Garanta a conectividade em ambientes severos com cabos Ethernet de par colado

Com a migração para a Internet Industrial das Coisas (IIoT), a demanda por maior confiabilidade e desempenho em ambientes industriais ricos em sensores e atuadores apresenta desafios crescentes para os desenvolvedores que buscam soluções de conectividade robustas. Ambientes elétricos ruidosos limitam os métodos sem fio, enquanto ambientes físicos adversos complicam o uso de abordagens de cabeamento convencionais. Os projetistas precisam de uma solução de conectividade mais eficaz, capaz de manter a confiabilidade e o desempenho.

Uma opção é usar o cabeamento Ethernet de par colado que impede a separação dos pares de fios trançados para manter a integridade do sinal.

Este artigo descreve os desafios que os projetistas enfrentam ao considerar as opções de cabeamento para ambientes severos. Em seguida, mostra como eles podem enfrentar esses desafios com cabos Ethernet de par colado, usando exemplos da Belden para ilustrar as características e o desempenho da tecnologia em relação ao cabeamento Ethernet clássico.

Ambientes industriais em evolução desafiam a confiabilidade e o desempenho da rede

A necessidade de uma maior variedade e número de sensores e atuadores na IIoT em evolução aumentou os desafios enfrentados pelos projetistas de redes industriais. Juntamente com a necessidade contínua de conectividade confiável, as redes industriais precisam oferecer desempenho em tempo real e maior taxa de transferência, pois os sistemas baseados em visão se unem a sensores de alta precisão para desempenhar uma função essencial em várias fases do processo de fabricação. Embora as tecnologias de rede, como os padrões de rede sensíveis ao tempo (TSN) IEEE 802.1, ajudem os projetistas a atender aos requisitos de desempenho determinístico da Ethernet, as redes Ethernet de 10 gigabits (Gbit) estão se tornando o padrão à medida que os ambientes industriais apresentam maior volume, velocidade e variedade de dados.

Garantir a confiabilidade e o desempenho da rede no ambiente industrial continua sendo um desafio devido à natureza do ambiente elétrico e físico de uma fábrica típica. Nesse ambiente, o ruído elétrico gerado por máquinas e os distúrbios de energia se combinam com várias fontes de interferência eletromagnética (EMI) e interferência de radiofrequência (RFI) para comprometer a integridade do sinal de comunicação. Fisicamente, o chão de fábrica apresenta desafios significativos na forma de combustível, óleo, solventes e outros produtos químicos, bem como umidade, altas temperaturas e mudanças rápidas de temperatura decorrentes da operação de máquinas, processos industriais e respingos de solda.

Ao construir suas redes de comunicação, os projetistas de redes de fábrica contam com cabos de comunicação que compartilham apenas superficialmente semelhanças com os cabos destinados à instalação em edifícios comerciais. Assim como em prédios comerciais, um cabo com dimensionamento riser, conhecido como CMR (Cabo de Comunicações Multiuso, em tradução literal), Riser (CMR), serve para passagens de cabos por tubos ou eixos verticais em plantas industriais. Da mesma forma, um cabo com dimensionamento plenum, conhecido como Cabo de Comunicações Multiuso, Plenum (CMP), é um cabo com dimensionamento mais alto, necessário para restringir a propagação de chamas e fumaça em cabos horizontais que passam por espaços abaixo de pisos ou tetos.

No entanto, diferentemente da maioria das instalações em prédios comerciais, as passagens de cabos no ambiente industrial são particularmente suscetíveis à tensão mecânica causada pela vibração contínua, flexão, abrasão e esmagamento das operações normais da fábrica. Os projetistas de redes industriais há muito tempo dependem de diversos materiais de isolação da jaqueta do cabo para alcançar o equilíbrio necessário entre custo e desempenho em suas redes.

