כיצד להבטיח שלמות אות Gigabit Ethernet בפריסות אוטומציה תעשייתית למרחק-גדול

כבלי זוג-שזור Ethernet‏ נחשבים לטכנולוגיה‏ בשלה ואמינה שסומכים עליה לאורך שנים רבות עם קצבי נתונים 10Base-T ו-100Base-T. אולם, כשתעבורת Ethernet‏ מהירות-גבוהה מגיעה ל-1‎ Gigabit‏ לשנייה (Gbit/s‏) ויותר, מתכננים חייבים להתמודד עם המציאות שהאותות פחות סלחניים לחוסר אחידות של כבל והופכים לרגישים יותר להפרעות, ערב-דיבור (Crosstalk‏), הפסדי עכבה, הפסדי החזרה בשל אותות מוחזרים והנחתה.

הבעיות מחריפות עם התארכות הכבלים, כמו במתקנים של אוטומציה תעשייתית. במבנים אלה יש את הסיבוך הנוסף של פיתול וכיפוף של כבלי Ethernet בזמן הנחתם, כמו גם ביישומים כגון רובוטיקה ומכונות אחרות. כיפוף חוזר זה יכול להפריד בין זוגות החוטים השזורים, תוך פגיעה בביצועים החשמליים של הכבל. הנחתת האות המתקבלת יכולה לגרום לאיבוד נתונים לסירוגין המחמיר עם הזמן. סוגי שגיאות אלה ידועים היטב כקשים לזיהוי, איתור וטיפול, וגורמים להשבתת מערכת ארוכה ויקרה.

מאמר זה דן באתגרים של שליחת נתוני Ethernet דיגיטליים מהירות-גבוהה דרך מוליכי זוג שזור. הוא מסביר כיצד ניתן להשתמש בכבלי bonded-pair Ethernet‏ כדי לספק ביצועים עקביים עבור נתוני Ethernet מהירות-גבוהה לאורך מרחקים ארוכים, כולל איבוד נתונים מופחת וחסינות מפני פגיעה פיזית. אחר כך יציג שתי דוגמאות של כבלי bonded-pair Ethernet מבית Belden ויראה כיצד ניתן להשתמש בהם כדי להבטיח שלמות אות Ethernet‏ בסביבות תעשייתיות.

שליחת נתוני gigabit Ethernet באמינות

כבלי Ethernet סטנדרטיים ‏מעבירים נתונים דרך זוגות-שזורים של מוליכי נחושת. בעבר, כבלים פחות יקרים יכלו להשתמש בשני זוגות שזורים בלבד, אבל כבלי Ethernet‏ מודרניים קונבנציונליים הם בעלי ארבעה זוגות שזורים עבור העברת נתונים מהירות-גבוהה ואספקת כוח דרך Ethernet‏ (PoE). כל כבלי ה-Ethernet סובלים מדגרדציה מסוימת של האות בשל מבנה הכבל, אורך הכבל, הפרעות וקצב נתונים. אם נתוני מהירות-גבוהה נשלחים דרך כבל באורך של 10 מטר או יותר, מבנה הכבל אחראי למניעת דגרדציית-יתר של האות.

מרבית כבלי ה-Ethernet התעשייתיים והמסחריים משתמשים בזוגות שזורים של מוליכי נחושת רב-גידיים. נחושת רב-גידית היא גמישה מאוד וקל לעבוד איתה, והתוצאה היא כבל שניתן לכיפוף סביב פינות ונשאר במקום כשמקובע לרצפות או לנקודות הרכבה בעזרת סרט דביק. אולם, חוטי נחושת רב-גידיים הם בעלי התנגדות גדולה יותר לזרימת זרם מחוטי נחושת חד-גידיים, במיוחד לאורך מרחקים ארוכים. זה עושה את חוטי הנחושת החד-גידיים למתאימים יותר עבור נתוני מהירות-גבוהה, שמשתמשים בדרך כלל במתחי אות נמוכים יותר, דבר הגורם לנתוני מהירות-גבוהה להיות רגישים יותר לניחות אות ואובדן נתונים בשל התנגדות חוט. עבור PoE‎, נחושת מוצקה יכולה גם לשאת יותר זרם ומייצרת פחות חום בהשוואה לנחושת רב-גידית, תכונות העושות אותה לאופציה מתאימה יותר.

החיסרון של נחושת מוצקה הוא שהיא לא ניתנת לכיפוף בקלות ומתנגדת לכיפוף יותר מנחושת רב-גידית, ולכן עלולים להידרש למאמץ מסוים נוסף בעת הנחת הכבל.

