Gigabitin Ethernet-signaalin eheyden varmistaminen pitkien etäisyyksien teollisuusautomaatiosovelluksissa

Kierretty Ethernet-parikaapelointi on kehittynyt ja varma tekniikka, johon on luotettu 10Base-T- ja 100Base-T-tiedonsiirtonopeuksilla jo vuosien ajan. Koska huippunopea Ethernet-liikenne toimii kuitenkin 1 gigabitin sekuntinopeudella (Gbit/s) ja enemmänkin, suunnittelijoiden on otettava huomioon se tosiasia, että signaalit kestävät heikommin kaapelien poikkeavuuksia ja niistä tulee alttiimpia häiriöille, ylikuulumiselle, impedanssihäviölle, heijastuvien signaalien aiheuttamalle paluuhäviölle ja vaimennukselle.

Ongelmat pahenevat kaapelipituuksien kasvaessa, esimerkkinä teollisuusautomaatiolaitokset. Ethernet-kaapeleiden kiertyminen ja taipuminen niiden asennuksen aikana sekä sellaisissa sovelluksissa kuten robotiikassa ja muissa koneissa aiheuttaa lisähankaluuksia. Toistuva taivutus voi irrottaa kierretyt parit toisistaan, mikä heikentää kaapelin sähköistä suorituskykyä. Sen aiheuttama signaalin vaimeneminen voi johtaa ajoittaisiin datahäviöihin, jotka pahenevat ajan myötä. Tämäntyyppisiä virheitä on tunnetusti vaikea tunnistaa ja korjata, mikä aiheuttaa järjestelmän pitkiä ja kalliita käyttökatkoksia.

Tässä artikkelissa käsitellään haasteita, jotka liittyvät huippunopean digitaalisen Ethernet-datan lähettämiseen kierrettyjen johdinparien kautta. Siinä selitetään, miten yhteenliitetyllä Ethernet-parikaapelilla voidaan taata tasainen suorituskyky huippunopealle Ethernet-datalle myös pitkillä etäisyyksillä. Se vähentää myös signaalihäviöitä ja kestää paremmin fyysistä rasitusta. Sen jälkeen artikkelissa esitellään kaksi esimerkkiä Beldenin yhteenliitetyistä Ethernet-parikaapeleista ja näytetään, miten niitä voidaan käyttää Ethernet-signaalin eheyden varmistamiseen teollisuusympäristöissä.

Gigabitin Ethernet-datan luotettava lähettäminen

Tavalliset Ethernet-kaapelit lähettävät dataa kierrettyjä kuparijohtimia pitkin. Aikaisemmin halvemmissa kaapeleissa saatettiin käyttää vain kahta kierrettyä paria, mutta nykyaikaisissa tavanomaisissa Ethernet-kaapeleissa on neljä kierrettyä paria huippunopeaa tiedonsiirtoa ja Power over Ethernet (PoE) -tekniikkaa varten. Signaali heikkenee kaikissa Ethernet-kaapeleissa jossain määrin kaapelin rakenteen, kaapelin pituuden, häiriöiden ja tiedonsiirtonopeuden vuoksi. Jos huippunopeaa dataa lähetetään yli 10 metrin kaapelissa, kaapelirakenteen tehtävä on estää signaalin liiallinen heikkeneminen.

Useimmissa kaupallisissa ja alhaisen nopeuden teollisuus-Ethernet-kaapeleissa käytetään kuparisäiejohtimista koostuvia kierrettyjä pareja. Kuparisäikeet ovat erittäin taipuisia ja helppoja käsitellä. Tämän ansiosta kaapeli voidaan taivuttaa kulmien ympäri ja se pysyy paikallaan teippaamalla se kiinni lattioihin ja kiinnityspisteisiin. Monisäikeiset kuparijohdot vastustavat kuitenkin sähkövirtaa enemmän kuin yksisäikeiset kuparijohdot, erityisesti pitkillä etäisyyksillä. Tämän vuoksi yksisäikeiset kuparijohdot soveltuvat paremmin käytettäväksi huippunopean datan kanssa, jossa käytetään tyypillisesti alhaisempia signalointijännitteitä, jolloin huippunopeat datasignaalit altistuvat vaimenemiselle ja datahäviölle johdon resistanssin vuoksi. Yksisäikeinen kupari pystyy myös siirtämään enemmän virtaa ja tuottaa vähemmän lämpöä monisäikeiseen kupariin verrattuna, joten se on sopivampi vaihtoehto PoE-tekniikkaan.

Yksisäikeisen kuparin huono puoli on se, että se ei jousta yhtä hyvin ja se vastustaa taivutusta enemmän kuin monisäikeinen kupari, joten kaapelin asennus saattaa vaatia enemmän työtä.

