Zapewnienie integralności sygnału w sieciach Gigabit Ethernet w rozległych sieciach automatyki przemysłowej

Okablowanie Ethernet w postaci skrętek dwużyłowych jest uważane za dojrzałą i niezawodną technologię, która od wielu lat cieszy się zaufaniem w zakresie szybkości transmisji danych 10Base-T i 100Base-T. Ponieważ jednak szybki ruch w sieci Ethernet osiąga prędkości rzędu 1Gbit/s i więcej, projektanci muszą radzić sobie z rzeczywistością, w której sygnały są bardziej podatne na degradację z uwagi na jakość kabla oraz na zakłócenia, przesłuchy, straty impedancyjne i odbiciowe.

Problemy nasilają się wraz ze wzrostem długości kabli, np. w obiektach automatyki przemysłowej. Dodatkowo dochodzi jeszcze problem ze skręcaniem i zginaniem się kabli Ethernet podczas ich układania, a także przy zastosowaniu ich w robotach przemysłowych i innych maszynach. Takie powtarzające się zginanie może powodować rozdzielanie się skrętek dwużyłowych i w rezultacie pogorszenie parametrów elektrycznych kabla. Wynikające z tego tłumienie sygnału może powodować sporadyczne straty danych, które z czasem będą coraz większe. Tego typu błędy są niezwykle trudne do zidentyfikowania i usunięcia, co przekłada się na długie i kosztowne przestoje systemów.

W niniejszym artykule omówiono wyzwania związane z przesyłaniem danych cyfrowych w sieci Ethernet o dużej szybkości przez skrętki dwużyłowe. Wyjaśniono tu sposób wykorzystania kabli Ethernet z parami spojonymi do zapewnienia powtarzalnych parametrów działania w szybkim przesyle danych Ethernet na duże odległości przy jednoczesnym ograniczeniu strat sygnału i zwiększeniu odporności mechanicznej. Następnie przedstawiono dwa przykłady kabli Ethernet z parami spojonymi firmy Belden i sposób ich wykorzystania do zapewnienia integralności sygnału Ethernet w środowiskach przemysłowych.

Niezawodne przesyłanie danych w sieciach Gigabit Ethernet

W standardowych kablach Ethernet dane przesyłane są miedzianymi skrętkami dwużyłowymi. W przeszłości, w tańszych kablach wykorzystywane były tylko dwie skrętki dwużyłowe, ale nowoczesne konwencjonalne kable Ethernet mają cztery skrętki do szybkiego przesyłania danych i dostarczania zasilania (PoE). We wszystkich kablach Ethernet mamy do czynienia z pewnym stopniem obniżenia jakości sygnału ze względu na konstrukcję kabla, jego długość, zakłócenia i szybkość transmisji danych. Jeśli dane są przesyłane z dużą prędkością kablem o długości co najmniej 10m, to za zapobieganie nadmiernej degradacji sygnału odpowiada konstrukcja kabla.

Większość komercyjnych i wolnoprzesyłowych przemysłowych kabli Ethernet wykorzystuje skrętki dwużyłowe z żyłami plecionymi. Splot miedziany jest bardzo elastyczny i łatwy w użyciu, dzięki czemu kabel można zginać na zakrętach i pozostaje on na miejscu po przyklejeniu taśmą do podłogi i punktów mocowania. Jednak miedziane przewody plecione stawiają większy opór przepływającemu prądowi niż lite druty miedziane, zwłaszcza przy dużych odległościach. To sprawia, że lite przewody miedziane są bardziej odpowiednie do szybkiego transferu danych, który zazwyczaj wykorzystuje niższe napięcia sygnału, na skutek czego przy szybkim transferze danych występuje większa podatność sygnału na tłumienie oraz danych na utratę z powodu rezystancji przewodu. W przypadku technologii PoE lity przewód miedziany może również przenosić większe prądy i wytwarza mniej ciepła w porównaniu ze splotem miedzianym, co czyni go bardziej adekwatną opcją.

Wadą litej miedzi jest to, że jest mniej elastyczna i bardziej oporna na zginanie niż splot, a zatem może wymagać zwiększonego wysiłku podczas układania kabla.

Kable Ethernet ze skrętkami dwużyłowymi posiadają impedancję charakterystyczną dla odbiorników i nadajników na wtyczkach RJ45. Zazwyczaj impedancja ta wynosi 100Ω i musi być jednakowa na całej długości kabla. Na impedancję ma wpływ odległość między środkami żył w skrętce dwużyłowej. Uderzenie ciężkim przedmiotem lub naprężenia związane z rozciąganiem lub ściskaniem kabla mogą rozdzielić skrętki dwużyłowe, zmieniając odległość między ich środkami na niektórych odcinkach. Powoduje to zmianę impedancji kabla i degradację sygnału. Może to nie być zauważalne przy szybkości 10Mbit/s (10Base-T) czy 100Mbit/s (100Base-T), ale przy szybkościach gigabitowych (1000Base-T) może spowodować utratę danych.

Kolejną przyczyną degradacji sygnału są przesłuchy. Równoległe prowadzenie dwóch przewodów o dużej prędkości transmisji spowoduje, że jeden będzie indukował prąd w drugim. Taka sytuacja najczęściej prowadzi do przesłuchów. Aby zminimalizować ryzyko przesłuchów i strat sygnału, przewody są prowadzone w postaci samoekranujących skrętek dwużyłowych. Jednak, podobnie jak w przypadku strat impedancyjnych, jeśli dwa przewody w skrętce dwużyłowej zostaną przesunięte lub przemieszczone przez siły zewnętrzne działające na kabel, następuje wzrost przesłuchów między parami, zmniejszając wiarygodność sygnału.

Kombinacja strat impedancyjnych i przesłuchów, w połączeniu z rezystancją elektryczną kabla na większej długości, powoduje straty odbiciowe spowodowane odbiciem sygnału z powrotem do jego źródła. Mimo że pewne straty odbiciowe są nieuniknione i kompensowane pomocą eliminacji echa na zakończeniach kabla, nadmierne straty odbiciowe mogą być poważnym problemem powodującym brak ciągłości przesyłu danych. Ten problem może być niezwykle trudny do zdiagnozowania i może powodować nadmierne przestoje. Problem może się nasilać w środowiskach przemysłowych o wysokim poziomie wibracji, w których położenie kabla Ethernet zmienia się i powoduje zmianę charakterystyk elektrycznych, co z kolei powoduje problemy z sygnałem danych, które w tajemniczy sposób znikają, gdy ustają wibracje lub ruch.