Características dos cabos industriais

Embora os materiais isolantes dos cabos variem para atender a requisitos especializados, o polímero de etileno fluorado (FEP) e o cloreto de polivinila (PVC) são dois materiais comumente usados em jaquetas de cabos industriais. Em cabos com dimensionamento CMP, o FEP é frequentemente usado devido às suas características de retardador de chamas e fumaça. O uso do FEP em jaquetas de cabos de comunicação não apenas reduz as chamas, mas também limita a propagação de fumaça pesada de incêndios pelos dutos de ar. Além da forte resistência química, os cabos de FEP normalmente toleram uma ampla faixa de temperatura ambiente. Por exemplo, o cabo Ethernet DataTuff 7931A(7931A 0101000) da Belden com dimensionamento CMP e jaqueta FEP com quatro pares é especificado para uma faixa de temperatura operacional de -70 a +150°C.

Os cabos com dimensionamento CMR são normalmente isolados com PVC, que oferece um custo menor e, ao mesmo tempo, durabilidade e resistência adequadas a produtos químicos, calor e água. O PVC normalmente apresenta uma temperatura operacional mais restrita, de acordo com seu uso típico em tubos verticais. Por exemplo, o cabo Ethernet DataTuff 7953A(7953A 0101000) da Belden com dimensionamento CMR e jaqueta PVC com quatro pares é especificado para uma faixa de temperatura operacional de -40 a 75°C.

Além do FEP e do PVC, outros materiais são frequentemente usados separadamente ou em conjunto para atender a requisitos específicos. Por exemplo, para seu cabo Ethernet DataTuff 7962A de dois pares(7962A 1SW1000), a Belden combina uma jaqueta externa de elastômero termoplástico (TPE), uma jaqueta interna de polietileno (PE) e uma isolação de fio em poliolefina (PO) para fornecer um cabo robusto, retardador de chamas e resistente a óleo, adequado para ambientes perigosos.

A escolha do material da jaqueta é apenas um dos vários pontos-chave de decisão na seleção de cabos para redes de Ethernet industriais. Conforme mencionado anteriormente, os cabos de comunicação industrial podem sofrer tensão mecânica significativa, o que resulta em aumento do ruído de sinal no cabo de par trançado convencional. Esse tipo de cabo conhecido se baseia na redução da diafonia e da suscetibilidade à interferência, encontradas quando um par de fios está trançado. Na prática, porém, as tensões mecânicas da instalação e a operação diária típica no ambiente industrial podem causar a separação entre os fios emparelhados (Figura 1).

Figura 1: O cabo de par trançado convencional reduz a diafonia e o ruído, enquanto os fios emparelhados permanecem juntos (parte superior), mas os fios normalmente se separam (parte inferior) após repetidas dobras, flexões e puxões. (Fonte da imagem: Belden)

À medida que o espaçamento entre os condutores, ou a centralização, aumenta devido à dobra, flexão ou puxões contínuos, o efeito de cancelamento de ruído do par trançado é significativamente reduzido. Com o tempo, a integridade do sinal fica comprometida, afetando a confiabilidade das transmissões na rede. A alternativa da Belden ao cabo de comunicações de par trançado convencional foi projetada para manter a integridade do sinal, apesar dos rigores da instalação e do uso contínuo.

A tecnologia de par colado oferece imunidade a tensões mecânicas

A tecnologia patenteada de par colado da Belden cria uma adesão real entre os fios em cada par para manter uma centralização ideal para todos os pares trançados em um cabo de comunicação, evitando as folgas que podem comprometer a integridade do sinal (Figura 2).