Vastaanottimet ja lähettimet näkevät kierretyn Ethernet-parikaapelin ominaisimpedanssin RJ45-liittimissä. Normaalisti tämä impedanssi on 100 ohmia (Ω), ja sen täytyy olla yhdenmukainen koko kaapelin pituudella. Impedanssiin vaikuttaa kierretyn parin kahden johtimen keskipisteiden välinen etäisyys. Painavan esineen aiheuttama isku tai kaapelin venyttämisen tai puristamisen synnyttämät rasitukset voivat irrottaa kierrettyjä pareja toisistaan ja muuttaa keskipisteiden välistä etäisyyttä joillakin osuuksilla. Tämä muuttaa kaapelin impedanssia ja heikentää signaalia. Tätä ei välttämättä havaita 10 megabitin sekuntinopeuksilla (Mbits/s) (10Base-T) tai 100 megabitin sekuntinopeuksilla (100Base-T), mutta gigabitin nopeuksilla (1000Base-T) datahäviöitä voi syntyä.

Ylikuuluminen on toinen syy signaalin heikkenemiseen. Kun kaksi suurnopeusjohtoa asetetaan rinnakkain, kumpikin johdin indusoi sähkövirtaa toisessa johtimessa. Tämä on pahin mahdollinen tilanne ylikuulumisen kannalta. Ylikuulumisen ja signaalihäviöiden riskin minimoimiseksi kukin kierretty pari suojataan erikseen. Samoin kuin impedanssihäviön kohdalla, jos kaapeliin kohdistuvat ulkoiset voimat työntävät tai siirtävät kierrettyyn pariin kuuluvat kaksi johdinta pois paikoiltaan, parien välinen ylikuuluminen lisääntyy, mikä heikentää signaalin luotettavuutta.

Impedanssihäviön ja ylikuulumisen yhdistelmä yhdessä pitkän kaapelin sähköisen resistanssin kanssa synnyttävät paluuhäviöitä signaalin heijastuessa takaisin lähteeseen. Vaikka paluuhäviö tunnetaankin ja sitä kompensoidaan käyttämällä kaapelin päätepisteissä heijastumien vaimentamista, liiallinen paluuhäviö voi olla vakava ja ajoittaisia datahäviöitä aiheuttava ongelma. Tätä ongelmaa on tunnetusti vaikea diagnosoida, ja se voi johtaa pitkäaikaisiin käyttökatkoksiin. Ongelma voi pahentua teollisuusympäristöissä, joissa esiintyy voimakasta tärinää, jolloin Ethernet-kaapeli siirtyy paikaltaan ja sen sähköiset ominaisuudet muuttuvat synnyttäen datasignaalien kanssa ongelmia, jotka katoavat salaperäisesti tärinän tai liikkeen lakatessa.

Yhteenliitetyt Ethernet-parikaapelit

Kuten edellä on mainittu, kierretyn parin keskikohtien välisen etäisyyden muutokset vaikuttavat voimakkaasti impedanssihäviöön, ylikuulumiseen ja paluuhäviöön koko kaapelin pituudella. Suunnittelijoille, jotka asentavat huippunopeita Ethernet-yhteyksiä vaativiin ympäristöihin, Belden on ratkaissut ongelman Gigabitin Ethernetille tarkoitetuilla modulaarisilla 10GX CAT6- ja CAT5E-luokan yhdistetyillä Ethernet-parijohdoilla.

Yhdistetyissä parikaapeleissa kierrettyjen johdinparien keskikohtien välinen etäisyys säilyy samana, koska ne on yhdistetty fyysisesti toisiinsa, mikä estää jopa niiden tilapäisen irtoamisen (kuva 1). Tämä vähentää huomattavasti impedanssihäviöiden ja ylikuulumisen riskiä.

Kuva 1: Vasemmalla olevassa yhdistämättömässä kierretyssä parissa johdinparin keskikohtien välinen etäisyys on muuttunut, koska parin kiertyminen tai taipuminen on erottanut johtimet toisistaan. Oikeanpuoleisessa yhdistetyssä kierretyssä parissa keskikohtien välinen etäisyys säilyy ulkoisista voimista huolimatta. (Kuvan lähde: Belden)

Beldenin yhdistettyjen Ethernet-parikaapelien kierretyissä pareissa käytetään lisäksi yksisäikeisiä kuparijohtimia, mikä pienentää niiden sähköistä resistanssia. Lisäksi yksisäikeiset kuparijohtimet mahdollistavat suuremman tehon pienemmällä häviöllä PoE-sovelluksissa monisäikeisiin kuparijohtoihin verrattuna. Tämä parantaa myös turvallisuutta vähentämällä kaapelin resistanssin aiheuttamaa lämpöä.

Kaapelin sähköisen resistanssin vähentäminen, impedanssihäviön pienentäminen ja ylikuulumisen minimointi parantavat kaikki yhdessä huomattavasti datan eheyttä Gigabitin Ethernetissä myös haastavissa olosuhteissa.

