Connettività garantita in ambienti difficili con i cavi Ethernet a doppino unito

Con la migrazione all'Internet delle cose industriale (IIoT), la richiesta di affidabilità e prestazioni maggiori in ambienti industriali ricchi di sensori e attuatori pone sfide crescenti agli sviluppatori alla ricerca di soluzioni di connettività robuste. Gli ambienti elettrici rumorosi limitano i metodi wireless, mentre gli ambienti fisici difficili complicano l'uso di approcci di cablaggio convenzionali. I progettisti richiedono una soluzione di connettività più efficace, in grado di mantenere affidabilità e prestazioni.

Un'opzione è l'utilizzo di cavi Ethernet a doppino unito che impedisce il distacco delle coppie di fili intrecciati per mantenere l'integrità del segnale.

Questo articolo descrive le sfide che i progettisti devono affrontare quando considerano le opzioni di cablaggio per gli ambienti difficili. Illustra poi come affrontare queste sfide con i cavi Ethernet a doppino unito, utilizzando esempi di Belden per illustrare le caratteristiche e le prestazioni di questa tecnologia rispetto al cablaggio Ethernet classico.

L'evoluzione degli ambienti industriali mette a dura prova l'affidabilità e le prestazioni della rete

La necessità di una maggiore varietà e di un maggior numero di sensori e di attuatori nell'IIoT in evoluzione ha complicato le sfide che i progettisti di reti industriali devono affrontare. Oltre alla costante necessità di una connettività affidabile, le reti industriali devono fornire prestazioni in tempo reale e un throughput più elevato, poiché i sistemi basati sulla visione si uniscono ai sensori ad alta precisione per svolgere un ruolo critico in diverse fasi del processo produttivo. Mentre le tecnologie di rete come gli standard IEEE 802.1 TSN (Time-Sensitive Networking) aiutano i progettisti a soddisfare i requisiti di prestazioni Ethernet deterministiche, le reti Ethernet a 10 Gbit stanno diventando lo standard, dato che gli ambienti industriali registrano volumi, velocità e varietà di dati maggiori.

Garantire l'affidabilità e le prestazioni della rete nell'ambiente industriale rimane una sfida a causa della natura dell'ambiente elettrico e fisico tipico della fabbrica. In questo ambiente, i disturbi dell'alimentazione e il rumore elettrico generato dalle macchine si combinano con varie fonti di interferenza elettromagnetica (EMI) e di radiofrequenza (RFI), andando potenzialmente a compromettere l'integrità del segnale di comunicazione. Dal punto di vista fisico, la fabbrica presenta sfide significative con la presenza di carburante, olio, solventi e altre sostanze chimiche, oltre a umidità, alte temperature e rapide variazioni di temperatura dovute a macchinari in funzione, processi industriali e proiezioni di saldatura.

Per la realizzazione delle reti di comunicazione, i progettisti di reti industriali si affidano a cavi di comunicazione che solo superficialmente presentano analogie con i cavi destinati all'installazione negli edifici commerciali. Come negli edifici commerciali, nelle canaline attraverso le colonne montanti o i pozzi verticali negli impianti industriali viene utilizzato un cavo per colonne montanti (CMR). Un cavo di grado plenum (CMP) è invece un cavo di classe superiore necessario per limitare la propagazione delle fiamme e del fumo nelle canaline orizzontali attraverso spazi al di sotto di pavimenti o nei soffitti.

A differenza della maggior parte degli impianti negli edifici commerciali, tuttavia, le canaline in ambiente industriale sono particolarmente soggette a sollecitazioni meccaniche dovute a vibrazioni continue, flessioni, abrasioni e schiacciamenti dovuti alle normali operazioni di fabbrica. I progettisti di reti industriali si affidano da tempo a diversi materiali per le guaine di isolamento dei cavi per raggiungere il necessario equilibrio tra costi e prestazioni nelle loro reti.