Figura 2: Diferentemente da tecnologia de par trançado convencional (à esquerda), a tecnologia de par colado da Belden (à direita) garante que o espaçamento entre os fios emparelhados em um cabo permaneça fixo, apesar da flexão, dobra ou puxões. (Fonte da imagem: Belden)

A tecnologia de par colado da Belden resulta em cabos com uma resistência à tensão de tração que é tipicamente 40% mais forte do que o cabo Ethernet convencional. Ao mesmo tempo, um cabo de par colado da Belden pode ser dobrado ou flexionado com segurança ao longo de um raio de curvatura tão apertado quanto quatro vezes o diâmetro externo do cabo. Por outro lado, o raio de curvatura de um cabo Ethernet comum é normalmente limitado a dez vezes o diâmetro externo.

A força adicional conferida pela tecnologia de par colado se traduz em uma capacidade de manter a confiabilidade, apesar do estresse contínuo da flexão durante a instalação ou a operação normal. Embora o setor não tenha um padrão para medir a capacidade de resistir à flexão, a Belden criou um teste de flexão projetado para simular condições operacionais industriais comuns.

Os engenheiros da Belden submeteram primeiro um cabo de 4,5 metros (m) de comprimento de par colado a uma curva apertada de 7,6 centímetros (cm), antes de submetê-lo a um movimento multiaxial de 3 m por segundo (m/s) durante 28.800 ciclos por dia. A equipe de engenharia da Belden monitorou continuamente o cabo em teste em busca de curtos-circuitos, quedas de tensão e outros problemas em oito pontos ao longo de seu comprimento. Eles interromperam o teste após 10.075.000 ciclos de flexão sem ter detectado nenhuma falha física ou elétrica.

O desempenho robusto do cabo de par colado fica evidente ao comparar seu desempenho elétrico com o do cabo convencional. Usando a margem de link como métrica, os testes mostraram que o cabo de par colado da Belden mantém o desempenho antes e depois da instalação (Figura 3, à esquerda). Por outro lado, os cabos de par trançado convencionais que passam nos testes de desempenho no carretel podem falhar após a instalação, devido à separação dos pares depois que o cabo é submetido às tensões normais de puxões, flexão e dobras da instalação (Figura 3, à direita).

Figura 3: Em um cabo de par colado da Belden, a margem de link permanece alta nos pares de dados individuais (azul/amarelo/verde/vermelho) antes e depois da instalação (esquerda), enquanto os cabos de par trançado convencionais que apresentam bons testes no carretel mostram uma redução drástica após a instalação, devido à separação dos pares causada pelo estresse da instalação. (Fonte da imagem: Belden)

Em comparação com um cabo de par colado, um cabo de par trançado convencional também pode apresentar flutuações erráticas de impedância dependentes da frequência, devido às folgas criadas entre os pares de fios durante a instalação e o manuseio (Figura 4).

Figura 4: A impedância do cabo de par colado da Belden (esquerda) permanece estável antes e depois da instalação, em comparação com as alterações de impedância induzidas pelo manuseio do cabo industrial convencional (direita). (Fonte da imagem: Belden)

Em operação normal, o cabo de par colado não blindado pode manter a proteção contra ruídos, geralmente a um custo menor do que o cabo blindado convencional. Para os projetistas de redes industriais, a proteção contra ruídos do cabo de par colado ajuda a aliviar as restrições de roteamento em comparação com o cabo industrial blindado convencional. Por exemplo, as diretrizes da ODVA (antiga Open DeviceNet Vendors Association) recomendam o roteamento de cabos blindados convencionais a não mais de 1,5 m de fontes eletromagnéticas para evitar interferência. Por outro lado, a proteção contra ruídos do cabo de par colado não blindado permite que os projetistas de rede direcionem esse cabo a uma distância de 15 cm ou menos de uma fonte sem comprometer a integridade do sinal.

Conclusão

Ambientes industriais físicos e elétricos adversos complicam a seleção de cabos capazes de manter a integridade de sinal necessária, à medida que as taxas de dados de IIoT aumentam. Conforme demonstrado, a tecnologia patenteada de par colado da Belden oferece uma solução eficaz capaz de manter o desempenho da conectividade de forma mais eficiente do que os cabos Ethernet industriais convencionais.