Garantir la connectivité en environnements difficiles avec des câbles Ethernet à paires collées

Avec la migration vers l'Internet industriel des objets (IIoT), la demande de fiabilité et de performances accrues dans les environnements industriels comportant de nombreux capteurs et actionneurs présente des défis croissants pour les développeurs à la recherche de solutions de connectivité robustes. Les environnements électriques bruyants limitent les méthodes sans fil, tandis que les environnements physiques difficiles compliquent l'utilisation des approches de câblage conventionnelles. Les concepteurs ont besoin d'une solution de connectivité plus efficace, capable de maintenir la fiabilité et les performances.

Une option consiste à utiliser un câblage Ethernet à paires collées qui empêche la séparation des paires de fils torsadées afin de maintenir l'intégrité des signaux.

Cet article décrit les défis auxquels sont confrontés les concepteurs lorsqu'ils envisagent des options de câblage pour les environnements difficiles. Il montre ensuite comment ces défis peuvent être relevés avec des câbles Ethernet à paires collées, en s'appuyant sur des exemples de Belden pour illustrer les caractéristiques et les performances de la technologie par rapport au câblage Ethernet classique.

L'évolution des environnements industriels remet en question la fiabilité et les performances du réseau

La nécessité d'une plus grande variété et d'un plus grand nombre de capteurs et d'actionneurs dans l'IIoT en pleine évolution a aggravé les défis auxquels sont confrontés les concepteurs de réseaux industriels. Outre le besoin permanent d'une connectivité fiable, les réseaux industriels doivent offrir à la fois des performances en temps réel et un débit plus élevé, étant donné que les systèmes basés sur la vision jouent, avec les capteurs haute précision, un rôle crucial dans plusieurs phases du processus de fabrication. Tandis que les technologies réseau, telles que les normes TSN (Time-Sensitive Networking) IEEE 802.1, aident les concepteurs à répondre aux exigences de performances Ethernet déterministes, les réseaux 10 Gigabit Ethernet deviennent la norme à mesure que les environnements industriels connaissent un volume, une vitesse et une variété de données plus importants.

Garantir la fiabilité et les performances du réseau dans l'environnement industriel reste un défi en raison de la nature de l'environnement électrique et physique d'une usine typique. Dans un tel environnement, le bruit électrique généré par les machines et les perturbations électriques se combinent à diverses sources d'interférences électromagnétiques (EMI) et de perturbations radioélectriques (RFI) pour compromettre l'intégrité des signaux de communication. Sur le plan physique, l'usine présente des défis importants sous la forme de carburant, d'huile, de solvants et d'autres produits chimiques, et sous la forme d'humidité, de températures élevées et de variations rapides des températures dues aux machines en fonctionnement, aux processus industriels et aux projections de soudure.

Lors de la construction de leurs réseaux de communication, les concepteurs de réseaux d'usine s'appuient sur des câbles de communication qui ne partagent que superficiellement des similitudes avec les câbles destinés à être installés dans des bâtiments commerciaux. Comme dans les bâtiments commerciaux, un câble répertorié pour les colonnes de montée, ou câble CMR (Communications Multipurpose Cable, Riser), sert pour les passages de câbles dans les colonnes de montée ou les axes verticaux dans les installations industrielles. De même, un câble répertorié plénum, ou CMP (Communications Multipurpose Cable, Plenum), est un câble de qualité supérieure nécessaire pour limiter la propagation des flammes et de la fumée dans les passages de câbles horizontaux traversant les espaces situés sous les planchers ou les plafonds.

Cependant, contrairement à la plupart des bâtiments commerciaux, les passages de câbles dans un environnement industriel sont particulièrement sensibles aux contraintes mécaniques dues aux vibrations, à la flexion, à l'abrasion et à l'écrasement dans le cadre des opérations normales de l'usine. Les concepteurs de réseaux industriels s'appuient depuis longtemps sur divers matériaux d'isolant de gaines de câbles pour atteindre l'équilibre requis entre coûts et performances dans leurs réseaux.

