Yhteenliitetyt Ethernet-parikaapelit takaavat verkkoyhteydet vaativissa ympäristöissä

Siirryttäessä esineiden teolliseen internetiin (IIoT) luotettavuuden ja suorituskyvyn parantamisen tarve kasvaa teollisuusympäristöissä, joissa käytetään paljon antureita ja aktuaattoreita, ja asettaa yhä enemmän haasteita robusteja yhdistettävyysratkaisuja etsiville kehittäjille. Sähköisesti meluisat ympäristöt rajoittavat langattomia menetelmiä, kun taas vaativat fyysiset ympäristöt vaikeuttavat konventionaalisten kaapelointimenetelmien käyttöä. Suunnittelijat tarvitsevat tehokkaamman yhdistettävyysratkaisun, joka pystyy ylläpitämään luotettavuutta ja suorituskykyä.

Yksi vaihtoehto on käyttää yhteenliitettyä Ethernet-parikaapelia, joka estää kierrettyjen johdinparien irtoamisen toisistaan ja takaa näin signaalien eheyden.

Tässä artikkelissa kuvataan haasteita, joita suunnittelijat kohtaavat valitessaan kaapelointivaihtoehtoja vaativiin ympäristöihin. Siinä esitetään sen jälkeen, miten näihin haasteisiin voidaan vastata yhteenliitetyillä Ethernet-parikaapeleilla, ja havainnollistetaan Beldenin esimerkkien avulla tämän tekniikan ominaisuuksia ja suorituskykyä suhteessa tavanomaiseen Ethernet-kaapelointiin.

Kehittyvät teollisuusympäristöt haastavat verkon luotettavuuden ja suorituskyvyn

Se, että kehittyvässä IIoT-ympäristössä tarvitaan yhä suurempaa määrää erilaisia antureita ja aktuaattoreita, on lisännyt teollisuusverkkojen suunnittelijoiden haasteita. Teollisuusverkkojen täytyy tarjota jatkuvan luotettavan verkkoyhteyden lisäksi sekä reaaliaikainen suorituskyky että korkeampi siirtonopeus, sillä huipputarkkoihin antureihin lisätään näköpohjaisia järjestelmiä, ja näillä on kriittinen rooli valmistusprosessin monissa vaiheissa. Sellaiset verkkotekniikat kuten IEEE 802.1 TSN (Time Sensitive Networking) -standardi auttavat suunnittelijoita täyttämään deterministisen Ethernet-suorituskyvyn vaatimukset. Lisäksi 10 gigabitin (Gbit) Ethernet-verkoista on tulossa standardi teollisuusympäristöjen datamäärän, nopeuden ja monimuotoisuuden kasvaessa.

Verkon luotettavuuden ja suorituskyvyn varmistaminen teollisuusympäristössä pysyy edelleen haastavana tehtaan tyypillisen sähköisen ja fyysisen ympäristön luonteen vuoksi. Koneiden aiheuttama sähköinen kohina ja tehohäiriöt yhdistyvät tässä ympäristössä erilaisiin sähkömagneettisiin häiriöihin (EMI) ja radiotaajuushäiriöihin (RFI) vaarantaen tietoliikennesignaalin eheyden. Tehdasympäristössä esiintyy merkittäviä fyysisiä haasteita polttoaineen, öljyn, liuottimien ja muiden kemikaalien sekä kosteuden, korkeiden lämpötilojen ja käynnissä olevien koneiden, teollisuusprosessien ja hitsausroiskeiden aiheuttamien nopeiden lämpötilanmuutosten muodossa.

Tehdasverkkojen suunnittelijat käyttävät tiedonsiirtoverkkojen rakentamiseen tietoliikennekaapeleita, jotka muistuttavat vain ulkonaisesti kaupallisiin rakennuksiin asennettavia kaapeleita. Samoin kuin kaupallisissakin rakennuksissa, myös teollisuuslaitoksissa käytetään nousukanavien tai pystysuorien kuilujen kaapelireiteillä nousukaapeliksi luokiteltua kaapelia, joka tunnetaan nimellä Communications Multipurpose Cable, Riser (CMR). Vastaavasti vaakasuorilla kaapelireiteillä, jotka kulkevat lattian tai sisäkaton alapuolisissa tiloissa, tarvitaan korkeamman luokituksen kaapelia rajoittamaan liekkien ja savun leviämistä. Sellainen on teknisiin tiloihin luokiteltu kaapeli, joka tunnetaan nimellä Communications Multipurpose Cable, plenum (CMP).

Toisin kuin useimmissa kaupallisissa rakennuksissa, kaapelit altistuvat teollisuusympäristössä kuitenkin erityisesti mekaaniselle rasitukselle, jota jatkuva tärinä, taipuminen, kuluminen ja puristuminen aiheuttavat normaalissa tehdastoiminnassa. Teollisuusverkkojen suunnittelijat ovat jo pitkään luottaneet erilaisiin eristysmateriaaleihin kaapelivaipoissa tasapainon saavuttamiseksi verkkojen kustannusten ja suorituskyvyn kesken.

