Come garantire l'integrità di segnale Gigabit Ethernet nelle distribuzioni su lunghe distanze per l'automazione industriale

Il cablaggio a doppino intrecciato Ethernet è considerato una tecnologia matura e affidabile, utilizzata per anni con velocità di dati 10Base-T e 100Base-T. Tuttavia, man mano che il traffico Ethernet ad alta velocità raggiunge 1 Gbps e oltre, i progettisti devono fare i conti con la realtà: i segnali sopportano meno bene le incongruenze dei cavi e sono più suscettibili a interferenze, diafonia, perdita di impedenza, attenuazione di riflessione dovute ai segnali riflessi e all'attenuazione.

I problemi sono ancora maggiori quando le lunghezze dei cavi aumentano, come negli impianti di automazione industriale. Questi aggiungono il problema della torsione e della piegatura dei cavi Ethernet durante la stesura, così come in applicazioni come la robotica e altri macchinari. Questa flessione ripetuta può separare i doppini intrecciati, compromettendo le prestazioni elettriche del cavo. L'attenuazione del segnale risultante può introdurre perdite di dati intermittenti che peggiorano nel tempo. Questi tipi di errori sono notoriamente difficili da identificare e risolvere, causando lunghi e costosi tempi di fermo macchina.

Questo articolo discute le sfide dell'invio di dati digitali Ethernet ad alta velocità su conduttori a doppino intrecciato. Spiega come i cavi Ethernet a doppino unito possono essere utilizzati per fornire prestazioni costanti per i dati Ethernet ad alta velocità su lunghe distanze, compresa la riduzione delle perdite di segnale e la resistenza agli abusi fisici. Presenterà quindi due cavi Ethernet a doppino unito di Belden e mostrerà come utilizzarli per garantire l'integrità del segnale Ethernet in ambienti industriali.

Invio affidabile di dati Gigabit Ethernet

I cavi Ethernet standard inviano i dati su conduttori in rame a doppini intrecciati. In passato, i cavi meno costosi potevano avere solo due doppini intrecciati, ma i moderni cavi Ethernet tradizionali hanno quattro doppini intrecciati per il trasferimento di dati ad alta velocità e la funzionalità Power over Ethernet (PoE). Tutti i cavi Ethernet causano un certo deterioramento del segnale per via della loro costruzione, della lunghezza, delle interferenze e della velocità dei dati. Se si inviano dati ad alta velocità su un cavo di 10 metri o più, è il tipo di costruzione del cavo a dover prevenire il deterioramento eccessivo del segnale.

La maggior parte dei cavi Ethernet commerciali e industriali a bassa velocità usa doppini intrecciati di conduttori a trefoli in rame. Il rame a trefoli è molto flessibile e facile da lavorare, e risulta in un cavo che può piegarsi ad angolo e che rimane in posizione quando viene fissato con un nastro adesivo a terra o in altri punti. Tuttavia, i fili in rame a trefoli hanno una maggiore resistenza al flusso di corrente rispetto ai fili in rame pieno, soprattutto sulle lunghe distanze. Questo rende i fili in rame pieno ideali per i dati ad alta velocità, che tipicamente usano tensioni di segnalazione più basse, rendendo i dati ad alta velocità più suscettibili all'attenuazione del segnale e alla perdita di dati dovuta alla resistenza del filo. Per PoE, il rame pieno può anche trasportare più corrente e generare meno calore rispetto al rame a trefoli, rendendolo un'opzione migliore.

L'inconveniente del rame pieno è che non si flette molto e resiste alla flessione più del rame a trefoli, quindi può richiedere uno sforzo supplementare durante la stesura del cavo.

I cavi Ethernet a doppino intrecciato presentano un'impedenza caratteristica per i ricevitori e i trasmettitori in corrispondenza delle spine RJ45. Tipicamente, questa impedenza è di 100 Ω e deve essere costante lungo la lunghezza del cavo. L'impedenza è influenzata dalla distanza da centro a centro tra i due conduttori nel doppino. L'impatto con un oggetto pesante o le sollecitazioni associate all'allungamento o alla compressione di un cavo possono separare le doppini intrecciati e questo cambia la distanza da centro a centro in alcune sezioni. Ciò si traduce in un cambiamento di impedenza del cavo che degrada il segnale. Questo fatto può non essere evidente a velocità di 10 Mbps (10Base-T) o 100 Mbps (100Base-T) ma può causare la perdita di dati a velocità nell'ordine dei gigabit (1000Base-T).

La diafonia è un'altra causa di deterioramento del segnale. Con la stesura di due fili ad alta velocità in parallelo, ogni conduttore indurrà una corrente nell'altro filo, determinando la situazione peggiore per la diafonia. Per ridurre al minimo il rischio di diafonia e le perdite di segnale, i fili sono stesi in doppini intrecciati autoschermati. Tuttavia, come per la perdita di impedenza, se i due fili del doppino vanno fuori posto a causa di forze esterne applicate al cavo, la diafonia tra le coppie aumenta, riducendo l'affidabilità del segnale.

La combinazione di perdita di impedenza e di diafonia, unita alla resistenza elettrica del cavo sulla distanza, causa l'attenuazione di riflessione dovuta alla riflessione del segnale verso la sua fonte. Se l'attenuazione di riflessione è prevista e viene compensata utilizzando la cancellazione dell'eco alle terminazioni, l'eccesso di attenuazione di riflessione può essere un problema grave con conseguente perdita intermittente di dati. Questo problema può essere difficile da diagnosticare e può comportare tempi di inattività eccessivi. Il problema può essere maggiore in ambienti industriali ad alta vibrazione, dove il cavo Ethernet si sposta e cosi facendo cambia le caratteristiche elettriche, con conseguenti problemi di segnale dati che misteriosamente scompaiono quando la vibrazione o il movimento cessano.

