הבטיחו חיבוריות בסביבות קשות עם כבלי Ethernet עם זוגות-מודבקים

עם המעבר לאינטרנט-של-דברים תעשייתי (IIoT‏), הדרישה להגברת האמינות והביצועים בסביבות תעשייתיות עשירות בחיישנים ובמפעילים מציבה אתגרים הולכים וגדלים עבור מפתחים המחפשים פתרונות חיבוריות חסונים. סביבות חשמליות רועשות מגבילות שיטות אלחוט, בעוד שסביבות פיזיות קשות מסבכות את השימוש בגישות כבלים קונבנציונליות. המתכננים דורשים פתרון חיבוריות יעיל יותר, המסוגל לשמור על אמינות וביצועים.

אפשרות אחת היא להשתמש בכבלי Ethernet עם זוגות-מודבקים המונעים את ההפרדה של זוגות חוטים מפותלים כדי לשמור על תקינות האותות.

מאמר זה מתאר את האתגרים העומדים בפני המתכננים כאשר הם שוקלים אפשרויות כבלים עבור סביבות קשות. לאחר מכן הוא מראה כיצד הם יכולים להתמודד עם האתגרים הללו באמצעות כבלי Ethernet עם זוגות-מודבקים, תוך שימוש בדוגמאות של Belden כדי להמחיש את המאפיינים והביצועים של הטכנולוגיה ביחס לכבלי Ethernet קלאסיים.

סביבות תעשייתיות מתפתחות מאתגרות את האמינות והביצועים של הרשת

הצורך במגוון גדול יותר של חיישנים ומפעילים ב-IIoT המתפתח הפך את האתגרים העומדים בפני מתכנני רשתות תעשייתיות למורכבים עוד יותר. ביחד עם הצורך המתמשך בחיבוריות אמינה, רשתות תעשייתיות צריכות לספק גם ביצועים בזמן-אמת וגם תפוקה גבוהה יותר, שכן מערכות מבוססות-ראייה מצטרפות לחיישנים בעלי דיוק גבוה כדי לשחק תפקיד קריטי בשלבים השונים של תהליך הייצור. בעוד שטכנולוגיות רשת כגון תקני רשתות רגישות-לזמן (TSN‏) IEEE 802.1‏ עוזרות למתכננים לעמוד בדרישות עבור ביצועי Ethernet דטרמיניסטיים, רשתות Ethernet של 10 גיגה-ביט (Gbit) הופכות לסטנדרט ככל שסביבות תעשייתיות נחשפות לנפחי נתונים, מהירות ומגוון גדולים יותר.

הבטחת אמינות וביצועי הרשת בסביבה התעשייתית נותרה מאתגרת בשל אופי הסביבה החשמלית והפיזית הטיפוסית של מפעלים. בסביבה זו רעש חשמלי והפרעות חשמל הנוצרים על ידי מכונות משתלבים עם מקורות שונים של הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) והפרעות בתדר רדיו (RFI) הפוגעות בתקינות אותות התקשורת. מבחינה פיזית, רצפת המפעל מציגה אתגרים משמעותיים בצורת דלק, שמן, ממיסים וכימיקלים אחרים, כמו גם לחות, טמפרטורות גבוהות ושינויי טמפרטורה מהירים עקב הפעלת מכונות, תהליכים תעשייתיים והתזות ריתוך.

בבניית רשתות התקשורת שלהם, מתכנני רשתות המפעל מסתמכים על כבלי תקשורת שחולקים רק באופן שטחי קווי דמיון עם כבלים המיועדים עבור התקנה בבניינים מסחריים. כמו בבנייני מסחר, כבל בדירוג-רייזר (Riser‏), הנקרא Communications Multipurpose Cable, Riser‏ (CMR‏), משמש עבור כבלים העוברים דרך רייזר או פיר ורטיקאלי במפעלי תעשייה. בדומה, כבל בדירוג פלנום (Plenum‏), הנקרא Communications Multipurpose Cable, Plenum‏ (CMP‏), הוא כבל בדירוג גבוה יותר הדרוש כדי להגביל התפשטות להבה ועשן בכבל אופקי העובר דרך חללים שמתחת לרצפות או לתקרות (חללים הנקראים Plenum בעגה המקצועית).

עם זאת, בניגוד לרוב התקנות של בנייני מסחר, תעלות כבלים בסביבה תעשייתית רגישים במיוחד למאמצים מכניים כתוצאה מרעידות, כיפופים, שחיקה ומעיכה מתמשכים כתוצאה מהפעילות הרגילה של המפעל. מתכנני רשתות תעשייתיות הסתמכו זה מכבר על חומרי בידוד מגוונים של מעטי הכבלים כדי להשיג את האיזון הנדרש בין העלות לבין הביצועים ברשתות שלהם.

