Zarušené průmyslové prostředí omezuje použitelnost bezdrátové konektivity a tak se musí přenos dat spolehnout na kabelové řešení. Jaký typ ethernetového kabelu použít v náročných prostředí je předmětem tohoto článku. Ukážeme si srovnání klasické ethernetové kabeláže a speciálního ethernetového kabelu s lepeným párem od Beldenu.

Průmyslové prostředí je výzvou pro spolehlivost i výkon sítě

Větší rozmanitost průmyslu a narůstající počet senzorů a akčních členů komplikuje rozvržení průmyslové sítě. Spolehlivost přenosu vysokých objemů dat v reálném čase je klíčovou vlastností každého inteligentního výrobního procesu založeného na strojovém vidění. V průmyslovém prostředí je přítomen velký elektrický šum a spolu s poruchy napájení jsou různými zdroji elektromagnetického rušení (EMI) a vysokofrekvenčního rušení (RFI), a to vše narušuje integritu komunikačního signálu. Průmyslová továrna představuje nástrahy ve formě paliv, olejů, rozpouštědel a dalších chemikálií, ale i zvýšené vlhkosti, vysoké teploty nebo rychlé teplotní změny způsobené provozem jako je například svařování.

Stejně jako v komerčních budovách slouží pro vedení kabelů v průmyslu stoupačky nebo vertikální šachty, kde se používají kabely známé jako Communications Multipurpose Cable, Riser (CMR). Podobný kabel s označením jako Communications Multipurpose Cable, Plenum (CMP) snižuje riziko šíření plamene a kouře v prostorách pod podlahou nebo ve stropě. Na rozdíl od většiny instalací v komerčních budovách jsou však kabelové trasy v průmyslovém prostředí náchylné k mechanickému namáhání v důsledku vibrací, ohýbání a oděru, který dochází při běžném provozu. Proto je nutné, aby kabel měl odpovídající izolační materiál pláště.

Vlastnosti průmyslových kabelů

Běžně používané izolační materiály v pláštích kabelů určených do průmyslu jsou fluorovaný ethylenový polymer (FEP) a polyvinylchlorid (PVC). V kabelech CMP se FEP často používá kvůli svým vlastnostem zpomalujícím šíření kouře a hoření. Použití FEP v pláštích komunikačních kabelů nejen snižuje vznik plamene, ale také omezuje šíření těžkého kouře vzduchovými kanály. FEP kabely vynikají nejen chemickou odolností, ale jsou schopny spolehlivě pracovat ve velmi nízkých teplotách. Například čtyřpárový ethernetový kabel DataTuff 7931A s pláštěm FEP ( 7931A 0101000 ) je určen pro rozsah provozních teplot -70 až +150 °C.

Kabely CMR jsou obvykle izolovány materiálem PVC, který nabízí nižší cenu a zároveň poskytuje vhodnou životnost a odolnost vůči chemikáliím, teplotě a vodě. PVC materiál se obvykle používá pro vedení ve stoupačkách. Například čtyřpárový ethernetový kabel DataTuff 7953A s PVC pláštěm ( 7953A 0101000 ) je určen pro rozsah provozních teplot -40 až 75 °C.

Kromě materiálu FEP a PVC se kvůli specifickým požadavkům často používají i další materiály a to samostatně nebo společně. Například u dvoupárového ethernetového kabelu DataTuff 7962A ( 7962A 1SW1000 ) je kombinován vnější plášť z termoplastického elastomeru (TPE), vnitřní plášť z polyetylenu (PE) a polyolefinovou (PO) izolaci drátu, aby byla zajištěna pevná a nehořlavá izolace. Tento odolný kabel je vhodný do zvláště nebezpečného prostředí, kde dochází k permanentnímu styku s oleji.

Výběr materiálu pláště je pouze jedním z několika klíčových bodů rozhodování při výběru kabelu pro průmyslové ethernetové sítě. Průmyslové komunikační kabely mohou podléhat značnému mechanickému namáhání, které má za následek zvýšený šum u klasických kroucených párů v kabelu. Tento známý typ kabelu spoléhá na snížení přeslechů a citlivosti na rušení při zkroucení páru vodičů dohromady. V praxi však může namáhání instalace a typický každodenní provoz v průmyslovém prostředí způsobit oddělení spárovaných vodičů (obrázek 1).

Obrázek 1: Klasický kroucený dvoulinkový kabel snižuje přeslechy a šum, zatímco spárované vodiče zůstávají blízko u sebe (nahoře), ale vodiče se obvykle oddělují (dole) po opakovaném ohýbání a namáhání. (Zdroj obrázku: Belden)

Jak se vzdálenost mezi vodiči, neboli centricita zvětšuje v důsledku pokračujícího ohýbání nebo jiném mechanickém namáhání, účinek krouceného páru na potlačení šumu se výrazně zhorší. Postupem času dochází k narušení integrity signálu, a to výrazně ovlivní spolehlivost přenosů v síti.

