Garantir l'intégrité du signal Gigabit Ethernet dans les déploiements d'automatisation industrielle longue distance

Le câblage Ethernet à paires torsadées est considéré comme une technologie mature et fiable, qui a fait ses preuves pour les débits de données 10Base-T et 100Base-T depuis de nombreuses années. Cependant, alors que le trafic Ethernet haut débit atteint 1 gigabit par seconde (Gb/s) et plus, les concepteurs doivent faire face au fait que les signaux tolèrent moins les irrégularités des câbles et deviennent plus sensibles aux interférences, à la diaphonie, à la perte d'impédance, aux pertes par réflexion dues aux signaux réfléchis et à l'atténuation.

Ces problèmes sont exacerbés à mesure que la longueur des câbles augmente, comme dans les installations d'automatisation industrielle. Ces installations, ainsi que les applications telles que la robotique et d'autres machines, sont également confrontées à la torsion et à la flexion des câbles Ethernet pendant la configuration. Cette flexion répétée peut séparer les paires torsadées, compromettant ainsi les performances électriques du câble. L'atténuation du signal qui en résulte peut entraîner des pertes de données intermittentes qui s'aggravent avec le temps. Ces types d'erreurs sont notoirement difficiles à identifier et à résoudre, ce qui entraîne des temps d'arrêt système longs et coûteux.

Cet article traite des défis que pose la transmission de données Ethernet numériques haut débit sur des conducteurs à paires torsadées. Il explique comment les câbles Ethernet à paires collées peuvent être utilisés pour fournir des performances constantes pour les données Ethernet haut débit sur de longues distances, notamment une perte de signal réduite et une résistance aux dommages physiques. Il présente ensuite deux exemples de câbles Ethernet à paires collées de Belden et montre comment ils peuvent être utilisés pour garantir l'intégrité du signal Ethernet dans les environnements industriels.

Transmission fiable de données Gigabit Ethernet

Les câbles Ethernet standard envoient les données sur des conducteurs en cuivre à paires torsadées. Par le passé, les câbles moins chers pouvaient n'utiliser que deux paires torsadées, mais les câbles Ethernet classiques modernes en possèdent quatre pour le transfert de données haut débit et l'alimentation par Ethernet (Power over Ethernet, PoE). Tous les câbles Ethernet subissent un certain degré de dégradation du signal en raison de la construction du câble, de sa longueur, des interférences et du débit de données. Si des données haut débit sont transmises sur une longueur de câble de 10 mètres (m) ou plus, c'est la construction du câble qui est responsable de la prévention d'une dégradation excessive du signal.

La plupart des câbles Ethernet commerciaux et industriels bas débit utilisent des paires torsadées de conducteurs toronnés en cuivre. Les conducteurs toronnés en cuivre sont très flexibles et faciles à travailler, ce qui permet d'obtenir un câble qui peut être plié et qui reste en place lorsqu'il est fixé au sol et aux points de montage. Cependant, les fils toronnés en cuivre présentent une plus grande résistance au flux du courant que les fils massifs en cuivre, surtout sur de longues distances. Cela rend les fils massifs en cuivre plus appropriés pour les données haut débit, qui utilisent généralement des tensions de signalisation plus faibles, ce qui rend les données haut débit plus sensibles à l'atténuation du signal et à la perte de données due à la résistance du fil. Pour PoE, le cuivre massif peut également transporter plus de courant et générer moins de chaleur que le cuivre toronné, ce qui en fait une option plus appropriée.

L'inconvénient du cuivre massif est qu'il ne se plie pas bien et résiste davantage à la flexion que le cuivre toronné, ce qui peut nécessiter un effort supplémentaire lors de la pose du câble.

Les câbles Ethernet à paires torsadées présentent une impédance caractéristique aux récepteurs et aux émetteurs au niveau des fiches RJ45. Généralement, cette impédance est de 100 ohms (Ω) et doit être constante sur toute la longueur du câble. L'impédance est affectée par la distance centre-à-centre entre les deux conducteurs de la paire torsadée. Un impact avec un objet lourd ou les contraintes associées à l'étirement ou à la compression d'un câble peuvent séparer les paires torsadées, modifiant la distance centre-à-centre dans certaines sections. Il en résulte un changement d'impédance du câble qui dégrade le signal. Ce phénomène peut ne pas être perceptible à des débits de 10 mégabits par seconde (Mb/s) (10Base-T) ou de 100 Mb/s (100Base-T), mais peut entraîner une perte de données à des débits gigabit (1000Base-T).

La diaphonie est une autre cause de dégradation du signal. Si vous posez deux fils haute vitesse en parallèle, chaque conducteur induira un courant dans l'autre fil, ce qui constitue la pire des situations en matière de diaphonie. Pour minimiser le risque de diaphonie et de pertes de signal, les fils sont posés en paires torsadées auto-blindées. Cependant, comme pour la perte d'impédance, si les deux fils de la paire torsadée sont poussés ou déplacés par des forces externes sur le câble, la diaphonie entre les paires augmente, ce qui réduit la fiabilité du signal.

La combinaison de la perte d'impédance et de la diaphonie, associée à la résistance électrique du câble sur la distance, entraîne des pertes par réflexion dues à la réflexion du signal vers sa source. Bien que l'on s'attende à des pertes par réflexion et qu'elles soient compensées par l'annulation d'écho aux terminaisons, des pertes par réflexion excessives peuvent être un problème sérieux entraînant une perte de données intermittente. Ce problème est notoirement difficile à diagnostiquer et peut entraîner des temps d'arrêt excessifs. Le problème peut être exacerbé dans les environnements industriels exposés à de hautes vibrations, où la position du câble Ethernet peut changer et entraîner une modification des caractéristiques électriques, causant des problèmes de signaux de données qui disparaissent mystérieusement lorsque les vibrations ou les mouvements cessent.