Caractéristiques des câbles industriels

Bien que les matériaux d'isolant de câbles varient pour répondre à des exigences spécifiques, l'éthylène-polymère fluoré (FEP) et le polychlorure de vinyle (PVC) sont deux matériaux fréquemment utilisés dans les gaines de câbles industriels. Dans les câbles répertoriés CMP, le FEP est souvent utilisé en raison de ses caractéristiques ignifuges et anti-fumée. L'utilisation du FEP dans les gaines de câbles de communication réduit non seulement les flammes, mais limite également la propagation des fumées épaisses dues aux incendies dans les conduits d'air. Outre une forte résistance chimique, les câbles FEP tolèrent généralement une large plage de températures ambiantes. Par exemple, le câble Ethernet DataTuff 7931A à quatre paires et gaine FEP, répertorié CMP de Belden (7931A 0101000) est spécifié pour une plage de températures de fonctionnement de -70°C à +150°C.

Les câbles répertoriés CMR sont généralement isolés avec du PVC, permettant un coût inférieur tout en offrant une durabilité et une résistance appropriées aux produits chimiques, à la chaleur et à l'eau. Le PVC présente généralement une température de fonctionnement plus restreinte, conforme à son utilisation typique dans les colonnes de montée. Par exemple, le câble Ethernet DataTuff 7953A à quatre paires et gaine PVC, répertorié CMR de Belden (7953A 0101000) est spécifié pour une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +75°C.

Outre le FEP et le PVC, d'autres matériaux sont souvent utilisés séparément ou ensemble pour répondre à des exigences spécifiques. Par exemple, pour son câble Ethernet DataTuff 7962A à deux paires (7962A 1SW1000), Belden combine une gaine extérieure en élastomère thermoplastique (TPE), une gaine intérieure en polyéthylène (PE) et un isolant de fil en polyoléfine (PO) pour fournir un câble robuste, ignifuge et résistant aux huiles, adapté aux environnements dangereux.

Le choix du matériau de la gaine ne constitue que l'un des nombreux points de décision clés dans la sélection du câble pour les réseaux Ethernet industriels. Comme mentionné précédemment, les câbles de communications industriels peuvent subir des contraintes mécaniques importantes qui se traduisent par une augmentation du bruit du signal dans les câbles à paires torsadées conventionnels. Ce type de câble familier repose sur la réduction de la diaphonie et de la sensibilité aux interférences constatée lorsqu'une paire de fils est torsadée. Dans la pratique, cependant, les contraintes liées à l'installation et au fonctionnement quotidien typique dans l'environnement industriel peuvent provoquer une séparation entre les fils de la paire (Figure 1).

Figure 1 : Les câbles à paires torsadées classiques réduisent la diaphonie et le bruit tandis que les fils de la paire restent ensemble (en haut), mais les fils se séparent généralement (en bas) après des courbures, des flexions et des tractions répétées. (Source de l'image : Belden)

Si la distance entre les conducteurs, ou centricité, augmente en raison d'une flexion, d'une courbure ou d'une traction continue, l'effet de suppression du bruit de la paire torsadée est considérablement réduit. Au fil du temps, l'intégrité des signaux est compromise, affectant la fiabilité des transmissions sur le réseau. L'alternative de Belden au câble de communication à paires torsadées classique est conçue pour maintenir l'intégrité des signaux malgré les rigueurs de l'installation et de l'utilisation continue.

La technologie à paires collées offre une immunité aux contraintes

La technologie à paires collées brevetée de Belden crée une véritable liaison entre les fils de chaque paire afin de maintenir une centricité optimale pour toutes les paires torsadées d'un câble de communication, évitant ainsi les espaces pouvant compromettre l'intégrité des signaux (Figure 2).

