Garantice la conectividad en entornos difíciles con cables Ethernet de par trenzado

Con la migración al Internet de las cosas industrial (IIoT), la demanda de mayor fiabilidad y rendimiento en entornos industriales ricos en sensores y actuadores presenta retos cada vez mayores para los desarrolladores que buscan soluciones de conectividad sólidas. Los entornos eléctricos ruidosos limitan los métodos inalámbricos, mientras que los entornos físicos difíciles complican el uso de los métodos de cableado convencionales. Los diseñadores necesitan una solución de conectividad más eficaz, capaz de mantener la fiabilidad y el rendimiento.

Una opción es utilizar cableado Ethernet de par trenzado que evita la separación de los pares trenzados para mantener la integridad de la señal.

Este artículo describe los retos a los que se enfrentan los diseñadores a la hora de considerar opciones de cableado para entornos hostiles. A continuación, muestra cómo pueden abordar estos retos con cables Ethernet de par enlazado, utilizando ejemplos de Belden para ilustrar las características y el rendimiento de la tecnología en relación con el cableado Ethernet clásico.

La evolución de los entornos industriales pone a prueba la fiabilidad y el rendimiento de las redes.

La necesidad de una mayor variedad y número de sensores y actuadores en la IIoT en evolución ha agravado los retos a los que se enfrentan los diseñadores de redes industriales. Además de la necesidad constante de una conectividad fiable, las redes industriales tienen que ofrecer rendimiento en tiempo real y una mayor tasa de producción, ya que los sistemas basados en la visión se unen a los sensores de alta precisión para desempeñar un papel fundamental en múltiples fases del proceso de fabricación. Mientras que tecnologías de red como los estándares IEEE 802.1 de redes sensibles al tiempo (TSN) ayudan a los diseñadores a cumplir los requisitos de rendimiento determinista de Ethernet, las redes Ethernet de 10 gigabits (Gbit) se están convirtiendo en el estándar a medida que los entornos industriales experimentan un mayor volumen, velocidad y variedad de datos.

Garantizar la fiabilidad y el rendimiento de la red en el entorno industrial sigue siendo un reto debido a la naturaleza del entorno eléctrico y físico típico de las fábricas. En este entorno, el ruido eléctrico generado por las máquinas y las perturbaciones eléctricas se combinan con diversas fuentes de interferencias electromagnéticas (EMI) e interferencias de radiofrecuencia (RFI) para poner en peligro la integridad de la señal de comunicaciones. Físicamente, el suelo de la fábrica presenta desafíos significativos en forma de combustible, aceite, disolventes y otros productos químicos, así como humedad, altas temperaturas y cambios rápidos de temperatura debido a la maquinaria en funcionamiento, los procesos industriales y las salpicaduras de soldadura.

Al construir sus redes de comunicaciones, los diseñadores de redes de fábrica recurren a cables de comunicaciones que solo superficialmente comparten similitudes con los cables destinados a su instalación en edificios comerciales. Al igual que en los edificios comerciales, en las plantas industriales se utiliza un cable clasificado como ascendente, conocido como cable multiuso de comunicaciones, ascendente (CMR), para el tendido de cables por conductos ascendentes o pozos verticales. Del mismo modo, un cable con clasificación plenum, conocido como cable multiuso de comunicaciones, plenum (CMP), es un cable con clasificación superior necesario para restringir la propagación de las llamas y el humo en tendidos horizontales de cables a través de espacios por debajo de suelos o techos.

Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre en la mayoría de las instalaciones de edificios comerciales, los tendidos de cables en el entorno industrial son especialmente susceptibles a las tensiones mecánicas derivadas de las continuas vibraciones, flexiones, abrasiones y aplastamientos provocados por el funcionamiento normal de las fábricas. Los diseñadores de redes industriales confían desde hace tiempo en diversos materiales aislantes de cubiertas de cables para lograr el equilibrio necesario entre coste y rendimiento en sus redes.

