Jak dobierać okablowanie w sieciach przemysłowych?

W opisywanym przypadku może to doprowadzić do problemów w trakcie transmisji, począwszy od pogorszenia się jej parametrów, przez przerwy, a nawet całkowite zerwanie komunikacji. Wraz z rozwojem różnych standardów sieci przemysłowych, zwiększyły się możliwości komunikacji, ale często wzrosły też wymagania odnośnie do okablowania.

ZAGROŻENIA W ŚRODOWISKU PRZEMYSŁOWYM

Ekstremalnie niskie temperatury mogą sprawić, że kabel staje się sztywny i łamliwy. Niekorzystnie wpływają na niego również podwyższone temperatury. Dodatkowym zagrożeniem są rozpuszczalniki lub inne substancje chemiczne, w tym smary i oleje powszechnie spotykane w środowisku przemysłowym. Niektóre smary mogą wsiąkać w tradycyjne kable kategorii 5, zwłaszcza w przypadku wysokich temperatur otoczenia. Powoduje to wybrzuszenia w powłoce kabla, co prowadzi do utraty wytrzymałości mechanicznej. Również w przypadku narażenia kabli na promieniowanie UV należy liczyć się z pogorszeniem właściwości mechanicznych.

W środowisku przemysłowym kable są też bardziej narażone na rozciąganie, zginanie, zwijanie lub zgniecenie. Wszelkie tego typu sytuacje niekorzystnie wpływają na wewnętrzną strukturę kabla. To z kolei wpływa na parametry elektryczne kabla, np. zwiększa tłumienie i w związku z tym ogranicza odległość, na której można dany kabel ułożyć. Możliwe jest też sprzęganie sygnałów par przewodów, większe straty odbiciowe oraz zwiększenie wrażliwości na występujące w otoczeniu zaburzenia elektromagnetyczne.

POWŁOKI I ZŁĄCZA

Wymagania wysokiej odporności mechanicznej i chemicznej to cechy, które przede wszystkim odróżniają okablowanie przemysłowe od standardowego. Otoczenie sieci determinuje wybór odpowiedniego rodzaju okablowania oraz złączy o odpowiednim stopniu ochrony.

Materiałem, który jest powszechnie stosowany w powłokach kabli, jest PVC (polichlorek winylu). Charakteryzuje się on dużą wytrzymałością mechaniczną oraz odpornością na działanie środków chemicznych. Powłoki z PVC zabezpieczone dodatkowo przed wpływem promieniowania UV pozwalają na zastosowanie takiego okablowania na zewnątrz budynku.

W niektórych aplikacjach ważna jest wytrzymałość w kontakcie z wodą. W takim wypadku stosuje się powłoki kabli z PE (polietylen). W porównaniu do innych, powłoki kabli z PE są bardziej odporne na działanie wilgoci. Innym ważnym czynnikiem przy wyborze okablowania jest reakcja materiału powłoki w kontakcie z ogniem.

Najczęściej są stosowane tzw. materiały FRNC (flame-retardant noncorrosive), czyli odporne na płomienie i niekorozyjne. Materiały tego rodzaju są zazwyczaj samogasnące i nie rozprzestrzeniają ognia, a w czasie zapłonu nie uwalniają trujących gazów, co wynika stąd, że są to materiały bezhalogenowe.

Wymieniany wcześniej PVC nie jest zaliczany do materiałów FRNC. W wyniku jego spalania, ze względu na obecność halogenów, dochodzi do uwolnienia związków trujących – niebezpiecznych dla człowieka oraz silnie korozyjnych.

Materiałem często stosowanym w powłokach kablowych jest też PUR (poliuretan). Jest to materiał bezhalogenowy o wysokiej wytrzymałości mechanicznej (m.in. duża odporność na ścieranie) i odporności chemicznej. Materiał ten ma dobrą pamięć kształtu i zachowuje elastyczność w szerokim zakresie temperatur (–20ºC do 80ºC).

Wymagania, które obejmują okablowanie sieci przemysłowych, dotyczą też złączy. W przypadku sieci Ethernet, gdy złącza znajdują się np. w szafie sterowniczej, wystarczające są standardowe złącza RJ45 o stopniu ochrony IP20. Gdy jednak gniazdo może być narażone np. na kontakt z wodą lub innymi substancjami, zalecane jest stosowanie złączy ze stopniem ochrony IP65, IP66 lub IP67.