Teollisuuskaapelin ominaisuudet

Vaikka kaapeleiden eristysmateriaalit vaihtelevat erityisvaatimusten mukaan, fluorattu etyleenipolymeeri (FEP) ja polyvinyylikloridi (PVC) ovat kaksi materiaalia, joita käytetään yleisesti teollisuuskaapeleiden vaipoissa. CMP-luokitelluissa kaapeleissa käytetään usein fluorattua etyleenipolymeeriä sen savua ja liekkejä hidastavien ominaisuuksien vuoksi. FEP-materiaalin käyttö tietoliikennekaapeleiden vaipoissa ei ainoastaan vähennä liekkejä vaan myös rajoittaa tulipalojen aiheuttaman voimakkaan savun leviämistä ilmakanavien läpi. Vahvan kemiallisen kestävyyden lisäksi FEP-kaapeleita voidaan tyypillisesti käyttää laajalla lämpötila-alueella. Beldenin CMP-luokiteltu neliparinen FEP-vaippainen DataTuff 7931A Ethernet-kaapeli (7931A 0101000) on esimerkiksi suunniteltu käyttölämpötila-alueelle −70 ... 150 °C.

CMR-luokiteltujen kaapelien eristeenä käytetään tyypillisesti PVC:tä, joka on edullisempi ja samalla riittävän kestävä materiaali kemikaaleja, lämpöä ja vettä vastaan. PVC:n käyttölämpötila-alue on tyypillisesti rajoitetumpi, mikä vastaa sen tyypillistä käyttöä nousuputkissa. Beldenin CMR-luokiteltu neliparinen PVC-vaippainen DataTuff 7953A Ethernet-kaapeli (7953A 0101000) on esimerkiksi suunniteltu käyttölämpötila-alueelle −40 ... 75 °C.

FEP- ja PVC-materiaalien ohella käytetään usein myös muita materiaaleja erikseen tai yhdessä haluttujen vaatimusten täyttämiseksi. Esimerkiksi Belden yhdistää kaksiparisessa DataTuff 7962A Ethernet-kaapelissa (7962A 1SW1000) termoplastisesta elastomeerista (TPE) valmistetun ulkovaipan, polyeteenistä (PE) valmistetun sisävaipan ja polyolefiinista (PO) valmistetun johdineristyksen. Näin saadaan aikaan luja, palamista hidastava, öljynkestävä ja vaarallisiin ympäristöihin soveltuva kaapeli.

Vaippamateriaalin valinta on vain yksi monista tärkeistä päätöksistä valittaessa kaapelia teollisuuden Ethernet-verkkoihin. Kuten edellä on mainittu, teollisuuden tietoliikennekaapeleihin voi kohdistua huomattavaa mekaanista rasitusta, joka kasvattaa signaalikohinaa konventionaalisissa kierretyissä parikaapeleissa. Tämä tunnettu kaapelityyppi perustuu ylikuulumisen ja häiriöherkkyyden vähentämiseen, jota johdinparin kiertäminen yhteen saa aikaan. Asennuksen ja tyypillisen päivittäisen käytön aiheuttama rasitus teollisuusympäristössä voi kuitenkin käytännössä johtaa parijohtimien irtoamiseen toisistaan (kuva 1).

Kuva 1: Konventionaalinen kierretty parikaapeli vähentää ylikuulumista ja kohinaa, kun parijohtimet pysyvät tiiviisti yhdessä (ylhäällä), mutta johtimet tyypillisesti irtoavat toisistaan (alhaalla) jatkuvan taipumisen, taittumisen ja vedon seurauksena. (Kuvan lähde: Belden)

Kierretyn parin kohinanvaimennusvaikutus heikkenee merkittävästi, kun johtimien välinen etäisyys toisistaan eli keskisyys kasvaa jatkuvan taipumisen, taittumisen ja vedon seurauksena. Signaalin eheys heikkenee ajan myötä, mikä vaikuttaa koko verkon tiedonsiirron luotettavuuteen. Beldenin vaihtoehto konventionaalisille kierretylle parikaapelille on suunniteltu siten, että signaalin eheys säilyy asennuksen ja jatkuvan käytön aiheuttamista rasituksista huolimatta.

Yhteenliitetty parikaapeliteknologiaa kestää rasituksia

Beldenin patentoitu kaapeliparin yhteenliitostekniikka sitoo kunkin johdinparin yhteen, jolloin tietoliikennekaapelin kaikkien kierrettyjen parien keskisyys säilyy optimaalisena. Näin vältetään signaalieheyden vaarantavat aukot (kuva 2).

Kuva 2: Toisin kuin konventionaalinen kierretty parikaapelitekniikka (vasemmalla), Beldenin yhteenliitetty parikaapelitekniikka (oikealla) takaa, että kaapelin johdinparien välinen etäisyys pysyy muuttumattomana taipumisesta, taittumisesta ja vedosta huolimatta. (Kuvan lähde: Belden)

Näillä kaapeleilla on Beldenin yhteenliitetyn parikaapelitekniikan ansiosta tyypillisesti 40 % parempi vetorasituskestävyys konventionaalisiin Ethernet-kaapeleihin verrattuna. Samanaikaisesti Beldenin yhteenliitettyä parikaapelia voidaan taittaa tai taivuttaa turvallisesti niinkin tiukalla taivutussäteellä kuin neljä kertaa kaapelin ulkohalkaisija. Normaalin Ethernet-kaapelin pienin taivutussäde on sitä vastoin tyypillisesti kymmenen kertaa sen ulkohalkaisija.

