde vraag is "wanneer en hoe afgeschermde bekabeling te gebruiken". Afgeschermde bekabeling wordt vaak gebruikt in industriële omgevingen om ongewenste interferentie te beperken die zijn weg vindt naar de Ethernet-netwerkbekabeling. Niet-afgeschermde kabel biedt een zekere mate van bescherming tegen interferentie door het gebalanceerde getwiste paarontwerp, maar biedt niet dezelfde mate van bescherming als afgeschermde kabel. Dit "elektrisch evenwicht" maakt het mogelijk dat de kabel de effecten van EMI minimaliseert, hoe beter het evenwicht hoe meer bescherming. In industriële gebieden waar veel interferentie is, biedt het gebruik van afgeschermde bekabeling een extra beschermingslaag.

Wat is elektrische ruis?

De voornaamste toepassing van afgeschermde kabel zijn omgevingen met elektrische ruisbronnen in de buurt van communicatiebekabeling. De omgeving waarin de kabel wordt geïnstalleerd, zal meestal bepalen of afgeschermde of niet-afgeschermde kabel moet worden gebruikt. De norm ANSI/TIA-1005-A beschrijft het MICE-classificatiesysteem (Mechanisch/Ingress/Climatisch-Chemisch/Elektromagnetisch). De Panduit M.I.C.E guide is een doeltreffend instrument dat nuttige richtsnoeren biedt voor het kwantificeren van de hoeveelheden omgevingsbelastingen zoals elektrische ruis per classificatie.

Redenen om afgeschermde kabel te gebruiken:

• Gemandateerd door bedrijfsspecificatie of plaatselijke vereisten - Productiebedrijven en systeemintegratoren binnen bepaalde verticals hebben veel gewerkt in uitdagende omgevingen voor het installeren van netwerkbekabeling. Deze stammenkennis van bekende "elektrisch lawaaierige" omgevingen wordt het best vastgelegd in documentatie binnen bedrijfsspecificaties en -normen. Het is gebruikelijk dat deze ondernemingen eisen en richtlijnen opnemen in ontwerpen en technische documentatie (beste praktijken) voor het gebruik van afgeschermde kabel voor bepaalde toepassingen.

  Een goed ontwerp van de bekabelingsinfrastructuur houdt in dat gebieden met veel elektrische ruis zoveel mogelijk worden vermeden en dat de beste praktijken worden toegepast, zoals het kruisen van AC-lijnen in een hoek van 90 graden en het correct aarden van de schilden op de afgeschermde kabel.

• De infrastructuur bevindt zich in de buurt van de fabrieksvloer en de datatransmissie is kritisch - Vaak zijn er datatransmissielijnen in de buurt van de fabrieksvloer die blootstaan aan een zekere mate van omgevingsbelasting. Ondernemingskabel is doorgaans niet zo robuust als kabel voor industriële toepassingen. Blootstelling aan verschillende soorten chemicaliën, binnendringen van vloeistoffen, elektrische ruis, en buigingstoepassingen kunnen het best worden opgelost door industriële kabel te gebruiken. Het specificeren van de juiste kabel in de ontwerpfase zal de levensduur en de prestaties van het gehele systeem ten goede komen.
• Motion control en automatiseringstoepassingen met hoge snelheid - Gezien de inherente lawaaierige omgeving van motion control en automatiseringssystemen met hoge snelheid, eisen of bevelen veel leveranciers van motion control afgeschermde kabel aan. Deze systemen zijn tijdkritisch en afhankelijk van elk pakketje informatie. Zelfs als het verschil slechts een kwestie van milliseconden is, kan een op hoge snelheid draaiende machine offline gaan of schade aan de apparatuur veroorzaken. In extreme gevallen van elektrische ruis door beweging, wordt het gebruik van optische vezels aanbevolen.
• MICE (Mechanisch/Ingress/Klimatisch-Chemisch/Elektromagnetisch) niveau van E2 of E3

Figuur 3: E2- of_{E3-MICE-niveaus} weerspiegelen ernstige niveaus van geluidsinterferentie. Het MICE-classificatiesysteem is een doeltreffend instrument van de TIA-1005 norm dat nuttige richtlijnen geeft voor het kwantificeren van de hoeveelheden omgevingsbelastingen zoals elektrische ruis per classificatie. Voor meer informatie over MICE verwijzen wij u naar de standaard of het Panduit MICE gidsmateriaal dat u kunt vinden op de Panduit MICE website. (Afbeelding bron: Panduit)

Elektrische ruis in de vorm van EMI en radiofrequentie-interferentie (RFI) komt vaak voor in industriële omgevingen. Deze vormen van elektrische ruis kunnen de transmissie van Ethernet-netwerkbekabeling verstoren. Bronnen van elektromagnetische interferentie zijn onder meer: elektromotoren, aandrijfeenheden met variabele frequentie, schakelaars/relais, lassen, fluorescerende verlichting en radiocommunicatie. Deze apparaten worden gebruikt in industriële omgevingen en beïnvloeden vaak de netwerkbekabeling door inductieve, magnetische of capacitieve koppeling. Elektrische ruis kan ook worden overgedragen via gemeenschappelijke massa's van knooppunten. Uitgebreide kennis van deze beginselen is echter niet vereist om een goed ontworpen fysieke infrastructuur te ontwikkelen. Fysieke scheiding met luchtruimten en/of isolatiebarrières is doeltreffend, maar op bepaalde punten wordt de Ethernet-netwerkbekabeling nog steeds blootgesteld aan het gevaar van lawaai. Het bepalen van de bron van de ruis in een regelsysteem kan moeilijk zijn en een aanzienlijke hoeveelheid testapparatuur en tijd vergen. Door bij het ontwerp van de fysieke infrastructuur de beste praktijken te volgen, worden dus kostbare tijd en middelen bespaard en betere prestaties gegarandeerd. Aardings- en verbindingssystemen vormen een integrerend deel van de Ethernet-communicatie-infrastructuur, maar het is geen absolute wetenschap. Elke toepassing heeft zijn eigen unieke omgevingslawaai en aardingssituaties die de beste praktijken en ervaring vereisen om te begrijpen. Onjuiste aarding en hechting kunnen ruis geleiden die de transmissie van de Ethernet-pakketten verstoort.

Voor meer informatie over afgeschermde toepassingen, bezoek Panduit'sindustriële omgeving toepassingsgids, of download de Noise Mitigation for Control Panels white paper. Voor meer informatie over MICE richtlijnen, bezoek de Panduit MICE landing page.