W przypadku, gdy gniazdo sieciowe znajduje się w pobliżu maszyny generującej w trakcie pracy wibracje warto wykorzystać złącza z nakładaną osłoną dodatkowo mocującą.

RÓŻNE SIECI, RÓŻNE STANDARDY

Standardów sieci przemysłowych jest bardzo dużo i każdy z nich ma mniej lub bardziej specyficzne wymagania co do warstwy fizycznej, czyli okablowania. Przykładowo jednym z najpopularniejszych standardów jest Profibus, który umożliwia użytkownikom wykorzystanie różnych mediów transmisyjnych. Transmisja najczęściej jest oparta na interfejsie RS-485, gdzie wykorzystuje się dwużyłowe, ekranowane przewody miedziane. Zdefiniowano także wersję protokołu przeznaczoną dla medium 4-przewodowego, sieci Profibus działać też mogą w oparciu o kable światłowodowe.

Za pomocą skrętki lub światłowodów transmisja może być realizowana także w sieciach Profinet. Co więcej – za najlepsze rozwiązanie w sieciach Profinet jest uważane zastosowanie okablowania hybrydowego (Cu/FOC), które umożliwia transmisję danych za pomocą włókien optycznych i doprowadzenie zasilania przewodem miedzianym.

ControlNet to z kolei szeregowy system transmisji, który jest używany głównie do transmisji danych krytycznych czasowo. Zapewnia on całkowicie deterministyczną transmisję o prędkości 5 Mb/s. Do transmisji w sieciach ControlNet jest używany kabel koncentryczny RG6. Aby zapewnić rzeczywiście deterministyczną transmisję wysokiej jakości danych krytycznych czasowo, należy wykorzystywać tylko kable ekranowane.

Pod względem różnorodności okablowania szerokie możliwości wyboru zapewnia Ethernet przemysłowy. W sieci Ethernet można wykorzystać skrętkę lub kabel światłowodowy. Drugi typ okablowania jest wykorzystywany w przypadku sieci budowanych na większych odległościach oraz gdy w otoczeniu występują źródła zaburzeń, wpływające niekorzystnie na jakość transmisji. W przypadku skrętki długość kabla sieciowego jest teoretycznie ograniczona do 100m, niezależnie od prędkości transmisji.

W zastosowaniach przemysłowych najczęściej wykorzystuje się kable kategorii 5, które są tanie i pozwalają na transmisję z prędkością 10/100 Mb/s. Kable kategorii 5e z kolei zapewniają transmisję do 1Gb/s, ale mogą być droższe. Kable kategorii 6 umożliwiają transmisję z szybkością do 10Gb/s, a ich dodatkową zaletą jest większa odporność na zaburzenia elektromagnetyczne w porównaniu do kabli kategorii 5e. Z tego względu, mimo większych kosztów, wiele firm decyduje się na wykorzystanie kabli tej kategorii.

Przykładami innych sieci, które będą tematem jednego z przyszłych artykułów w APA, są CC-Link (Control and Communication Link) oraz AS-i (Actuator Sensor Interface). Ta pierwsze zaproponowana została przez Mitsubishi Electric, obecnie jest to otwarty standard sieci przemysłowych wspierany przez organizację CC-Link Partner Association (CLPA). Warstwa fizyczna w standardzie CC-Link jest oparta na specyfikacji RS-485. Połączenie między elementami sieci jest realizowane z wykorzystaniem trójprzewodowowej, ekranowanej skrętki.

AS-i jest z kolei uważany za najprostsze rozwiązanie wśród wszystkich protokołów sieci przemysłowych. Jest to otwarty standard, który został zaprojektowany przede wszystkim z myślą o sterowaniu urządzeniami binarnymi, czyli pracującymi w trybie włącz/wyłącz. Zaletą tej specyfikacji jest ograniczenie ilości niezbędnego okablowania. Udało się to osiągnąć, przesyłając dane i sygnał zasilający jednym dwużyłowym kablem.

Monika Jaworowska