Características de los cables industriales

Aunque los materiales aislantes de los cables varían para responder a requisitos especializados, el polímero de etileno fluorado (FEP) y el cloruro de polivinilo (PVC) son dos materiales de uso común en las cubiertas de cables industriales. En los cables con clasificación CMP, se suele utilizar FEP debido a sus características ignífugas y de resistencia al humo. El uso de FEP en las cubiertas de los cables de comunicaciones no sólo reduce las llamas, sino que también limita la propagación del humo pesado de los incendios a través de los conductos de aire. Además de su gran resistencia a los productos químicos, los cables de FEP suelen tolerar una amplia gama de temperaturas ambiente. Por ejemplo, el cable Ethernet DataTuff 7931A (7931A 0101000) de Belden de cuatro pares con cubierta FEP y clasificación CMP está especificado para un rango de temperatura de funcionamiento de -70 a +150 °C.

Los cables con clasificación CMR suelen estar aislados con PVC, que ofrece un menor coste a la vez que una durabilidad y resistencia adecuadas a los productos químicos, el calor y el agua. El PVC suele presentar una temperatura de funcionamiento más restringida, en consonancia con su uso típico en tubos ascendentes. Por ejemplo, el cable Ethernet DataTuff 7953A (7953A 0101000) de Belden de cuatro pares con cubierta de PVC y clasificación CMR está especificado para un intervalo de temperatura de funcionamiento de -40 a 75 °C.

Además del FEP y el PVC, a menudo se utilizan otros materiales por separado o juntos para satisfacer requisitos específicos. Por ejemplo, para su cable Ethernet DataTuff 7962A de dos pares (7962A 1SW1000), Belden combina una cubierta exterior de elastómero termoplástico (TPE), una cubierta interior de polietileno (PE) y un aislante de poliolefina (PO) para proporcionar un cable duro, ignífugo y resistente al aceite, adecuado para entornos peligrosos.

La elección del material de la cubierta es sólo uno de los puntos clave a la hora de seleccionar un cable para redes Ethernet industriales. Como ya se ha mencionado, los cables de comunicaciones industriales pueden sufrir importantes tensiones mecánicas que provocan un aumento del ruido de señal en el cable de par trenzado convencional. Este conocido tipo de cable se basa en la reducción de la diafonía y la susceptibilidad a las interferencias que se produce cuando se trenzan un par de hilos. En la práctica, sin embargo, las tensiones de la instalación y el funcionamiento cotidiano típico en el entorno industrial pueden provocar la separación entre los cables emparejados (figura 1).

Figura 1: El cable de par trenzado convencional reduce la diafonía y el ruido mientras los hilos emparejados permanecen juntos (arriba), pero los hilos suelen separarse (abajo) tras doblarlos, flexionarlos y tirar de ellos repetidamente. (Fuente de la imagen: Belden)

A medida que aumenta la separación entre conductores, o centricidad, debido a la flexión, doblado o tracción continuos, el efecto de cancelación de ruido del par trenzado se degrada significativamente. Con el tiempo, la integridad de la señal se ve comprometida, afectando a la fiabilidad de las transmisiones a través de la red. La alternativa de Belden al cable de comunicaciones de par trenzado convencional está diseñada para mantener la integridad de la señal a pesar de los rigores de la instalación y el uso continuado.

La tecnología de pares enlazados ofrece inmunidad a las tensiones

La tecnología patentada de par trenzado de Belden crea una unión real entre los hilos de cada par para mantener una centricidad óptima para todos los pares trenzados de un cable de comunicaciones, evitando los huecos que pueden comprometer la integridad de la señal (figura 2).

Figura 2: A diferencia de la tecnología de par trenzado convencional (izquierda), la tecnología de par enlazado de Belden (derecha) garantiza que la separación entre los hilos emparejados de un cable permanezca fija a pesar de que se doble, flexione o tire de él. (Fuente de la imagen: Belden)

La tecnología de pares enlazados de Belden da como resultado cables con una resistencia a la tracción que suele ser un 40% mayor que la del cable Ethernet convencional. Al mismo tiempo, un cable de pares enlazados Belden puede doblarse o flexionarse con seguridad a lo largo de un radio de curvatura tan estrecho como cuatro veces el diámetro exterior del cable. En cambio, el radio de curvatura de un cable Ethernet normal suele limitarse a diez veces el diámetro exterior.

