Sicurezza, prestazioni e affidabilità nelle reti industriali fisiche

Uno dei vantaggi di Ethernet è la sua standardizzazione effettiva che ha semplificato le connessioni. La cattiva selezione dei componenti può essere pericolosa e creare un rischio per la sicurezza, le prestazioni e/o l'affidabilità negli ambienti industriali. Sono necessari piani precisi per i cavi Ethernet che tengano conto delle condizioni ambientali dinamiche, proprio come si fa per altri tipi di fili elettrici, cavi e connettori diretti a pannelli di controllo, macchine e apparecchiature. Questa discussione si occuperà di fattori ambientali comuni e pervasivi come il rumore EMI (interferenze elettromagnetiche) e tratterà delle strategie e soluzioni di prodotti per ridurre o addirittura eliminare il rumore in quanto minaccia alle prestazioni dei dispositivi Ethernet.

Le migliori best practice di gestione delle EMI all'interno del pannello di controllo

L'armadio di un pannello di controllo di una macchina fornisce una barriera alle EMI che protegge i circuiti interni da sorgenti di rumore esterne. I cavi Industrial Ethernet di Panduit sono realizzati con un doppino intrecciato a trefoli di grado industriale di Categoria 5e e 6A per installazioni UTP e STP. Ogni cavo è classificato UL, NEMA e IP per sopportare un lavaggio leggero e la temporanea immersione senza perdita di prestazioni per garantire l'affidabilità. Le EMI vengono però generate anche dalla circuiteria interna. I dispositivi all'interno degli armadi possono essere più a rischio a causa della loro sensibilità e della vicinanza a queste sorgenti interne che generano le EMI. I controlli dei processi industriali avvengono all'interno degli armadi, per cui serve una protezione aggiuntiva anche se i dispositivi dispongono già di una protezione dalle EMI esterne (Figura 1).

Figura 1: Rischio di rumore EMI all'interno di un armadio per i sistemi di automazione industriale. (Immagine per gentile concessione di Panduit)

A causa della stretta vicinanza di dispositivi sensibili a sorgenti rumorose, le fonti principali di EMI all'interno di un armadio sono l'accoppiamento capacitivo e quello induttivo. Capire entrambe le sorgenti aiuta a vedere come le best practices e la specifica di prodotti per l'attenuazione del rumore migliorano l'affidabilità delle apparecchiature.

Entrambe le modalità di accoppiamento sono involontarie e nascono quando la corrente che scorre attraverso un conduttore induce una tensione su un conduttore parallelo che si trova all'interno del suo campo magnetico. L'accoppiamento capacitivo desta più preoccupazioni nei circuiti ad alta frequenza, mentre quello induttivo preoccupa di più nei circuiti ad alta corrente. L'entità del rumore generato può essere misurata con un oscilloscopio a cui è collegato il conduttore sospetto (Figura 2). Per mantenere l'operatività delle infrastrutture critiche di comunicazione e di controllo, è consigliato un approccio a più livelli per mitigare l'influenza delle EMI. Questi livelli di protezione includono metodi di messa a terra e di bonding, la segregazione e la separazione dei conduttori, l'uso di barriere, la schermatura dei cavi e l'uso di filtri. Le canaline di cablaggio schermate e le schermature antirumore PanelMax™ di Panduit indirizzano, separano e schermano il cablaggio sensibile dall'emissione di rumori. Questi dispositivi consentono di posizionare i percorsi più vicino fra loro, risparmiando spazio prezioso all'interno dei pannelli di controllo industriali. La schermatura assicura una riduzione del rumore (EMI/RFI) fino a 20 dB, o una riduzione della tensione di rumore (NVR) del 90%, che equivale a una spaziatura in aria di 15,24 cm tra il cablaggio sensibile e quello che emette rumore.

Figura 2: Tipi di EMI, sorgenti e pratiche di riduzione. (Immagine per gentile concessione di Panduit)

Il tipo di schermatura utilizzata nel cavo selezionato è correlato alle sorgenti di rumore e al tipo di rumore previsto nell'ambiente.

In un ambiente industriale è importante scegliere l'infrastruttura adeguata per le comunicazioni di rete. Spesso ci si pone la domanda su quando e come sia opportuno utilizzare un cablaggio schermato. Il cablaggio schermato viene spesso usato in ambienti industriali per contenere le interferenze indesiderate che riescono a entrare nel cablaggio di rete Ethernet. Il cavo non schermato offre un certo grado di protezione contro le interferenze dovute alla struttura a doppino intrecciato bilanciato, ma non quanto quello del cavo schermato. Questo "bilanciamento elettrico" permette al cavo di ridurre al minimo gli effetti delle EMI; migliore è il bilanciamento, maggiore è la protezione. Nelle aree industriali soggette a numerose interferenze, l'uso di cavi schermati fornisce un ulteriore livello di protezione.

Che cos'è il rumore elettrico?

