Como garantir a integridade do sinal Gigabit Ethernet em implementações de automação industrial de longa distância

O cabeamento Ethernet de par trançado é considerado uma tecnologia madura e confiável que tem sido estabelecida com taxas de dados 10Base-T e 100Base-T por muitos anos. Entretanto, como o tráfego Ethernet de alta velocidade atinge 1 gigabit por segundo (Gbit/s) e superior, os projetistas têm que lidar com a realidade de que os sinais são menos tolerantes às inconsistências dos cabos e se tornam mais suscetíveis à interferência, diafonia, perda de impedância, perda de retorno devido aos sinais refletidos e atenuação.

Os problemas são exacerbados à medida que o comprimento dos cabos aumenta, como em instalações de automação industrial. Estes têm a complicação adicional de trançar e dobrar os cabos Ethernet durante o layout, bem como em aplicações como robótica e outras máquinas. Esta flexão repetida pode separar os pares trançados, comprometendo o desempenho elétrico do cabo. A atenuação do sinal resultante pode introduzir perdas intermitentes de dados que se agravam com o tempo. Estes tipos de erros são notoriamente difíceis de identificar e de solucionar problemas, causando longos e caros tempos de parada do sistema.

Este artigo discute os desafios do envio de dados digitais Ethernet de alta velocidade sobre condutores de par trançado. Ele explica como os cabos Ethernet de par colado podem ser usados para fornecer um desempenho consistente para dados Ethernet de alta velocidade em longas distâncias, incluindo perda reduzida de sinal e resistência a abuso físico. Em seguida, apresentará dois exemplos de cabos Ethernet de par colado da Belden e mostrará como eles podem ser usados para garantir a integridade do sinal Ethernet em ambientes industriais.

Envio confiável de dados gigabit Ethernet

Os cabos Ethernet padrões enviam dados sobre condutores de cobre de par trançado. No passado, cabos menos caros podiam usar apenas dois pares trançados, mas os modernos cabos Ethernet convencionais têm quatro pares trançados para transferência de dados de alta velocidade e fornecimento de Alimentação via Ethernet (PoE). Todos os cabos Ethernet sofrem alguma degradação do sinal devido à construção do cabo, comprimento do cabo, interferência e taxa de dados. Se os dados de alta velocidade são enviados acima de 10 metros (m) ou mais de cabo, é a construção do cabo que é responsável por evitar a degradação excessiva do sinal.

A maioria dos cabos Ethernet comerciais e industriais de baixa velocidade utilizam pares trançados de condutores de cobre flexíveis. O condutor cobre é muito flexível e fácil de trabalhar, resultando em um cabo que pode ser dobrado nos cantos e que permanece no lugar quando colado com fita adesiva em pisos e pontos de montagem. Entretanto, os fios de cobre flexíveis têm maior resistência ao fluxo de corrente do que os fios de cobre rígidos, especialmente em longas distâncias. Isto torna os fios de cobre rígidos mais apropriados para dados de alta velocidade, que normalmente usam tensões de sinalização mais baixas, tornando os dados de alta velocidade mais suscetíveis à atenuação do sinal e à perda de dados devido à resistência do fio. Para PoE, o cobre rígido também pode transportar mais corrente e gerar menos calor em comparação com o cobre flexível, tornando-o uma opção mais apropriada.

O inconveniente do cobre rígido é que ele não flexiona bem e resiste mais à flexão do que o cobre flexível, e por isso pode exigir algum esforço adicional ao colocar o cabo.

Os cabos Ethernet de par trançado apresentam uma impedância característica para os receptores e transmissores nos plugues RJ45. Normalmente, esta impedância é de 100 ohms (Ω) e precisa ser consistente ao longo do comprimento do cabo. A impedância é afetada pela distância de centro a centro entre os dois condutores do par trançado. O impacto com um objeto pesado ou os estresses associados ao esticar ou apertar um cabo podem separar os pares trançados, mudando a distância de centro a centro em algumas seções. Isto resulta em uma mudança de impedância do cabo que degrada o sinal. Isto pode não ser notado a taxas de 10 megabits por segundo (Mbits/s) (10Base-T) ou 100 Mbits/s (100Base-T) de velocidades, mas pode causar perda de dados a velocidades de gigabit (1000Base-T).

O diafonia é outra causa de degradação do sinal. O funcionamento a dois fios de alta velocidade em paralelo resultará em que cada condutor induzirá uma corrente no outro fio, o que é o pior caso para a diafonia. Para minimizar o risco de perda de sinal e de diafonia, os fios funcionam em pares trançados autoblindados. Entretanto, como na perda de impedância, se os dois fios do par trançado forem empurrados ou movidos para fora do lugar por forças externas no cabo, isso aumenta a diafonia entre os pares, reduzindo a confiabilidade do sinal.

A combinação de perda de impedância e diafonia, combinada com a resistência elétrica do cabo ao longo da distância, causa perda de retorno devido ao reflexo do sinal de volta à sua fonte. Enquanto a perda de retorno é esperada e compensada pelo cancelamento do eco nas terminações, a perda de retorno em excesso pode ser um problema sério resultando em perda intermitente de dados. Este problema pode ser notoriamente difícil de diagnosticar e pode resultar em tempo de parada excessivo. O problema pode ser exacerbado em ambientes industriais de alta vibração, onde a posição do cabo Ethernet está se deslocando e causando mudanças nas características elétricas, resultando em problemas de sinal de dados que desaparecem misteriosamente quando a vibração ou o movimento cessa.