כבלי Ethernet‏ זוגות-שזורים מציגים עכבה אופיינית למקלטים ומשדרים בתקעים ‏RJ45. אופיינית, עכבה זו היא 100 אוהם (Ω‏) וחייבת להיות אחידה לכל אורך הכבל. עכבה מושפעת על ידי המרחק מרכז-למרכז בין שני המוליכים בזוג השזור. מכה עם חפץ כבד או המאמצים הקשורים במתיחת או דחיסת כבל יכולים להפריד את הזוגות השזורים, ובכך לשנות את המרחק מרכז-למרכז בקטעים מסוימים. כתוצאה מכך משתנה עכבת‏ הכבל וזה גורם לדגרדציה של האות. זה יכול להיות בלתי מובחן בקצבי מהירות של ‎10 Mbits/s‏ (10Base-T) או ‎100 Mbits/s‏ (100Base-T) אך יכול לגרום לאיבוד נתונים במהירויות gigabit‏ (1000Base-T‏).

ערב-דיבור (Crosstalk‏) הוא גורם נוסף לדגרדציה של אות. הרצת שני חוטים מהירות-גבוהה במקביל תגרום לכל מוליך ‏ליצור השראה חשמלית וכתוצאה מכך זרם בחוט השני, שהוא המצב הגרוע ביותר של ערב-דיבור (Crosstalk‏). כדי להקטין למינימום את הסכנה של ערב-דיבור (Crosstalk‏) ואיבודי אותות, חוטים רצים כזוגות שזורים מסוככים בנפרד. אולם, כמו עם הפסדי עכבה, אם שני החוטים נדחפים או מוזזים ממקומם על ידי כוחות חיצוניים המופעלים על הכבל, הדבר יגרום להגברת ערב-הדיבור (Crosstalk‏) בין הזוגות ויקטין אמינות אות.

השילוב של הפסדי עכבה וערב-דיבור (Crosstalk‏), יחד עם ההתנגדות החשמלית של הכבל לאורך מרחק, גורמים להפסדי החזרה בגלל החזרת האות בכיוון המקור שלו. בעוד איבוד החזר הוא צפוי ומפוצה תוך שימוש בביטול הד בסיומות, איבוד החזר חריג יכול להוות בעיה רצינית שתגרום לאיבוד נתונים לסרוגין. בעיה זו יכולה להיות קשה מאוד לאבחון ויכולה לגרום לזמן השבתה ממושך. הבעיה יכולה להחמיר בסביבות תעשייתיות עם רעידות חזקות בהן מיקום כבל ה-Ethernet משתנה וגורם לשינוי במאפיינים החשמליים, וכתוצאה מכך לבעיות באותות נתונים, שנעלמות באופן מסתורי כשהרעידות או התזוזות מפסיקות.

כבלי Bonded-pair Ethernet

כפי שדנו, הפסדי עכבה, ערב-דיבור (Crosstalk‏) והפסדי החזרה, כולם מושפעים במידה רבה על ידי מרחק מרכז-למרכז לא-אחיד בין זוג המוליכים השזור לאורך הכבל. עבור מתכננים המנתבים חיבורי Ethernet‏ מהירות-גבוהה בסביבות קשות, Belden טיפלה בבעיה באמצעות כבלי ה-bonded-pair Ethernet המודולריים שלה 10GX CAT6 ו-‏CAT5E‏ עבור Gigabit Ethernet.

כבלי Bonded-pair שומרים על מרחק קבוע בין מרכזי המוליכים בזוג שזור על ידי חיבור פיזי ביניהם, דבר המונע אפילו הפרדה זמנית‏ (איור 1‏). זה מקטין במידה ניכרת את הסיכון של הפסדי עכבה וערב-דיבור (Crosstalk‏).

איור 1‏: הזוג השזור ה-nonbonded בצד שמאל איבד את המרחק הקבוע בין מרכזי המוליכים בשל מרווח הנגרם על ידי פיתול או כיפוף הזוג. הזוג השזור ה-bonded בצד ימין שומר על המרחק הקבוע בין מרכזי המוליכים, למרות הכוחות החיצוניים. (מקור תמונה: Belden)

כבלי Belden bonded-pair Ethernet גם משתמשים במוליכי נחושת חד-גידיים עבור הזוגות השזורים, ובכך מקטינים התנגדות חשמלית. נוסף לכך, מוליכי נחושת חד-גידיים מאפשרים יותר הספק עם הפסדים נמוכים יותר בהשוואה לחוטי נחושת רב-גידיים עבור יישומי PoE. זה גם משפר בטיחות על ידי הפחתת חום הנגרם על ידי התנגדות כבל.

בסיכום כולל, הקטנת ההתנגדות החשמלית של הכבל, הקטנת הפסדי עכבה והשגת ערב-דיבור (Crosstalk‏) מינימלי, מביאות לתוצאה של שלמות נתונים (data integrity) משופרת משמעותית עבור Gigabit Ethernet, אפילו בסביבות קשות.