Figure 2 : Contrairement à la technologie à paires torsadées conventionnelle (à gauche), la technologie à paires collées de Belden (à droite) garantit que l'espacement entre les fils d'une paire dans un câble reste fixe malgré la courbure, la flexion ou la traction. (Source de l'image : Belden)

La technologie à paires collées de Belden permet d'obtenir des câbles présentant une résistance à la traction typiquement 40 % plus élevée que celle des câbles Ethernet classiques. Dans le même temps, un câble à paires collées de Belden peut être plié ou courbé en toute sécurité le long d'un rayon de courbure de quatre fois le diamètre extérieur du câble. En revanche, le rayon de courbure d'un câble Ethernet classique est généralement limité à dix fois le diamètre extérieur.

La résistance supplémentaire conférée par la technologie à paires collées se traduit par une capacité à maintenir la fiabilité malgré les contraintes continues dues à la flexion pendant l'installation ou le fonctionnement normal. Bien que l'industrie ne dispose pas d'une norme permettant de mesurer la capacité de résistance à la flexion, Belden a créé un test de flexion destiné à simuler les conditions de fonctionnement industrielles courantes.

Les ingénieurs de Belden ont d'abord soumis un câble à paires collées de 4,5 mètres (m) de longueur à une courbure étroite de 76,2 millimètres (mm), avant de le soumettre à un mouvement multi-axial de 0,9 mètre par seconde (m/s) pendant 28 800 cycles par jour. L'équipe d'ingénierie de Belden a surveillé en permanence le câble testé pour détecter les courts-circuits, les chutes de tension et d'autres problèmes en huit points sur toute sa longueur. Ils ont arrêté le test après 10 075 000 cycles de flexion sans avoir détecté de défaillances physiques ou électriques.

La robustesse du câble à paires collées devient évidente lorsque l'on compare ses performances électriques à celles d'un câble conventionnel. En utilisant la marge de liaison comme mesure, les tests ont montré que le câble à paires collées de Belden conserve ses performances avant et après l'installation (Figure 3, à gauche). En revanche, les câbles à paires torsadées conventionnels qui réussissent les tests de performances sur bobine peuvent être défaillants après l'installation en raison de la séparation des paires après que le câble a été soumis aux contraintes normales de traction, de courbure et de flexion de l'installation (Figure 3, à droite).

Figure 3 : Dans un câble à paires collées de Belden, la marge de liaison reste élevée dans les paires de données individuelles (bleu/jaune/vert/rouge) avant et après l'installation (à gauche), tandis que les câbles à paires torsadées conventionnels qui réussissent le test sur bobine montrent par la suite une réduction spectaculaire après l'installation en raison de la séparation des paires causée par les contraintes d'installation. (Source de l'image : Belden)

Comparé à un câble à paires collées, un câble à paires torsadées classique peut également présenter des fluctuations d'impédance erratiques en fonction de la fréquence en raison des espaces créés entre les paires de fils lors de l'installation et de la manipulation (Figure 4).

Figure 4 : L'impédance du câble à paires collées de Belden (à gauche) reste stable avant et après l'installation, par rapport aux changements d'impédance induits par la manipulation d'un câble industriel conventionnel (à droite). (Source de l'image : Belden)

En fonctionnement normal, les câbles à paires collées non blindés peuvent maintenir une protection contre le bruit, souvent à un coût inférieur à celui des câbles blindés conventionnels. Pour les concepteurs de réseaux industriels, la protection contre le bruit des câbles à paires collées contribue à réduire les contraintes de routage par rapport aux câbles industriels blindés conventionnels. Par exemple, les directives de l'ODVA (anciennement Open DeviceNet Vendors Association) recommandent d'acheminer un câble blindé conventionnel à 1,5 m des sources électromagnétiques pour éviter les interférences. En revanche, la protection contre le bruit des câbles à paires collées non blindés permet aux concepteurs de réseaux d'acheminer ce câble à 152,5 mm ou moins d'une source sans compromettre l'intégrité des signaux.

Conclusion

Les environnements industriels électriques et physiques difficiles compliquent le choix de câbles capables de maintenir l'intégrité des signaux requise à mesure que les débits de données IIoT augmentent. Comme illustré, la technologie à paires collées brevetée de Belden fournit une solution efficace capable de conserver les performances de connectivité plus efficacement que les câbles Ethernet industriels conventionnels.