Cavi Ethernet a doppino unito

Come discusso, la perdita di impedenza, la diafonia e l'attenuazione di riflessione sono tutte pesantemente influenzate dalla distanza incoerente da centro a centro tra i doppini intrecciati sulla lunghezza del cavo. Per i progettisti che instradano connessioni Ethernet ad alta velocità in ambienti difficili, Belden ha affrontato il problema con i cavi modulari Ethernet 10GX CAT6 e CAT5E a doppino unito per Gigabit Ethernet.

I cavi a doppino unito mantengono fissa la distanza da centro a centro tra i conduttori a doppino intrecciato legandoli fisicamente tra loro, impedendone così la separazione anche temporanea (Figura 1). Questo riduce notevolmente il rischio di perdita di impedenza e di diafonia.

Figura 1: Il doppino intrecciato non unito a sinistra ha perso la distanza fissa da centro a centro tra i conduttori a causa di uno spazio interelettrodico causato dalla torsione o dalla piegatura del doppino. Il doppino unito a destra mantiene tale distanza da centro a centro, nonostante le forze esterne. (Immagine per gentile concessione di Belden)

Anche i cavi Ethernet a doppino unito di Belden utilizzano conduttori in rame pieno per i doppini intrecciati, riducendo la resistenza elettrica. Inoltre, i conduttori in rame pieno assicurano una maggiore potenza con minori perdite rispetto ai fili in rame a trefoli per le applicazioni PoE. Ciò migliora anche la sicurezza riducendo il calore causato dalla resistenza dei cavi.

Nel complesso, riducendo la resistenza elettrica del cavo, riducendo la perdita di impedenza e minimizzando la diafonia, si ottiene un'integrità dei dati significativamente migliorata per Gigabit Ethernet, anche in ambienti difficili.

Per i cavi patch Gigabit Ethernet, Belden offre il cavo assemblato Ethernet a doppino unito C601106010 di 3 metri circa (Figura 2). Si tratta di un cavo assemblato CAT6+ con quattro doppini intrecciati uniti in filo di rame pieno 24 AWG. Le estremità sono terminate con spine RJ45 con una fodera isolante elastomerica modellata sulla guaina esterna in polivinilcloruro (PVC), per un forte scarico della trazione resistente alla separazione. Previene anche l'attorcigliamento o la separazione dei doppini intrecciati alla terminazione RJ45, oltre a fornire protezione contro l'ingresso di acqua e polvere.

Figura 2: Il cavo Ethernet C601106010 di Belden è terminato con due spine RJ45 con fodera isolante elastomerica modellata sulla guaina esterna in polivinilcloruro (PVC) per lo scarico della trazione e per proteggere le terminazioni da polvere e umidità. (Immagine per gentile concessione di Belden)

Il cavo Ethernet blu ha un diametro di 5,715 mm, tipico per un cavo Ethernet. Dato che i doppini uniti e i conduttori pieni non aggiungono ingombro al cavo assemblato, il modello C601106010 è appropriato per qualsiasi applicazione in cui si userebbero i cavi commerciali.

Il cavo assemblato ha una corrente nominale di 1.500 A per contatto. Combinato con la classificazione di velocità gigabit, C601106010 è ideale per applicazioni PoE industriali come la robotica e gli endpoint per l'Internet delle cose industriale (IIoT). La massima resistenza di contatto è di 0,020 Ω, che a 1.500 A genera solo 0,300 W di calore, accettabile per le applicazioni industriali.

Questo cavo assemblato CAT6+ è classificato per le applicazioni 1000Base-T e ha una temperatura di funzionamento da -10 a +60 °C, che lo rende appropriato per le applicazioni di automazione industriale ad alta velocità con forti escursioni termiche.

Per le distanze maggiori, Belden offre il cavo assemblato Ethernet a doppino unito CA21106025 da 7,62 m. È un cavo assemblato CAT6a con le stesse specifiche elettriche di base del modello C601106010, e la medesima terminazione illustrata nella Figura 2. Tuttavia, poiché il cavo CA21106025 è più lungo, è più suscettibile alle interferenze esterne: le velocità gigabit su un cavo di 7,62 m fanno da antenna che può raccogliere le radiazioni elettromagnetiche dall'elettronica circostante. Per assicurare l'integrità del segnale, il modello CA21106025 ha una schermatura esterna in lamina di alluminio. Questo si traduce in un diametro di 6,731 mm che è leggermente più grande dei cavi commerciali, ma ben entro le tolleranze per le tracce e i comuni metodi di stesura dei cavi.

Con questa schermatura, il cavo assemblato CA21106025 di Belden è classificato per velocità 10GBase-T (10 Gbps), che lo rendono adatto ad applicazioni di automazione industriale di fascia molto alta, così come per lo streaming di video ad alta definizione in un'intera struttura.

Conclusione

Gigabit Ethernet sta portando velocità di dati più elevate negli impianti di automazione industriale. Queste velocità comportano un rischio maggiore di interferenze, di diafonia e di attenuazione di riflessione, che possono portare a connessioni dati intermittenti. Ciò è particolarmente vero nelle applicazioni industriali, dove il cavo può essere soggetto a piegature ripetute, causando la perdita di prestazioni elettriche.

Utilizzando cavi Ethernet a doppino intrecciato unito che assicurano una distanza fissa da centro a centro, i progettisti possono tranquillamente utilizzare velocità superiori su distanze maggiori, pur soddisfacendo i requisiti PoE per gli aggiornamenti di rete e le nuove distribuzioni.