Yhteenliitetyn parikaapelitekniikan tarjoama lisäkestävyys tarkoittaa, että kaapeli pystyy säilyttämään luotettavuutensa asennuksen tai normaalin käytön aikaisen jatkuvan taivutuksen aiheuttamasta rasituksesta huolimatta. Vaikka alalla ei ole standardia taivutuskestävyyden mittaukseen, Belden on kehittänyt taivutustestin, jolla voidaan simuloida teollisuuden yleisiä käyttöolosuhteita.

Beldenin insinöörit asettivat ensin 15 jalan pituisen yhteenliitetyn parikaapelin tiukalle 3 tuuman mutkalle, minkä jälkeen se altistettiin moniakseliselle liikkeelle, jonka nopeus oli 10 jalkaa sekunnissa (ft./s), 28 800 syklin ajan vuorokaudessa. Beldenin insinööritiimi valvoi testattavaa kaapelia jatkuvasti oikosulkujen, jännitehäviöiden ja muiden ongelmien varalta kahdeksasta pisteestä sen pituudella. Tiimi lopetti testauksen 10 075 000 taivutussyklin jälkeen havaitsematta mitään fyysisiä tai sähköisiä häiriöitä.

Yhteenliitetyn parikaapelin robusti suorituskyky on ilmeistä, kun sen sähköistä suorituskykyä verrataan perinteiseen kaapeliin. Testit osoittivat linkkimarginaalia käyttäen, että Beldenin yhteenliitetty kaapeli säilyttää suorituskykynsä ennen asennusta ja sen jälkeen (kuva 3, vasemmalla). Konventionaaliset kierretyt parikaapelit, jotka läpäisevät suorituskykytestit kaapelikelalla, voivat kuitenkin pettää asennuksen jälkeen. Tämä johtuu parin irtoamisesta sen jälkeen, kun kaapeliin on kohdistunut asennuksen aikana normaaleja veto-, taitto- ja taivutusrasituksia (kuva 3, oikealla).

Kuva 3: Linkkimarginaali pysyy korkeana Belden yhteenliitetyn parikaapelin yksittäisissä datapareissa (sininen/keltainen/vihreä/punainen) ennen asennusta ja sen jälkeen (vasemmalla). Konventionaalisissa kierretyissä parikaapeleissa, jotka antavat testeissä hyviä arvoja kelalla, on puolestaan havaittavissa asennuksen jälkeen dramaattista heikkenemistä asennusrasituksen aiheuttaman parin irtoamisen vuoksi. (Kuvan lähde: Belden)

Konventionaalisissa kierretyissä parikaapeleissa voi esiintyä yhteenliitettyyn parikaapeliin verrattuna myös epämääräisiä taajuusriippuvaisia impedanssivaihteluita, jotka johtuvat johdinparien välille asennuksen ja käsittelyn aikana syntyvistä aukoista (kuva 4).

Kuva 4: Beldenin yhteenliitetyn parikaapelin impedanssi (vasemmalla) pysyy tasaisena ennen asennusta ja asennuksen jälkeen verrattuna konventionaalisen teollisuuskaapelin käsittelystä johtuviin impedanssimuutoksiin (oikealla). (Kuvan lähde: Belden)

Ei-suojattu yhteenliitetty parikaapeli voi jatkaa normaalikäytössä kohinalta suojaamista ja se on usein konventionaalista suojattua kaapelia edullisempi. Yhteenliitetyn parikaapelin kohinasuojaus helpottaa teollisuusverkon suunnittelijoita asennusrajoituksissa konventionaaliseen suojattuun teollisuuskaapeliin verrattuna. ODVA:n (entinen Open DeviceNet Vendors Association) ohjeissa esimerkiksi suositellaan, että konventionaalisen suojatun kaapelin etäisyyden sähkömagneettisiin lähteisiin täytyy olla vähintään 5 jalkaa (1,5 m) häiriöiden välttämiseksi. Ei-suojattujen yhteenliitettyjen parikaapeleiden kohinasuojaus tarjoaa verkon suunnittelijoille sitä vastoin mahdollisuuden asentaa kaapeli noin 6 tuuman (15 cm) päähän häiriölähteestä ilman että signaalin eheys vaarantuu.

Yhteenveto

Vaativat sähköiset ja fyysiset teollisuusympäristöt hankaloittavat sellaisten kaapeleiden valintaa, jotka pystyvät säilyttämään vaadittavan signaalieheyden IIoT:n tiedonsiirtonopeuksien kasvaessa. Kuten edellä on esitetty, Beldenin patentoitu yhteenliitetty parikaapelitekniikka tarjoaa tehokkaan ratkaisun, joka säilyttää verkkoyhteyksien suorituskyvyn konventionaalisia Ethernet-teollisuuskaapeleita tehokkaammin.