Il cavo schermato è utilizzato principalmente in ambienti con sorgenti di rumore elettrico vicino ai cavi di comunicazione. La decisione di utilizzare cavi schermati o non schermati dipenderà principalmente dall'ambiente di installazione. Lo standard ANSI/TIA-1005-A specifica il sistema di classificazione MICE (Meccanico/Ingresso/Climatico-Chemico/Elettromagnetico). La Guida M.I.C.E. di Panduit è uno strumento efficace che fornisce linee guida utili per quantificare l'entità di stress ambientali come il rumore elettrico secondo la classificazione.

I motivi per cui utilizzare un cavo schermato:

• Obbligatorio in base alle specifiche dell'azienda o ai requisiti locali - Le aziende produttrici e gli integratori di sistemi all'interno di alcune verticali hanno lavorato molto in ambienti difficili per l'installazione di cavi di rete. Questo patrimonio di conoscenza settoriale di ambienti "elettricamente rumorosi" noti è raccolto nella documentazione all'interno delle specifiche e degli standard aziendali. Accade comunemente che queste aziende includano requisiti e linee guida su progetti e documentazione tecnica (best practice) per quando utilizzare cavi schermati per determinate applicazioni.

  Per una corretta progettazione dell'infrastruttura di cablaggio occorre evitare il più possibile le aree elettricamente rumorose e adottare metodi di best practice, ad esempio con l'incrocio di linee in c.a. a 90 gradi e la corretta messa a terra delle schermature del cavo schermato.

• L'infrastruttura si trova vicino allo stabilimento e la trasmissione dei dati riveste un'importanza cruciale - Spesso ci sono linee di trasmissione dati nelle vicinanze che sono esposte a un certo livello di stress ambientale. I cavi di grado Enterprise non sono in genere così robusti come quelli per applicazioni industriali. Per applicazioni esposte a diversi tipi di sostanze chimiche, penetrazione di liquidi, rumore elettrico e flessione, è preferibile utilizzare cavi industriali. Se il cavo appropriato viene specificato in fase di progettazione, la longevità e le prestazioni dell'intero sistema miglioreranno.
• Controllo del movimento e applicazioni di automazione ad alta velocità - A causa dell'ambiente intrinsecamente rumoroso dei sistemi di controllo del movimento e di automazione ad alta velocità, molti fornitori di questi sistemi richiedono o raccomandano cavi schermati. Per questi sistemi il tempo è tutto e ogni pacchetto di informazioni che ricevono ha un'importanza fondamentale. Anche se la differenza è di solo qualche millisecondo, una macchina ad alta velocità può andare offline o causare danni alle apparecchiature. In casi estremi di rumore elettrico dovuto al movimento, è consigliato l'uso di fibre ottiche di controllo.
• Livello MICE (Meccanico/Ingresso/Climatico-Chemico/Elettromagnetico) E₂ o E₃

Figura 3: I livelli MICE E₂ o E₃ riflettono i gravi livelli di interferenza del rumore. Il sistema di classificazione MICE è uno strumento efficace dello standard TIA-1005 che fornisce utili linee guida per quantificare stress ambientali come il rumore elettrico secondo la classificazione. Per ulteriori informazioni su MICE fare riferimento allo standard o al materiale di guida su MICE di Panduit disponibile nel sito Web MICE di Panduit. (Immagine per gentile concessione di Panduit)

Il rumore elettrico sotto forma di EMI e interferenze in radiofrequenza (RFI) è comune negli ambienti industriali. Queste forme di rumore elettrico possono disturbare la trasmissione nel cablaggio della rete Ethernet. Le fonti di interferenze elettromagnetiche includono, tra gli altri, motori elettrici, inverter, contattori/relè, saldatura, illuminazione con lampade fluorescenti e comunicazioni radio. Questi dispositivi sono utilizzati in ambienti industriali e spesso influenzano il cablaggio di rete attraverso l'accoppiamento induttivo, magnetico o capacitivo. Il rumore elettrico può essere trasmesso anche attraverso i punti di messa a terra comuni dei nodi. Per sviluppare un'infrastruttura fisica ben progettata non è tuttavia necessaria una conoscenza approfondita di questi principi. La separazione fisica con spazio in aria e/o barriere di isolamento è efficace, ma in alcuni punti il cablaggio di rete Ethernet rimane esposto comunque al rischio di rumore. Determinare la fonte del rumore in un sistema di controllo può essere difficile e richiede molte apparecchiature di test e molto tempo. Pertanto, seguendo le best practice nella progettazione dell'infrastruttura fisica si risparmiano tempo e risorse preziose e si assicurano anche prestazioni migliori. I sistemi di messa a terra e di bonding sono parte integrante dell'infrastruttura di comunicazione Ethernet, ma non sono una scienza assoluta. Ogni applicazione ha situazioni di rumore ambientale e di messa a terra specifiche per la cui comprensione sono richieste best practice ed esperienza. Una messa a terra e un bonding errati possono causare disturbi che ostacolano la trasmissione dei pacchetti Ethernet.

Per ulteriori informazioni sulle applicazioni schermate, consultare la guida all'applicazione in ambiente industriale di Panduit oppure scaricare il white paper Mitigazione del rumore nei pannelli di controllo (entrambi in inglese). Per ulteriori informazioni sulle linee guida MICE, consultare la landing page MICE di Panduit.