מאפייני כבלים תעשייתיים

למרות שקיימים חומרי בידוד כבלים שונים כדי לעמוד בדרישות מיוחדות, פולימר אתילן מופלר (FEP‏) ופוליוויניל כלוריד (PVC) הם שני חומרים הנפוצים בשימוש במעטי כבלים תעשייתיים. בכבלים בדירוג CMP משתמשים לרוב ב-FEP בשל מאפייני עיכוב העשן והבעירה שלו. השימוש ב-FEP במעטי כבלי תקשורת לא רק מפחית את הלהבות אלא גם מגביל את התפשטות עשן כבד עקב שריפות דרך תעלות אוויר. ביחד עם עמידות כימית חזקה, כבלי FEP עומדים בדרך כלל בתחום טמפרטורות סביבה רחב. לדוגמה, כבל Ethernet‏ DataTuff 7931A‏ של ארבעה-זוגות עם מעטה FEP‏ בדירוג CMP‏ של Belden‏ (7931A 0101000‏) הוא במפרט עבור תחום טמפרטורות פעולה של 70°C- עד 150°C‏+.

כבלים בדירוג CMR הם מבודדים בדרך כלל עם PVC, המציע עלות נמוכה יותר תוך מתן עמידות וחסינות מתאימה לכימיקלים, חום ומים. ל-PVC יש טמפרטורות פעולה טיפוסיות מוגבלות יותר, המתאימות לשימוש הטיפוסי שלו ברייזרים. לדוגמה, כבל Ethernet‏ DataTuff 7953A‏ של ארבעה-זוגות עם מעטה PVC‏ בדירוג CMR‏ של Belden‏ (7953A 0101000‏) הוא במפרט עבור תחום טמפרטורות פעולה של 40°C- עד 75°C‏+.

מלבד FEP ו-PVC, חומרים אחרים משמשים לעתים קרובות בנפרד או ביחד כדי לתמוך בדרישות ספציפיות. לדוגמה, עבור כבל Ethernet‏ DataTuff 7962A‏ של שני-זוגות (7962A 1SW1000‏) שלה, חברת Belden‏ משלבת מעטה חיצוני של אלסטומר תרמופלסטי (TPE‏), מעטה פנימי של פוליאתילן (PE‏), ובידוד חוטים של פוליאולפין (PO‏) כדי לספק כבל חזק, מעכב בעירה וחסין שמנים המתאים עבור סביבות מסוכנות.

הבחירה בחומר המעטה היא רק אחת מכמה נקודות החלטה עיקריות בבחירת כבלים עבור רשתות Ethernet תעשייתיות. כפי שהוזכר קודם לכן, כבלי תקשורת תעשייתיים עלולים לעבור מאמצים מכניים משמעותיים הגורמים לרעש אות מוגבר בכבל זוג-מפותל קונבנציונלי. סוג כבלים מוכר זה מסתמך על הפחתה ברגישות לערב-דיבור (Crosstalk‏) והפרעות הקיימים כאשר זוג חוטים מפותל יחדיו. אולם בפועל, המאמצים של ההתקנה והתפעול היומיומי האופייניים בסביבה התעשייתית עלולים לגרום להיפרדות של זוגות החוטים (איור 1).

איור 1‏: כבל זוג-מפותל קונבנציונלי מפחית ערב-דיבור (Crosstalk‏) ורעש בעוד שזוגות החוטים נותרים קרובים ביחד (למעלה), אך החוטים מתפרדים לעיתים (למטה) אחרי כיפופים, פיתולים ומשיכות חוזרים ונשנים. (מקור התמונה: Belden)

ככל שהמרווח בין מוליך-למוליך, או המרכזיות, גדל עקב כיפוף, פיתול או משיכה מתמשכים, אפקט ביטול-הרעשים של הזוג המפותל מופחת משמעותית. עם הזמן, תקינות האותות נפגעת, ומשפיעה על אמינות השידורים ברחבי הרשת. החלופה של Belden לכבל תקשורת זוג-מפותל קונבנציונלי נועדה לשמור על תקינות האותות למרות התנאים הקשים של ההתקנה והשימוש המתמשך.

טכנולוגיית זוגות-מודבקים מציעה חסינות למאמצים

טכנולוגיית זוגות-מודבקים של Belden‏ המוגנת בפטנט יוצרת הדבקה ממשית בין החוטים בכל זוג כדי לשמור על מרכזיות אופטימלית עבור כל הזוגות-המפותלים בכבל תקשורת, תוך הימנעות מהמרווחים העלולים לסכן את תקינות האותות (איור 2).

איור 2: בניגוד לטכנולוגיה קונבנציונלית של זוג-מפותל (משמאל), טכנולוגיית זוג-מודבק של Belden‏ (מימין) מבטיחה שהמרווח בין זוגות החוטים בכבל יישאר קבוע למרות כיפוף, פיתול או משיכה. (מקור התמונה: Belden)

טכנולוגיית זוגות-מודבקים של Belden‏ יוצרת כבלים עם התנגדות מתיחה טיפוסית שהיא %‏40 חזקה יותר לעומת כבל Ethernet‏ קונבנציונלי. במקביל, ניתן לכופף או לפתל בבטחה כבל זוגות-מודבקים של Belden‏ לאורך רדיוס כיפוף צר עד פי ארבעה מהקוטר החיצוני של הכבל. לעומת זאת, רדיוס הכיפוף של כבל Ethernet רגיל מוגבל בדרך כלל לפי עשרה מהקוטר החיצוני.

