Промышленный Ethernet на скорости 10 Гбит/с

Различные промышленные устройства обмениваются информацией преимущственно со скоростью 100 Мбит/с. Однако, такая пропускная способность канала связи недостаточна для телекамер систем контроля качества, серверов системы документирования и сканеров для идентификации деталей. Кроме того, все чаще на предприятиях возникает задача обеспечения связи с общезаводской системой управления. Стандартным в таких приложениях считаются каналы с пропускной способность 1 Гбит/с, однако в самом ближайшем времени может потребоваться скорость в 10 Гбит/с.

Классические полевые шины и кабельные системы общего назначения не отвечают современным требованиям к быстродействию. Более того, все чаще возникает потребность в обеспечении связи между нижним цеховым и общезаводским уровнями системы автоматизации. При этом сеть должна сохранять работоспособность в жестких условиях, характерных для техники полевых шин. А ее тдельные компоненты должны быть устойчивы к воздействию механических нагрузок и при наличии электромагнитных полей с высокой напряженностью. Таким образом, используемая элементная база должна быть изначально рассчитана на эксплуатацию в промышленных условиях.

ЛИНЕЙНЫЕ КАБЕЛИ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИМЕНЕНИЙ

Согласно IEEE 802.3 разница в уровнях информационных сигналов Ethernet на скоростях 1 Гбит/с и 10 Гбит/с минимальна. В результате даже небольшая помеха может оказать на них сильное отрицательное воздействие (см. Рисунок 1). При разработке требований к сетевым интерфейсам институт IEEE исходит из типичных офисных условий. Помеховая обстановка в промышленной среде гораздо жестче и в этих условиях необходимо применять соответствующие защитные меры. При построении промышленных систем целесообразно использовать экранированную элементную базу категории 6_А. Функции меры эффективности экрана выполняет параметр затухания экранирования, величина которого должна быть не хуже 80 дБ. Дополнительно в проектах необходимо обеспечивать соблюдение нормы для Класса D по стандарту EN 50174-2 касательно удаленности от силовых кабелей.

Рисунок 1. Современная элементная база категории 6А позволяет уже в настоящее время без проблем обеспечить передачи 10-гигабитных сигналов в промышленной среде.

В кабельных системах офисного назначения принята модель канала протяженностью в 100 м, в котором выделяются линейные кабели и коммутационные шнуры. В системах промышленного назначения на различных участках тракта передачи могут применяться кабельные изделия различного качества с различным диаметром токоведущих жил. Ввиду этой особенности эталонная модель офисной системы перестает соответствовать действительности. Тем не менее, даже в этих условиях с помощью расчетов по формулам можно проверить возможность реализации тракта определенной протяженности с требуемыми характеристикаи. Однако подобный подход является весьма затратным и мало эффективным. Для устранения данного недостатка при построении всего тракта передачи следует применять кабельные изделия с проводами калибром 24 AWG.

Рисунок. 2. Меньшая разница в уровнях информационных сигналов Gigabit Ethernet с принятой схемой кодирования Pulse Amplitude Modulation (РАМ) уменьшает защищенность линейного сигнала по сравнению с оборудованием Fast Ethernet, в котором используется схема Multi Link Trunk (MLT).

Модели трактов передачи разработаны в предположении температуры окружающей среды в 20⁰С. При повышении температуры, что не так уж редко бывает в промышленных условиях, в расчеты необходимо вводить соответствующие поправки. В результате может возникнуть потребность описать тракт, отдельные участки которого функционируют при различных температурах. Расчеты существенно упрощаются, если весь тракт построен с использованием компонентах, провода которых имеют калибр 22 AWG.

Соединители промышленных систем имеют не менее важное значение, чем кабели. В случае применения в кабелях проводников калибром 22 AWG или 24 AWG соединители должны иметь специальное исполнение. В системах промышленного назначения кабели прокладываются с их отрезкой по месту. В результате возникает требование простоты установки элементов соединителя на кабель без применения специальных инструментов, а сама конструкция элементов разъема в случае правильной установки должна гарантировать заданное качество передачи. Примерами подобных изделий могут являться Quickon и Piercecon компании Phoenix Contact, соответствующие требованиям категории 6_А. В результате обычное для промышленных систем требование о возможности выполнения полевой установки разъемных соединителей теперь распространяется также на кабельные системы с поддержкой Ethernet на скорости 10 Гбит/с. Подобное свойство является очень важным преимуществом, так как позволяет не менять хорошо отработанную ранее процедуру проектирования.

Рисунок 3. TIA и IEC исходят из различных представлений о частотной характеристике параметра NEXT.

РАЗЪЕМНЫЙ СОЕДИНИТЕЛЬ ДОЛЖЕН БЫТЬ УДОБНЫМ

Разъемные соединители для промышленных систем можно разделить на две большие группы: для применения в коммутационном шкафу и вне его. В первом случае соединитель представляет собой обычный разъем класса RJ45 с характеристиками вплоть до 6_А. При этом следует обращать особое внимание на обеспечение кругового экранирования, так как только таким образом можно снизить до требуемого уровня вредное воздействие электромагнитных полей, создаваемых расположенными рядом устройствами наподобии частотного преобразователя. Кроме того, агрессивные газы, воздействующие на контакты разъема, не должны вызывать их коррозию. Это обеспечивается применением высококачественных покрытий. В результате устраняется опасность появления коррозионных повреждений и связанных с ним процессов старения, которые приводят к росту переходного сопротивления и могут даже сопровождаться потерей связи. Коммутационные шнуры для офисного применения в общем случае не отвечают требованиям, предъявляемые к изделиям промышленного назначения. Для эксплуатации в этих условиях используются доступные на рынке соединители RJ45 со специальным защитным корпусом, а также соединители М12. При этом новые разъемы М12, так же как и соединители RJ45 согласно стандарту IEC 61076-2-109 могут соответствовать требованиям категории 6_А.

Рисунок 4. При недостаточно высоких значениях NEXT увеличивается степень вредного воздействия со стороны соседней пары, причем оно суммируется с внешними помехами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные задачи построения автоматизированных систем управления промышленным производством могут уже в настоящее время успешно решаться с помощью перспективных кабельных систем. В случае их применения в данной области становится возможно использование сетевых интерфейсов 10G Ethernet, сигналы которых передаются по трактам класса Е_А, реализованных на базе компонентов категории 6_А. В случае использования промышленных компонентов соответствующей конструкции планирование и инсталляция кабельных систем на производящих предприятиях не представляет никаких сложностей.

Бернд Хоррмейер — референт отдела кабельных систем промышленного назначения компании Phoenix Contact.