Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
S selitvijo na industrijski internet stvari (IIoT) predstavlja zahteva za povečano zanesljivost in zmogljivost v industrijskih okoljih s številnimi senzorji in aktuatorji vedno večje izzive za razvijalce, ki iščejo vzdržljive rešitve za povezljivost.
Električna okolja z veliko šuma omejujejo brezžične metode, medtem ko fizična okolja otežujejo uporabo običajnih pristopov polaganja kablov. Načrtovalci potrebujejo učinkovitejše rešitve povezljivosti, ki ohranijo zanesljivost in zmogljivost.
Ena možnost je uporaba pariceza Ethernet povezavo, ki preprečujejo ločevanje žic parice in tako ohranjajo celovitost signala.
Članek opisuje izzive načrtovalcev, ko razmišljajo o pravi izbiri kablov za zahtevna okolja. Nato predstavi, kako lahko odpravijo te težave s parico. Pri tem se za ponazoritev lastnosti te tehnologije in njene zmogljivosti v primerjavi z običajnimi Ethernet kabli nanaša na primere podjetja Belden[1].
Razvijajoča se industrijska okolja predstavljajo izziv za zanesljivost in zmogljivost
Potreba po večji raznolikosti in številu senzorjev ter aktuatorjev v razvijajočem se IIoT načrtovalcem industrijskih omrežij predstavlja zapletene izzive. Industrijska omrežja morajo poleg stalne potrebe po zanesljivi povezljivosti nuditi tudi delovanje v realnem času in večji pretok, saj se sistemi, ki temeljijo na vidu, pridružujejo izjemno natančnim senzorjem pri igranju ključne vloge v več fazah izdelovalnega postopka. Medtem ko omrežne tehnologije, kot so standardi časovno občutljivega povezovanja v mrežo IEEE 802.1 (TSN), pomagajo načrtovalcem pri izpolnjevanju zahtev za deterministično zmogljivost Etherneta, postajajo 10-gigabitna (Gbit) Ethernet omrežja nov standard, saj se v industrijskih okoljih povečuje količina, hitrost in raznolikost podatkov.
Zagotavljanje omrežne zanesljivosti in zmogljivosti v industrijskih okoljih ostaja težavno zaradi narave električnega in fizičnega okolja običajne tovarne. V tem okolju se strojno proizvedeni električni šum in motnje napajanja združijo z raznimi viri elektromagnetnih motenj (EMI) in radiofrekvenčnih motenj (RFI) ter ogrožajo celovitost komunikacijskih signalov.
Fizično predstavlja obrat velike izzive, in sicer v obliki goriv, olj, topil in drugih kemikalij, kot tudi vlage, visokih temperatur ter hitrih sprememb temperatur zaradi delovanja strojev, industrijskih postopkov in brizganja taline.
Pri gradnji komunikacijskih omrežij se načrtovalci tovarniških omrežij zanašajo na komunikacijske kable, ki so le navidezno podobni kablom, namenjenim za namestitev v poslovnih zgradbah. Tako kot v poslovnih stavbah, se tudi v industrijskih obratih za napeljavo kablov skozi navpične jaške uporablja večnamenski komunikacijski kabel, znan kot CMR (Communications Multipurpose Cable), Riser.
Večnamenski komunikacijski kabli CMP (Communications Multipurpose Cable, Plenum) so kabli višje specifikacije, ki so potrebni za zaviranje širjenja požara in dima v vodoravnih kabelskih napeljavah v prostorih med etažami ali stropi.
Za razliko od večine instalacij v poslovnih zgradbah so kabelske napeljave v industrijskem okolju še posebej občutljive na mehanski stres zaradi neprestanih vibracij, upogibanja, abrazije ali stiskanja, ki so posledice običajnih tovarniških operacij. Načrtovalci industrijskih omrežij se že dolgo zanašajo na raznolike izolacijske materiale za kabelske plašče, da dosežejo potrebno ravnovesje med ceno in zmogljivostjo omrežij.
Lastnosti industrijskih kablov
Čeprav se materiali za izolacijo kablov razlikujejo glede na posebne zahteve, sta flouriran etilenov polimer (FEP) in polivinilklorid (PVC) med tistimi, ki se pogosteje uporabljajo pri izdelavi industrijskih kabelskih plaščev. V kablih CMP se pogosto uporablja FEP zaradi svojih protipožarnih in protidimnih lastnosti. Uporaba FEP-a v plaščih komunikacijskih kablih ne le da preprečuje požar, ampak tudi preprečuje močno dimljenje zaradi požarov v zračnih kanalih. Zraven močne kemične odpornosti so kabli, narejeni iz FEP-a, običajno odpornejši na širok razpon temperature okolice. Beldenov štiriparični Ethernet kabel CMP s FEP-plaščem DataTuff 7931A (7931A 0101000) je na primer zasnovan za delovno temperaturo med -70 do +150 °C.
Kabli CMR so običajno izolirani s PVC-jem, ki je cenejši, toda kljub temu nudijo ustrezno vzdržljivost in odpornost na kemikalije, vročino in vodo. PVC ima običajno bolj omejen razpon delovne temperature, kar se sklada z njegovo tipično uporabo v navpičnih jaških. Beldenov štiriparični Ethernet kabel CMR s PVC-plaščem DataTuff 7953A (7953A 0101000) je na primer zasnovan za delovno temperaturo med -40 to 75 °C.