Câbles Ethernet à paires collées

Comme indiqué précédemment, la perte d'impédance, la diaphonie et les pertes par réflexion sont fortement influencées par la distance centre-à-centre irrégulière entre les paires torsadées sur la longueur du câble. Pour les concepteurs acheminant des connexions Ethernet haut débit en environnements difficiles, Belden a résolu le problème avec ses cordons Ethernet modulaires à paires collées 10GX CAT6 et CAT5E pour Gigabit Ethernet.

Les câbles à paires collées maintiennent une centricité fixe entre les conducteurs de la paire torsadée en les collant physiquement ensemble, ce qui empêche toute séparation, même temporaire (Figure 1). Cela réduit considérablement le risque de perte d'impédance et de diaphonie.

Figure 1 : La paire torsadée non collée à gauche a perdu la centricité entre conducteurs en raison d'un écartement causé par la torsion ou la flexion de la paire. La paire torsadée collée à droite conserve son centrage, malgré les forces extérieures. (Source de l'image : Belden)

Les câbles Ethernet à paires collées de Belden utilisent également des conducteurs massifs en cuivre pour les paires torsadées, réduisant la résistance électrique. En outre, les conducteurs massifs en cuivre permettent d'obtenir plus de puissance avec moins de pertes par rapport aux fils toronnés en cuivre pour les applications PoE. Cela améliore également la sécurité en réduisant la chaleur causée par la résistance du câble.

Ensemble, la réduction de la résistance électrique du câble, la diminution de la perte d'impédance et la réduction de la diaphonie permettent d'améliorer considérablement l'intégrité des données pour Gigabit Ethernet, même en environnements difficiles.

Pour les cordons de raccordement Gigabit Ethernet, Belden propose l'assemblage de câble Ethernet à paires collées C601106010 de 3 mètres (Figure 2). Il s'agit d'un assemblage de câble CAT6+ avec quatre paires torsadées collées de fils massifs en cuivre de 24 AWG. Les extrémités sont terminées par des fiches RJ45 avec une gaine en élastomère moulée sur l'enveloppe extérieure en polychlorure de vinyle (PVC), formant un solide réducteur de tension qui résiste à la séparation. Ce système empêche également la torsion ou la séparation des paires torsadées au niveau de la terminaison RJ45, tout en assurant une protection contre l'eau et la poussière.

Figure 2 : Le cordon Ethernet C601106010 de Belden est terminé par deux fiches RJ45 avec une gaine en élastomère moulée sur l'enveloppe PVC pour protéger les terminaisons du câble contre la poussière et l'humidité. (Source de l'image : Belden)

Le câble Ethernet bleu a un diamètre de 5,715 millimètres (mm), typique pour un câble Ethernet. Comme les paires collées et les conducteurs massifs n'ajoutent pas d'encombrement supplémentaire à l'assemblage du câble, le C601106010 convient à toutes les applications où des câbles commerciaux standard sont installés.

L'assemblage de câble a un courant nominal de 1,500 ampère (A) par contact. Associé au débit gigabit, le C601106010 est approprié pour les applications PoE industrielles telles que la robotique et les points d'extrémité Internet industriel des objets (IIoT). La résistance de contact maximum est de 0,020 Ω, ce qui, à 1,500 A, ne génère que 0,300 W de chaleur, une quantité acceptable pour les applications industrielles.

Cet assemblage de câble CAT6+ est répertorié pour les applications 1000Base-T et a une température de fonctionnement de -10°C à +60°C, ce qui le rend approprié pour les applications d'automatisation industrielle haute vitesse avec des extrêmes de températures.

Pour les distances plus longues, Belden propose l'assemblage de câble Ethernet à paires collées CA21106025 de 7,5 m. Il s'agit d'un assemblage de câble CAT6a avec les mêmes spécifications électriques de base que le C601106010 de Belden, et la même terminaison que celle illustrée à la Figure 2. Cependant, comme le câble CA21106025 est plus long, il est plus sensible aux interférences externes : les débits gigabit sur un câble de 7,5 m agissent comme une antenne qui peut capter les rayonnements électromagnétiques des appareils électroniques environnants. Pour garantir l'intégrité du signal, le CA21106025 est doté d'un blindage extérieur en feuille d'aluminium. Cela se traduit par un diamètre de 6,731 mm, légèrement supérieur à celui des câbles commerciaux, mais bien en deçà des tolérances pour les guides de câbles et les méthodes de routage courantes.

Grâce à ce blindage, l'assemblage de câble CA21106025 de Belden est répertorié pour des débits 10GBase-T (10 Gb/s), et il est adapté aux applications d'automatisation industrielle très exigeantes, ainsi qu'au streaming vidéo haute définition dans une installation.

Conclusion

Gigabit Ethernet apporte des débits de données plus élevés aux installations d'automatisation industrielle. Ces débits de données s'accompagnent d'un risque accru d'interférences, de diaphonie et de pertes par réflexion, ce qui peut entraîner des connexions de données intermittentes. Cela est particulièrement vrai dans les applications industrielles dans lesquelles les câbles peuvent être exposés à des flexions répétées, entraînant une perte de performances électriques des câbles.

En utilisant des câbles Ethernet à paires torsadées collées qui garantissent une centricité fixe entre les conducteurs, les concepteurs peuvent utiliser sans problème des débits plus élevés sur de plus longues distances, tout en répondant aux exigences PoE pour les mises à niveau et les nouveaux déploiements de réseau.