Caratteristiche dei cavi industriali

Anche se i materiali di isolamento dei cavi variano per soddisfare esigenze specifiche, l'etilpropilene fluorurato (FEP) e il polivinilcloruro (PVC) sono due materiali comunemente utilizzati nelle guaine dei cavi industriali. Nei cavi classificati CMP, il FEP viene spesso utilizzato per le sue caratteristiche di ritardante di fiamma e fumo. L'uso del FEP nelle guaine dei cavi di comunicazione non solo riduce le fiamme, ma limita anche la diffusione dei fumi pesanti generati dagli incendi attraverso i condotti dell'aria. Oltre a una forte resistenza chimica, i cavi FEP tollerano in genere un ampio intervallo di temperature ambiente. Ad esempio, il cavo Ethernet DataTuff 7931A a quattro coppie con guaina in FEP classificato CMP di Belden (7931A 0101000) è specificato per un intervallo di temperatura di funzionamento da -70 a +150 °C.

I cavi classificati CMR hanno in genere isolamento in PVC, che offre un costo inferiore e al contempo livelli adeguati di durata e resistenza agli agenti chimici, al calore e all'acqua. Il PVC presenta in genere una temperatura di funzionamento più limitata, in linea con il suo utilizzo tipico nelle colonne montanti. Ad esempio, il cavo Ethernet DataTuff 7953A a quattro coppie con guaina in PVC classificato CMR di Belden (7953A 0101000) è specificato per un intervallo di temperatura di funzionamento da -40 a +75 °C.

Oltre al FEP e al PVC, vengono spesso utilizzati altri materiali, separatamente o insieme, per soddisfare requisiti specifici. Ad esempio, per il cavo Ethernet DataTuff 7962A a due coppie (7962A 1SW1000), Belden combina una guaina esterna in elastomero termoplastico (TPE), una guaina interna in polietilene (PE) e un isolamento dei fili in poliolefina (PO) per ottenere un cavo robusto, ritardante di fiamma e resistente all'olio, adatto agli ambienti pericolosi.

La scelta del materiale della guaina è solo uno dei punti chiave nella selezione dei cavi per le reti Ethernet industriali. Come accennato in precedenza, i cavi per le comunicazioni industriali possono essere sottoposti a notevoli sollecitazioni meccaniche che provocano un aumento del rumore del segnale nei cavi a doppino intrecciato convenzionali. Questo tipo familiare di cavo offre la riduzione della diafonia e della suscettibilità alle interferenze che si verifica quando una coppia di fili viene intrecciata. Nella pratica, tuttavia, le sollecitazioni dell'impianto e del funzionamento quotidiano tipico dell'ambiente industriale possono causare il distacco dei fili accoppiati (Figura 1).

Figura 1: Il cavo a doppino intrecciato convenzionale riduce la diafonia e il rumore finché i fili accoppiati rimangono vicini (in alto), ma tipicamente si verifica il distacco dei fili (in basso) dopo ripetute piegature, flessioni e trazioni. (Immagine per gentile concessione di Belden)

Quando la distanza tra i conduttori, o la centricità, aumenta a causa della continua piegatura, flessione o trazione, l'effetto di cancellazione del rumore del doppino intrecciato si riduce notevolmente. Con il tempo, l'integrità del segnale viene compromessa, compromettendo di conseguenza l'affidabilità delle trasmissioni sulla rete. L'alternativa di Belden al cavo di comunicazione a doppino intrecciato convenzionale è progettata per mantenere l'integrità del segnale nonostante i rigori dell'installazione e l'uso continuo.

La tecnologia a doppino unito offre immunità alle sollecitazioni

La tecnologia a doppino unito brevettata da Belden crea un legame effettivo tra i fili di ciascuna coppia per mantenere una centricità ottimale per tutti i doppini intrecciati di un cavo di comunicazione, evitando la formazione di spazi che possono compromettere l'integrità del segnale (Figura 2).

Figura 2: A differenza della tecnologia a doppino intrecciato convenzionale (a sinistra), la tecnologia a doppino unito di Belden (a destra) assicura che la distanza tra i fili accoppiati in un cavo rimanga fissa nonostante la piegatura, la flessione o la trazione. (Immagine per gentile concessione di Belden)

La tecnologia a doppino unito di Belden consente di ottenere cavi con una resistenza alla trazione tipicamente del 40% superiore a quella dei cavi Ethernet convenzionali. Allo stesso tempo, un cavo a doppino unito di Belden può essere piegato o flesso in modo sicuro con un raggio di curvatura pari a quattro volte il diametro esterno del cavo. Al contrario, il raggio di curvatura di un normale cavo Ethernet è in genere limitato a dieci volte il diametro esterno.

