Jak wybrać odpowiedni kabel do transmisji danych do zastosowań przemysłowych?

Wszystkie kable i przewody, które w jakikolwiek sposób przyczyniają się do komunikacji, powszechnie określane są jako kable do transmisji danych. Istnieją jednak znaczące różnice w budowie, zarówno dla kabli miedzianych, jak i światłowodowych w zależności od tego, jakie funkcje mają spełniać. Kable transmisyjne mogą znajdować zastosowanie dla pracy przy niskich częstotliwościach, występować jako kable koncentryczne, telefoniczne bądź typu bus. Znajdziemy je również w systemach Ethernet lub jako kable mikrofalowe do specjalnych zastosowań, które wymagają transmisji w zakresie gigaherców. Wybór niewłaściwego kabla może szybko doprowadzić do kosztownych przestojów bądź uszkodzeń elementów procesu technologicznego.

Ogólnie rzecz biorąc: kable do transmisji danych są kablami o niskiej przepustowości. Oznacza to, że podczas przesyłania danych w kablu gromadzi się jak najmniejsza ilość energii elektrycznej, a ta przekłada się na niską jakość sygnału.

Przepustowość przewodu jest częściowo zależna od materiału izolacyjnego kabla. W nowoczesnych kablach bus i Ethernet wykorzystuje się głównie materiały, takie jak PE (polietylen) lub PP (polipropylen), które zapewniają szczególnie dobrą izolację określaną poprzez pomiar stałej dielektrycznej (εr). Im niższa jest ta wartość, tym lepiej materiał izoluje i tym niższa jest przepustowość kabla. Z tego powodu można stosować cieńszą izolację przy zachowaniu tej samej wytrzymałości dielektrycznej.

Porównanie materiałów izolacyjnych kabli

* W zależności od zastosowanych środków zmniejszających palność

Idealną transmisję danych można osiągnąć dzięki odpowiedniej konstrukcji kabla. Żyła w postaci litego drutu, która jest idealnie okrągła na przekroju i ma jednolitą średnicę, zapewnia najlepszą wydajność elektryczną. W przypadku przemysłowych kabli Ethernet i bus preferowana jest konstrukcja zgodna z AWG, ponieważ ta elastyczna konstrukcja zapewnia żyłę o okrągłym przekroju. Kable metryczne nie nadają się do tego zastosowania, ponieważ mają budowę wiązkową i nie są okrągłe na przekroju. Skutkuje to zmienną przepustowością, co znacznie utrudnia transmisję danych o wysokiej częstotliwości.

Najczęstsze błędy przy wyborze przemysłowych kabli Ethernet i bus

1. Kable do niskich częstotliwości wykorzystane dla zastosowań o wysokiej częstotliwości

Wybór kabli niskich częstotliwości do połączeń Ethernet o wysokiej częstotliwości jest częstą przyczyną nieprawidłowej transmisji danych. Kable te mają również niską przepustowość i wykazują inną impedancję charakterystyczną, niż ta wymagana przez normę dla kabla Ethernet. Powoduje to niedopasowanie sygnałów lub nieciągłość. W kablach transmisyjnych o niskiej częstotliwości wszystkie pary są ułożone równolegle. Oznacza to, że wszystkie cztery są takiej samej długości. 

Kable Ethernet używane do zastosowań o wysokiej częstotliwości muszą również być optymalnie oddzielone. Osiąga się to poprzez zastosowanie czterech różnych długości skrętu, które są indywidualnie mierzone. Należy również wziąć pod uwagę położenie skręconych par w całej konstrukcji.

2. Klasyczne połączenie splecione zamiast star quad (czwórka gwiazdowa)

Wiele standardów komunikacji przemysłowej, takich jak PROFInet, EtherCAT lub SERCOS III, wykorzystuje do transmisji danych kable z dwiema splecionymi parami, które są skręcone w tak zwaną czwórkę gwiazdową. W tym przypadku wszystkie cztery żyły są splecione w idealnie okrągły kształt. Zaletą takiego rozwiązania jest brak różnic w czasie przesyłu. Różni się to od klasycznego połączenia splecionego, w którym poszczególne skręcone pary muszą mieć dwie różne długości splecionych żył ze względu na wymagane oddzielenie. Użycie niewłaściwej skrętki może prowadzić do problemów z czasem transmisji i czasem przesyłu.

2 pary

• 4 x średnica rdzenia
• 3 x splot
• Pary zgodnie z ilustracją  
• Prosty
• Różne czasy przesyłu sygnału

Czwórka gwiazdowa

•  2,4 x średnica rdzenia  
• 1 x splot
•  Rdzenie po przekątnej tworzą parę elektryczną: biały/niebieski i pomarańczowy/żółty
•  Identyczne czasy przesyłu sygnału

W czwórkach gwiazdowych żyły, które znajdują się naprzeciwko siebie po przekątnej, tworzą parę elektryczną. Jeśli ta zasada zostanie zignorowana podczas podłączania kabla, impedancja charakterystyczna i przesłuch zbliżny (NEXT) kabla ulegną zmianie, co może również obniżyć jakość transmisji. Nawet ekranowane, czterożyłowe kable do czujników nie nadają się do użytku jako przemysłowe kable Ethernet lub kable bus o wysokiej częstotliwości, mimo że ich konstrukcja na pierwszy rzut oka wydaje się porównywalna.