החוזק הנוסף הניתן על ידי טכנולוגיית זוגות-מודבקים מתורגם ליכולת לשמור על אמינות למרות המאמצים המתמשכים מכיפופים במהלך התקנה או פעולה רגילה. למרות שלתעשייה חסר תקן למדידת יכולת עמידה בכיפוף, Belden‏ יצרה מבחן כיפופים שנועד לדמות תנאי פעולה תעשייתיים נפוצים.

מהנדסי Belden‏ כופפו תחילה כבל באורך 15 רגל (ft‏) עם זוגות-מודבקים בכיפוף צר של 3 אינץ' (in‏), לפני שכופפו אותו שוב בתנועה רב-צירית של 10 רגל לשנייה (ft./s‏) במשך 28,800 מחזורים ביום. צוות ההנדסה של Belden‏ ניטר ברציפות את הכבל הנבדק עבור קצרים, נפילות מתח ובעיות אחרות בשמונה נקודות לאורכו. הם הפסיקו את הבדיקה לאחר 10,075,000 מחזורי כיפוף מבלי שזיהו תקלות פיזיות או חשמליות.

הביצועים החסונים של כבל עם זוגות-מודבקים בא לידי ביטוי כאשר משווים את הביצועים החשמליים שלו לאלו של כבל קונבנציונלי. באמצעות שולי הקישוריות כמדד, הבדיקות הראו שהכבל עם זוגות-מודבקים של Belden שומר על ביצועים לפני ואחרי ההתקנה (איור 3, משמאל). לעומת זאת, כבלים קונבנציונליים עם זוגות-מפותלים העוברים מבחני ביצועים על הסליל עלולים להיכשל בעקבות ההתקנה עקב היפרדות זוגות-מפותלים לאחר שהכבל היה נתון למאמצי משיכה, כיפוף ופיתול רגילים של ההתקנה (איור 3, מימין).

איור 3: בכבל עם זוגות-מודבקים של Belden‏, שולי הקישוריות נשארים גבוהים בזוגות הנתונים הבודדים (כחול/צהוב/ירוק/אדום) לפני ואחרי ההתקנה (משמאל), בעוד שכבלים קונבנציונליים עם זוגות-מפותלים שנבדקו והיו תקינים על הסליל, הראו לאחר ההתקנה הפחתה דרמטית עקב היפרדות זוגות שנגרמה עקב מאמצי ההתקנה. (מקור התמונה: Belden)

בהשוואה לכבל עם זוגות-מודבקים, כבל קונבנציונלי עם זוגות-מפותלים עלול גם להראות שינויים לא-סדירים תלויי-תדר באימפדנס עקב המרווחים שנוצרו בין זוגות החוטים במהלך ההתקנה והטיפול (איור 4).

איור 4: האימפדנס של כבל עם זוגות-מודבקים של Belden‏ (משמאל) נשאר יציב לפני ואחרי ההתקנה, בהשוואה לשינויים באימפדנס שנגרמו כתוצאה מהטיפול בכבל תעשייתי קונבנציונלי (מימין). (מקור התמונה: Belden)

בפעולה רגילה, כבל לא-מסוכך עם זוגות-מודבקים יכול לשמור על הגנת רעש, לעתים קרובות בעלות נמוכה יותר מאשר כבל מסוכך קונבנציונלי. עבור מתכנני רשתות תעשייתיות, הגנת הרעש של כבל עם זוגות-מודבקים מסייעת להקל על אילוצי הניתוב בהשוואה לכבל תעשייתי מסוכך קונבנציונלי. לדוגמה, הנחיות ODVA‏ (לשעבר Open DeviceNet Vendors Association) ממליצות לנתב כבל מסוכך קונבנציונלי לא יותר מ-5 רגל ממקורות אלקטרומגנטיים כדי למנוע הפרעות. לעומת זאת, הגנת הרעש של כבל לא-מסוכך עם זוגות-מודבקים מאפשרת למתכנני הרשת לנתב כבל זה בתוך 6 אינץ' או פחות ממקור רעש מבלי לפגוע בתקינות האותות.

סיכום

סביבות תעשייתיות חשמליות ופיזיות קשות מסבכות את בחירת הכבלים המסוגלים לשמור על תקינות האותות הנדרשת ככל שקצב הנתונים של ה-IIoT עולה. כפי שהוצג, טכנולוגיית זוגות-מודבקים המוגנת-בפטנט של Belden מספקת פתרון יעיל המסוגל לשמור על ביצועי חיבוריות בצורה יעילה יותר מאשר כבלי Ethernet תעשייתיים קונבנציונליים.