La resistencia añadida que aporta la tecnología de par unido se traduce en una capacidad para mantener la fiabilidad a pesar de la tensión continuada provocada por la flexión durante la instalación o el funcionamiento normal. Aunque la industria carece de una norma para medir la capacidad de soportar la flexión, Belden creó una prueba de flexión diseñada para simular las condiciones de funcionamiento industriales habituales.

Los ingenieros de Belden sometieron primero un cable de par enlazado de 15 pies (ft) de longitud a una curvatura cerrada de 3 pulgadas (in), antes de someterlo a un movimiento multiaxial de 10 pies por segundo (ft/s) durante 28.800 ciclos al día. El equipo de ingenieros de Belden supervisó continuamente el cable sometido a prueba para detectar cortocircuitos, caídas de voltaje y otros problemas en ocho puntos a lo largo de su longitud. Detuvieron la prueba tras 10,075,000 ciclos de flexión sin haber detectado ningún fallo físico ni eléctrico.

Las sólidas prestaciones del cable de par enlazado se hacen evidentes al comparar su rendimiento eléctrico con el del cable convencional. Utilizando el margen de enlace como medida, las pruebas demostraron que el cable de par trenzado Belden mantiene su rendimiento antes y después de la instalación (Figura 3, izquierda). En cambio, los cables de par trenzado convencionales que superan las pruebas de rendimiento en el carrete pueden fallar tras la instalación debido a la separación de los pares después de que el cable haya sido sometido a los esfuerzos normales de tracción, flexión y plegado de la instalación (Figura 3, derecha).

Figura 3: En un cable de par trenzado de Belden, el margen de enlace sigue siendo alto en los pares de datos individuales (azul/amarillo/verde/rojo) antes y después de la instalación (izquierda), mientras que los cables de par trenzado convencionales que se prueban bien en el carrete muestran posteriormente una reducción drástica tras la instalación debido a la separación de pares causada por la tensión de instalación. (Fuente de la imagen: Belden)

En comparación con un cable de par trenzado, un cable de par trenzado convencional también puede mostrar fluctuaciones de impedancia erráticas dependientes de la frecuencia debido a los huecos que se crean entre los pares de hilos durante la instalación y la manipulación (figura 4).

Figura 4: La impedancia del cable de pares enlazados de Belden (izquierda) permanece estable antes y después de la instalación, en comparación con los cambios de impedancia inducidos por la manipulación del cable industrial convencional (derecha). (Fuente de la imagen: Belden)

En condiciones normales de funcionamiento, el cable de par trenzado no apantallado puede mantener la protección contra el ruido, a menudo con un coste inferior al del cable apantallado convencional. Para los diseñadores de redes industriales, la protección contra el ruido del cable de par enlazado ayuda a reducir las limitaciones de enrutamiento en comparación con el cable industrial apantallado convencional. Por ejemplo, las directrices de ODVA (anteriormente Open DeviceNet Vendors Association) recomiendan tender el cable apantallado convencional a no más de 1.5 m de fuentes electromagnéticas para evitar interferencias. Por el contrario, la protección contra el ruido del cable de par trenzado no apantallado permite a los diseñadores de redes colocar este cable a menos de 15 cm de una fuente sin comprometer la integridad de la señal.

Conclusión:

Los duros entornos industriales eléctricos y físicos complican la selección de cables capaces de mantener la integridad de la señal requerida a medida que aumentan las velocidades de datos del IIoT. Como se ha demostrado, la tecnología patentada de pares enlazados de Belden proporciona una solución eficaz capaz de mantener el rendimiento de la conectividad de forma más efectiva que los cables Ethernet industriales convencionales.