Technologie bonded-pair nabízí odolnost vůči namáhání

Patentovaná technologie bonded pair od Beldenu vytváří pevnou a trvalou vazbu mezi vodiči v každém páru, aby byla zachována optimální centricita pro všechny kroucené páry v komunikačním kabelu, čímž se zabrání mezerám, které mohou narušit integritu signálu (obrázek 2).

Obrázek 2: Na rozdíl od standardní kroucené dvoulinky (vlevo) technologie lepené dvojlinky bounded pair (vpravo) zajišťuje, že vzdálenost mezi spárovanými vodiči v kabelu zůstává pevná i přes ohýbání a jiné mechanické namáhání. (Zdroj obrázku: Belden)

Výsledkem technologie bonded pair jsou kabely s odolností proti tahu, která je obvykle o 40 % větší než u běžného ethernetového kabelu. Kabel Belden z lepených párů lze zároveň bezpečně ohýbat podél poloměru ohybu, který je až čtyřnásobek vnějšího průměru kabelu. U běžného ethernetového kabelu je poloměr ohybu obvykle omezen na desetinásobek vnějšího průměru.

Přidaná pevnost technologií bonded-pair se promítá i do schopnosti udržet si spolehlivost i přes namáhání kabelu během instalace nebo normálního provozu. Přestože v tomto odvětví chybí standard pro měření schopnosti kabelu odolávat ohybu, Belden vytvořila test ohybu navržený tak, aby simuloval běžné průmyslové provozní podmínky. Test se prováděl na bounded pair kabelu o délce 4,5 m, který byl vystaven ohybu 7,5 cm. Tento ohyb se prováděl ve více osách rychlostí 3 m/s po dobu 28 800 cyklů za den. Testovaný kabel byl neustále monitorován na zkraty, poklesy napětí a další problémy v osmi bodech podél jeho délky. Test byl zastaven po 10 075 000 cyklech, aniž by se odhalily jakékoli fyzické nebo elektrické poruchy. Tento test se provedl také se standardním ethernetovým kabelem.

Testy ukázaly, že si kabel Belden bonded pair zachovává své vlastnosti před instalací i po ní (obrázek 3, vlevo). Naproti tomu standardní kroucené dvoulinky, které projdou výkonnostními testy mohou po instalaci selhat kvůli oddělení párů (obrázek 3 vpravo).

Obrázek 3: U kabelu Belden s lepeným párem (bonded pair) zůstávají vlastnosti (modrá/žlutá/zelená/červená) před a po instalaci stejné (vlevo), zatímco standardní kroucené dvoulinky vykazují po testu dramatické snížení všech vlastností způsobené oddělením jednotlivých párů. (Zdroj obrázku: Belden)

Běžný kabel s kroucenou dvojlinkou může také vykazovat nepravidelné kolísání impedance v závislosti na frekvenci v důsledku mezer vytvořených mezi páry vodičů během instalace a mechanického namáhání (obrázek 4).

Obrázek 4: Impedance dvoulinkového bonded pair kabelu Belden (vlevo) zůstává stabilní před i po instalaci ve srovnání se změnami impedance standardního průmyslového kabelu (vpravo). (Zdroj obrázku: Belden)

V normálním provozu si nestíněný bonded pair kabel může zachovat ochranu proti šumu často za nižší cenu než použitím standardního stíněného kabelu. Ochrana proti šumu bonded pair kabelu je vyšší ve srovnání se standardním stíněným průmyslovým kabelem. Směrnice ODVA (Open DeviceNet Vendors Association) doporučují vést standardní stíněný kabel více než 1,5 m od elektromagnetických zdrojů. Naproti tomu nestíněný bonded-pair kabel s ochranou proti šumu umožňuje vést tento kabel již od 15 cm od zdroje šumu, aniž by byla ohrožena integrita signálu.

Závěr

Kabely v průmyslovém prostředí jsou vystaveny extrémním podmínkám. Nejedná se jen o možnost styku s agresivními chemikáliemi, ale jsou vytaveny elektromagnetickému rušení a někdy jsou kabely také mechanicky namáhány. I přes tyto nepříznivé podmínky si kabely musí zachovat své vlastnosti a nesmí dojít k narušení integrity signálu. Patentovaná technologie bonded-pair od Beldenu poskytuje efektivní řešení schopné udržovat spolehlivost přenosu dat i v těch nejdrsnějších podmínkách.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com