Za izpolnjevanje posebnih zahtev se poleg FEP-a in PVC-ja pogosto uporabljajo tudi drugi materiali, ločeno ali skupaj. Belden za svoj dvoparični Ethernet kabel DataTuff 7962A (7962A 1SW1000) na primer združi zunanji plašč iz termoplastičnega elastomera (TPE), notranji plašč iz polietilena (PE) in žično izolacijo iz poliolefina, da bi zagotovili trpežen, protipožaren kabel, ki je odporen na olja in primeren za nevarna okolja.
Izbira materiala za plašč je le ena od številnih ključnih odločitev pri izbiri kabla za industrijska Ethernet omrežja. Kot smo že omenili, so industrijski komunikacijski kabli lahko podvrženi velikim mehanskim obremenitvam, ki povečajo šum signala v običajnih paricah. Ta splošno znana vrsta kabla temelji na zmanjšanju presluha in dovzetnosti za motnje, ki se pojavi, ko sta žici oviti druga okoli druge. Vendar lahko v praksi obremenitve pri namestitvi in vsakodnevnem delovanju v industrijskem okolju povzročijo ločevanje žic parice (slika 1).
Z večanjem prostora med obema prevodnikomaali centričnosti, se zaradi nenehnega upogibanja, pregibanja ali vlečenja znatno poslabša dušenje šuma parice. Sčasoma je ogrožena tudi celovitost signala, ki vpliva na zanesljivost prenašanja v omrežju. Beldenova alternativa za običajne komunikacijske kable s parico je zasnovana za ohranjanje celovitega signala kljub zahtevni namestitvi in neprestani uporabi.
Tehnologija paric je odporna na obremenitve
Beldenova patentirana tehnologija paric ustvari vez med posameznima žicama vsake parice, ki ohranja optimalno centričnost za vse parice v komunikacijskem kablu in preprečuje nastajanje vrzeli, ki ogrožajo celovitost signala (slika 2).
Beldenova tehnologija paric omogoča izdelavo kablov, ki so običajno 40 % odpornejši na vlečne sile kot običajni Ethernet kabli. Hkrati pa je možno Beldenovo parico varno prepogibati ali upogibati po polmeru upogiba, ki je do štirikrat večji od zunanjega premera kabla. Za primerjavo je običajni polmer upogiba Ethernet kabla navadno omejen na desetkratno vrednost zunanjega premera.
Dodana trdnost zaradi tehnologije paric se pokaže kot zmožnost ohranjanja zanesljivosti kljub nenehnim obremenitvam zaradi prepogibanja med namestitvijo ali običajno uporabo. Čeprav ta industrija nima standarda za merjenje odpornosti na prepogibanje, je podjetje Belden ustvarilo preskus fleksibilnosti, ki simulira običajne industrijske delovne pogoje.
Beldenovi inženirji so 4,5-metersko (m) parico najprej podvrgli 7,6-centimeterskemu (cm) upogibu, preden so jo podvrgli večosnemu gibanju s hitrostjo 3 metrov na sekundo (m/s) za 28.800 ciklov na dan. Beldenova ekipa inženirjev je neprestano nadzorovala preskušeni kabel na kratke stike, padce napetosti in druge težave na osmih točkah po njegovi celotni dolžini. S preskusom so prenehali po 10.075.000 upogibnih ciklih, ne da bi zaznali kakršno koli fizično ali električno motnjo.
Robustna zmogljivost parice postane očitna, ko primerjamo njeno električno zmogljivost z običajnimi kabli. Kot merilo so uporabili razliko med potrebno in dejansko močjo signala, preskusi pa so pokazali, da Beldenova parica ohrani zmogljivost pred in po namestitvi (slika 3, levo). Nasprotno pa lahko običajne parice, ki na kolutu prestanejo preskus zmogljivosti, po namestitvi odpovejo zaradi ločitve paric, saj je bil kabel med namestitvijo podvržen vlečenju, upogibanju in pregibanju (slika 3, desno). V primerjavi s paricopodjetja Belden lahko običajno parico zaradi vrzeli med žicami parice, ki nastanejo pri namestitvi in rokovanjem, prav tako kaže znake nihanja impedance v odvisnosti od frekvence (slika 4).
Pri normalnem delovanju lahko nezaščitena parica ohranja zaščito pred šumi, pogosto pa je tudi ugodnejša kot običajni zaščiteni kabel. Zaščita pred šumi parice podjetja Belden pomaga načrtovalcem industrijskih omrežij omiliti omejitve pri polaganju napeljave v primerjavi z uporabo običajnih zaščitenih industrijskih kablov. Smernice podjetja ODVA (prej Open DeviceNet Vendors Association) za preprečevanje motenj na primer priporočajo polaganje običajnih zaščitenih kablov vsaj 1,5 m od elektromagnetnih virov. Zaščita pred šumi nezaščitene paricepodjetja Belden pa omogoča oblikovalcem omrežij polaganje napeljave na razdalji 15 cm ali manj od vira, ne da bi to ogrozilo celovitost signala.
Zaključek
Zahtevna električna in fizična industrijska okolja omejujejo izbiro kablov, ki so zmožni ohranjati zahtevano celovitost signala, medtem ko se podatkovne hitrosti IIoT višajo. Kot smo prikazali, Beldenova patentirana tehnologija parice nudi učinkovito rešitev, ki ohrani zmogljivost povezljivosti učinkoviteje kot običajni Ethernet kabli.
Viri:
1: https://www.digikey.si/en/supplier-centers/belden