La maggiore resistenza conferita dalla tecnologia a doppino unito si traduce nella capacità di mantenere l'affidabilità nonostante le continue sollecitazioni dovute alla flessione durante l'installazione o il normale utilizzo. Sebbene nel settore manchi uno standard per misurare la capacità di resistenza alla flessione, Belden ha creato un test di flessione progettato per simulare le comuni condizioni operative industriali.

Gli ingegneri di Belden hanno sottoposto un cavo a doppino unito di 4,5 m di lunghezza prima a una curva stretta di 7, cm, poi a un movimento multiassiale di 3 metri al secondo per 28.800 cicli al giorno. Il team di ingegneri di Belden ha monitorato costantemente il cavo in esame per verificare la presenza di cortocircuiti, cadute di tensione e altri problemi in otto punti lungo la sua lunghezza. Hanno interrotto il test dopo 10.075.000 cicli di flessione senza aver rilevato alcun guasto fisico o elettrico.

La robustezza delle prestazioni del cavo a doppino unito risulta evidente quando si confrontano le sue prestazioni elettriche con quelle dei cavi convenzionali. Utilizzando il margine di collegamento come parametro, i test hanno dimostrato che il cavo a doppino unito di Belden mantiene le prestazioni prima e dopo l'installazione (Figura 3, a sinistra). Al contrario, i cavi a doppino intrecciato convenzionali che superano i test di prestazione sulla bobina possono fallire dopo l'installazione a causa del distacco della coppia dopo che il cavo è stato sottoposto alle normali sollecitazioni di trazione, piegatura e flessione dell'installazione (Figura 3, a destra).

Figura 3: In un cavo a doppino unito di Belden, il margine di collegamento rimane elevato nelle singole coppie di dati (blu/giallo/verde/rosso) prima e dopo l'installazione (a sinistra), mentre i cavi a doppino intrecciato convenzionali che superano i test sulla bobina mostrano poi una drastica riduzione dopo l'installazione a causa del distacco delle coppie causato dalle sollecitazioni dell'installazione. (Immagine per gentile concessione di Belden)

Rispetto a un cavo a doppino unito, un cavo a doppino intrecciato convenzionale può presentare fluttuazioni di impedenza irregolari in funzione della frequenza, a causa degli spazi che si vengono a creare tra le coppie di fili durante l'installazione e la manipolazione (Figura 4).

Figura 4: L'impedenza del cavo a doppino unito di Belden (a sinistra) rimane stabile prima e dopo l'installazione, rispetto alle variazioni di impedenza indotte dalla manipolazione dei cavi industriali convenzionali (a destra). (Immagine per gentile concessione di Belden)

In condizioni normali di funzionamento, i cavi a doppino unito non schermati possono mantenere la protezione dal rumore, spesso a un costo inferiore rispetto ai cavi schermati convenzionali. Per i progettisti di reti industriali, la protezione dal rumore del cavo a doppino unito contribuisce a ridurre i vincoli di instradamento rispetto ai cavi industriali schermati convenzionali. Ad esempio, le linee guida di ODVA (ex Open DeviceNet Vendors Association) raccomandano di posare i cavi schermati convenzionali a non più di 1,5 metri dalle sorgenti elettromagnetiche per evitare interferenze. Al contrario, la protezione dal rumore del cavo a doppino unito non schermato consente ai progettisti di rete di instradare questo cavo entro 15 cm o meno da una sorgente senza compromettere l'integrità del segnale.

Conclusione

Gli ambienti industriali fisici ed elettrici difficili complicano la scelta di cavi in grado di mantenere l'integrità del segnale richiesta con l'aumento della velocità dei dati IIoT. Come dimostrato, la tecnologia a doppino unito brevettata da Belden fornisce una soluzione efficace in grado di mantenere le prestazioni di connettività in modo più efficace rispetto ai cavi Ethernet industriali convenzionali.