Różnica polega na tym, że wytrzymałość izolacji żyły nie jest przeznaczona dla kabli Ethernet, a splot konstrukcji nie jest idealnie okrągły. Skutkuje to nieodpowiednim funkcjonowaniem kabla ze względu na nieodpowiednią impedancję charakterystyczną, NEXT i tłumienie kabla.

3. Zbyt długi kabel lub zbyt mała średnica

Innym klasycznym przykładem są zbyt długie odcinki oprzewodowania. Zgodnie z normą dotyczącą kabla Ethernet wzmacniacz musi być używany po maksymalnie 100 m długości. Odbiera on słaby sygnał i przesyła go ponownie z pełną mocą. W praktyce można znaleźć odcinki o długości przekraczającej 100 m, jednak nie są one zgodne z obowiązującymi normami. W takich przypadkach rosnące temperatury, starzenie się materiału i inne czynniki mogą szybko doprowadzić do usterek lub awarii. 

Cieńsze kable o średnicy AWG 26 są ograniczone do 60-70 m. Ważne jest, aby pamiętać, że każde złącze wtykowe jest połączeniem, które powoduje straty poprzez tłumienie i odbicie, co zmniejsza zasięg.

4. Nieprawidłowa wtyczka

Często zdarza się, że niestandardowe i nieprzetestowane wtyczki są używane w zastosowaniach Ethernet, takie jak wtyczki D-Sub lub M12, które są oznaczone kodowaniem A z 8-pinową konstrukcją. Wtyczki te przesyłają dane, jednak jakość jest znacznie obniżona ze względu na niższy przesłuch zbliżny (NEXT). Powodem tego jest umiejscowienie środkowego pinu, co nie jest zgodne z normami i utrudnia transmisję.

Czoło złącza M12 z kodowaniem X

Czoło złącza D-Sub

Czoło złącza M12 z kodowaniem

Zgodnie z normami Ethernet dopuszczalnymi złączami dla odpowiedniego okablowania danych są ekranowane wtyczki/gniazda:

• RJ45 4-pin (100 Mbit 4-pin), 
• RJ45 8-pin (Gbit 8-pin),
• M8 & M12 (100 Mbit) z kodowaniem D,
• M8 4-pin (100 Mbit) z kodowaniem A,
• M12 (100 Mbit) z kodowaniem P,
• M12 (Gbit) z kodowaniem X,
• Ix przemysłowy (Gbit),
• Mini-IO,
• SPE (Ethernet jednoparowy).

Ponadto istnieją różne normy, takie jak PROFInet, EtherCAT lub SPE (ethernet jednoparowy), według których możliwe jest przesyłanie danych i zasilanie w jednej hybrydowej wtyczce. Są one zgodne z normami IEC, zostały ocenione przez odpowiednie organizacje lub podlegają normalizacji.

Znormalizowane hybrydowe wtyczki Ethernet:

• M8 SPE zgodnie z normą IEC 63171-6,
• M12 SPE zgodnie z normą IEC 63171-7,
• M12 z kodowaniem Y zgodnie z normą IEC 61076-2-113,
• M23 zgodnie z normą IEC 61076-2-117,
• RJ45 hybrydowa zgodnie z normą IEC 61076-3-106,
• Ix przemysłowa zgodnie z normą IEC 61076-3-124.

Niektórzy producenci wtyczek mają w swoim portfolio własne rozwiązania hybrydowe, które nie są znormalizowane, ale zostały przetestowane i ocenione pod kątem zgodności z Ethernet. Jako podstawową zasadę sugeruje się, aby zawsze stosować znormalizowane i ocenione złącza wtykowe Ethernet.

O czym należy pamiętać?

Wybierając kable do transmisji danych znajdujących zastosowanie w instalacjach przemysłowych, użytkownik powinien przestrzegać odpowiednich norm, aby zapobiec awariom i usterkom. Osoby eksploatujące bądź instalujące takie systemy muszą również zwrócić uwagę na długość poszczególnych odcinków, liczbę wtyczek oraz różne średnice kabli instalacyjnych i połączeniowych. Ponadto starzenie się poszczególnych komponentów może w dłuższej perspektywie prowadzić do obniżenia jakości transmisji i przerw w komunikacji urządzeń. Dzięki 45-letniemu doświadczeniu firma HELUKABEL jest ekspertem w dziedzinie technologii transmisji danych i chętnie wspiera użytkowników w doborze odpowiednich kabli Ethernet oraz bus do ich zastosowań przemysłowych.

Helukabel Polska Sp. z o.o.
Krze Duże 2, 96-325 Radziejowice
tel.: 46 858 01 00
e-mail: biuro@helukabel.pl
www.helukabel.pl

Artykuł sponsorowany