עבור כבלי גישור Gigabit Ethernet, ‏Belden מספקת את מכלל הכבל bonded-pair Ethernet C601106010 באורך 10 רגל (.ft) (איור 2‏). זהו מכלל כבל +CAT6‏ עם ארבעה זוגות שזורים מחוברים (bonded) של חוטי נחושת חד-גידיים ‎24 AWG. בקצוות מורכבות סיומות תקע RJ45‏ עם‏ מעטה (Boot) אלסטומר היצוק על שרוול הפוליוויניל כלוריד (PVC) החיצוני, תוך יצירת מעצור מתיחה (strain relief‏) חזק המתנגד להפרדה. מעצור המתיחה גם מונע פיתול או הפרדה של הזוגות השזורים בסיומת ה-RJ45‏, כמו גם מספק הגנה מפני מים ואבק.

איור 2‏: כבל ה-Belden C601106010 Ethernet‏ מחובר לשתי סיומות תקע RJ45‏ עם מעטה (Boot) מעצור מתיחה ‏(strain relief‏) אלסטומר יצוק מעל שרוול ה-PVC‏ כדי להגן‏ על סיומות הכבל מפני אבק ולחות. (מקור תמונה: Belden)

כבל ה-Ethernet‏ הכחול הוא בקוטר של 5.715 מילימטר (מ"מ), אופייני לכבל Ethernet‏. מאחר והזוגות המחוברים (bonded) והמוליכים החד-גידיים אינם מוסיפים כל נפח נוסף למכלל הכבל, ה-C601106010 מתאים לכל יישום בו משתמשים בדרך כלל בכבלים מסחריים.

מכלל הכבל הוא בעל‏ דרוג זרם של 1.500 אמפר (A‏) למגע. בשילוב עם דרוג המהירות Gigabit‏, ה-C601106010 מתאים עבור יישומי PoE תעשייתיים ‎כגון רובוטיקה ונקודות-קצה של אינטרנט-של-דברים תעשייתי (IIoT‏). התנגדות המגע המקסימלית היא 0.020‎ Ω‏, שמייצרת בזרם של ‎1.500 A רק ‏0.300 וואט של חום, כמות‏ מקובלת עבור יישומים תעשייתיים.

מכלל כבל +CAT6 זה ‏מדורג עבור יישומי 1000Base-T‏ והוא בעל טמפרטורות עבודה של‏ ‎10°C- עד ‎60°C+, תכונה ההופכת אותו למתאים עבור יישומי אוטומציה תעשייתית מהירות-גבוהה עם טמפרטורות קיצוניות רחבות.

עבור מרחקים ארוכים יותר, Belden מיצרת את מכלל הכבל .bonded-pair Ethernet CA21106025 25 ft. זהו מכלל כבל Cat6a עם אותם מפרטים חשמליים בסיסיים כמו ה-Belden C601106010, ואותן סיומות הנראות באיור 2‏. אולם, מאחר וכבל ה-CA21106025 הוא ארוך יותר, הוא רגיש יותר להפרעות חיצוניות: מהירויות Gigabit‏ דרך כבל של 25‎ ft פועלות כאנטנה היכולה לקלוט קרינה אלקטרומגנטית מאלקטרוניקה סמוכה. כדי להבטיח אמינות אות (Signal Integrity), ל-CA21106025 יש סיכוך חיצוני עשוי רדיד‏ אלומיניום. כתוצאה מכך הקוטר שלו הוא 6.731 מ"מ, שהוא במעט גדול יותר משל כבלים מסחריים, אך היטב בתוך הטולרנס של מנתבי כבלים ושיטות ניתוב מקובלות.

עם סיכוך זה, מכלל הכבל Belden CA21106025 מדורג עבור קצבי 10GBase-T‏ (Gbits/s‏ 10‏), דרוג העושה אותו מתאים עבור יישומי אוטומציה תעשייתית ברמה הגבוהה ביותר, כמו גם עבור סטרימינג של וידאו הפרדה-גבוהה (HD) ברחבי המתקן.

מסקנה

Gigabit Ethernet מביא קצבי נתונים גבוהים יותר למתקני אוטומציה תעשייתית. עם קצבי נתונים אלה בא הסיכון המוגדל להפרעות, ערב-דיבור (Crosstalk‏) והפסדי החזרה שיכולים לגרום להעברת נתונים לסרוגין. זה נכון במיוחד ביישומים תעשייתיים היכן שהכבל עלול להיות נתון לכיפוף חוזר, שיגרום לפגיעה בביצועים החשמליים של הכבל.

על ידי שימוש בכבלי Ethernet זוגות-שזורים מחוברים (bonded) המבטיחים מרחק ‏מרכז-למרכז קבוע, מתכננים יכולים להשתמש בנוחיות במהירויות גבוהות יותר למרחקים ארוכים יותר, תוך עמידה בדרישות PoE‎ עבור שדרוגי רשת ופריסות חדשות.