Gigabitin Ethernet-kytkentäjohtoja varten Belden tarjoaa 10 jalan (ft.) pituisen yhdistetyn Ethernet-parikaapelikokoonpanon C601106010 (kuva 2). Se on CAT6+-kaapelikokoonpano, joka sisältää neljä yhdistettyä ja kierrettyä yksisäikeistä 24 AWG:n kuparijohdinparia. Kaapelin päihin on asennettu RJ45-urosliittimet, joissa on PVC (polyvinyylikloridi) -ulkovaippaan valettu elastomeerisukka, joka tarjoaa tehokkaan vedonpoiston ja estää pareja irtoamasta toisistaan. Se estää myös kierrettyjen parien kiertymisen tai irtoamisen toisistaan RJ45-liittimessä ja suojaa niitä vedeltä ja pölyltä.

Kuva 2: Belden C601106010 Ethernet-johdon kumpaankin päähän on asennettu RJ45-urosliitin, jossa PVC-vaipan päälle on valettu elastomeerisukka ja vedonpoistin, joka suojaa kaapeliliitäntöjä pölyltä ja kosteudelta. (Kuvan lähde: Belden)

Sinisen Ethernet-kaapelin halkaisija on 5,715 millimetriä (mm), mikä on tyypillinen Ethernet-kaapelille. Koska yhdistetyt parit ja yksisäikeiset johtimet eivät kasvata kaapelikokoonpanon kokoa, C601106010 soveltuu kaikkiin sovelluksiin joissa käytetään kaupallisia kaapeleita.

Kaapelikokoonpanon virtaluokitus on 1,500 ampeeria (A) kosketinta kohden. C601106010 tarjoaa myös Gigabitin nopeusluokituksen ja soveltuu teollisuuden PoE-sovelluksiin, esimerkkinä robotiikka ja esineiden teollisen internetin (IIoT) päätepisteet. Maksimi kosketinresistanssi on 0,020 Ω, mikä tuottaa 1,500 ampeerilla vain 0,300 wattia lämpöä, joka on hyväksyttävä arvo teollisiin sovelluksiin.

Tämä CAT6+-kaapelikokoonpano on luokiteltu 1000Base-T-sovelluksiin, ja sen käyttölämpötila-alue on -10 ... +60 °C, joten se soveltuu huippunopeisiin teollisuusautomaatiosovelluksiin, joissa esiintyy laajoja äärilämpötiloja.

Pidempiä etäisyyksiä varten Belden tarjoaa 25 jalan pituisen yhdistetyn Ethernet-parikaapelikokoonpanon CA21106025. Tällä CAT6a-kaapelikokoonpanolla on samat sähköiset spesifikaatiot kuin Beldenin kaapelilla C601106010 ja sama kuvassa 2 näkyvä liitin. Koska CA21106025-kaapeli on kuitenkin pidempi, se on alttiimpi ulkoisille häiriöille: gigabitin nopeudet toimivat yli 25 jalan pituisessa kaapelissa kuten antenni, joka vastaanottaa sähkömagneettista säteilyä lähellä olevista elektroniikkalaitteista. Signaalin eheyden takaamiseksi CA21106025-kaapelissa käytetään alumiinifoliosta valmistettua ulkovaippaa. Näin kaapelin halkaisija on 6,731 mm eli hieman suurempi kuin kaupallisilla kaapeleilla, mutta tämä on hyvin kaapeliohjainten ja yleisten asennusmenetelmien toleranssien sisällä.

Tämän vaipan ansiosta Belden CA21106025-kaapelikokoonpano on luokiteltu 10GBase-T (10 Gbits/s) -nopeuksille, joten se soveltuu erittäin korkealuokkaisiin teollisuusautomaatiosovelluksiin sekä teräväpiirtovideoiden suoratoistoon koko laitoksessa.

Yhteenveto

Gigabitin Ethernet tuo entistä korkeammat tiedonsiirtonopeudet teollisuusautomaatiolaitoksiin. Näiden tiedonsiirtonopeuksien myötä häiriöiden, ylikuulumisen ja paluuhäviöiden riski kasvaa, mikä voi johtaa katkeileviin tiedonsiirtoyhteyksiin. Tämä pätee erityisesti teollisuussovelluksissa, joissa kaapeli voi altistua toistuvalle taivutukselle, jolloin kaapelin sähköinen suorituskyky heikkenee.

Käyttämällä yhdistettyjä kierrettyjä Ethernet-parikaapeleita, jotka takaavat ettei johtimien keskikohtien välinen etäisyys muutu, suunnittelijat voivat helposti käyttää suurempia nopeuksia ja pidempiä etäisyyksiä sekä täyttää samalla PoE-vaatimukset, olipa kyseessä sitten verkkojen päivitys tai uusien verkkojen käyttöönotto.