Cabos Ethernet de par colado

Como discutido, a perda de impedância, diafonia e a perda de retorno são todas fortemente influenciadas pela distância inconsistente de centro a centro entre o par trançado ao longo do comprimento do cabo. Para os projetistas que fazem o roteamento das conexões Ethernet de alta velocidade em ambientes severos, a Belden resolveu o problema com seus cabos Ethernet 10GX CAT6 e CAT5E de par colado modular para Ethernet gigabit.

Os cabos de par colado mantêm uma centricidade fixa entre os condutores de par trançado, unindo-os fisicamente, evitando até mesmo a separação temporária (Figura 1). Isto reduz muito o risco da perda de impedância e de diafonia.

Figura 1: O par trançado não colado à esquerda perdeu a centricidade condutor-condutor devido a uma folga causada por torcer ou dobrar o par. O par trançado colado à direita mantém sua centricidade, apesar das forças externas. (Fonte da imagem: Belden)

Os cabos Ethernet de par colado da Belden também utilizam condutores de cobre rígido para os pares trançados, reduzindo a resistência elétrica. Além disso, os condutores de cobre rígido permitem mais potência com menos perdas em comparação com fios de cobre flexível para aplicações PoE. Isto também melhora a segurança ao reduzir o calor causado pela resistência dos cabos.

Em conjunto, reduzindo a resistência elétrica do cabo, reduzindo a perda de impedância e minimizando a diafonia, resulta em uma melhoria significativa da integridade dos dados para Ethernet gigabit, mesmo em ambientes severos.

Para cabos patch de Ethernet gigabit, a Belden fornece os cabos de conexão Ethernet de par colado C601106010 de 3 metros (Figura 2). É um cabo de conexão CAT6+ com quatro pares trançados colados de fios de cobre rígido AWG 24. As extremidades são terminadas com plugues RJ45 com uma luva moldada de elastômero à jaqueta externa de policloreto de vinila (PVC), formando um forte alívio de tensão que resiste à separação. Também evita a torção ou separação dos pares trançados na terminação RJ45, além de proporcionar proteção contra água e poeira.

Figura 2: O cabo Ethernet Belden C601106010 é terminado em dois plugues RJ45 com um alívio de tensão da luva moldada de elastômero sobre a jaqueta de PVC para proteger as terminações do cabo contra poeira e umidade. (Fonte da imagem: Belden)

O cabo Ethernet azul tem 5,715 milímetros (mm) de diâmetro, típico para um cabo Ethernet. Como os pares colados e condutores rígidos não acrescentam nenhum volume adicional à montagem do cabo, o C601106010 é apropriado para qualquer aplicação onde os cabos comerciais seriam roteados.

O cabo de conexão tem uma corrente nominal de 1,5 ampères (A) por contato. Combinado com o dimensionamento de velocidade gigabit, o C601106010 é apropriado para aplicações industriais PoE, tais como robótica e pontos de extremidade da Internet Industrial das Coisas (IIoT). A resistência máxima de contato é de 0,020 Ω, que a 1,5 A gera apenas 0,300 watts de calor, uma quantidade aceitável para aplicações industriais.

Este cabo de conexão CAT6+ é dimensionado para aplicações de 1000Base-T e tem uma temperatura de operação de -10 °C a +60 °C, tornando-o apropriado para aplicações de automação industrial de alta velocidade com amplos extremos de temperatura.

Para distâncias maiores, a Belden faz o cabo de conexão Ethernet CA21106025 de 7,6 metros de par colado. É um cabo de conexão CAT6a com as mesmas especificações elétricas básicas do Belden C601106010, e a mesma terminação vista na Figura 2. Entretanto, como o cabo CA21106025 é mais longo, ele é mais suscetível a interferências externas: velocidades gigabit sobre um cabo de 7,6 metros atuam como uma antena que pode captar a radiação eletromagnética dos aparelhos eletrônicos ao redor. Para garantir a integridade do sinal, o CA21106025 possui uma blindagem externa com folha de alumínio. Isto resulta em um diâmetro de 6,731 mm que é ligeiramente maior do que os cabos comerciais, mas bem dentro das tolerâncias para guias de cabos e métodos de roteamento comuns.

Com esta blindagem, o cabo de conexão da Belden CA21106025 é dimensionado para taxas de 10GBase-T (10 Gbits/s), tornando-o adequado para aplicações de automação industrial de altíssima qualidade, bem como para transmissão de vídeo de alta definição através de uma instalação.

Conclusão

A Gigabit Ethernet está trazendo maiores taxas de dados para instalações de automação industrial. Com estas taxas de dados vem o aumento do risco de interferência, diafonia e perda de retorno que pode resultar em conexões de dados intermitentes. Isto é particularmente verdadeiro em aplicações industriais onde o cabo pode estar sujeito a dobras repetidas, causando a perda de desempenho elétrico do cabo.

Usando cabos Ethernet de par trançado colado que garantem uma centricidade fixa de centro a centro, os projetistas podem usar confortavelmente velocidades mais altas em distâncias maiores, ao mesmo tempo em que atendem às exigências PoE para modernizações de rede e novas implantações.