Cómo garantizar la integridad de la señal de Gigabit Ethernet en las implementaciones de automatización industrial de larga distancia

El cableado Ethernet de par trenzado se considera una tecnología madura y fiable en la que se ha confiado durante muchos años con velocidades de datos de 10Base-T y 100Base-T. Sin embargo, a medida que el tráfico de Ethernet de alta velocidad alcanza 1 gigabit por segundo (Gbit/s) y más, los diseñadores tienen que enfrentarse a la realidad de que las señales son menos indulgentes con las inconsistencias del cable y se vuelven más susceptibles a las interferencias, la diafonía, la pérdida de impedancia, la pérdida de retorno debida a las señales reflejadas y la atenuación.

Los problemas se agravan a medida que aumenta la longitud de los cables, como en las instalaciones de automatización industrial. Estos tienen la complicación añadida de la torsión y el doblado de los cables Ethernet durante el trazado, así como en aplicaciones como la robótica y otras máquinas. Esta flexión repetida puede separar los pares trenzados, comprometiendo el rendimiento eléctrico del cable. La atenuación de la señal resultante puede introducir pérdidas de datos intermitentes que empeoran con el tiempo. Estos tipos de errores son notoriamente difíciles de identificar y solucionar, causando largos y costosos tiempos de inactividad del sistema.

En este artículo se analizan los retos que plantea el envío de datos Ethernet digitales de alta velocidad a través de conductores de par trenzado. Explica cómo se pueden utilizar los cables Ethernet de par enlazado para proporcionar un rendimiento constante para los datos Ethernet de alta velocidad a través de largas distancias, incluyendo la reducción de la pérdida de señal y la resistencia al abuso físico. A continuación, se presentarán dos ejemplos de cables Ethernet de par enlazado de Belden y se mostrará cómo pueden utilizarse para garantizar la integridad de la señal Ethernet en entornos industriales.

Envío fiable de datos gigabit Ethernet

Los cables Ethernet estándar envían datos a través de conductores de cobre de par trenzado. En el pasado, los cables menos costosos podían utilizar solo dos pares trenzados, pero los modernos cables Ethernet convencionales tienen cuatro pares trenzados para la transferencia de datos de alta velocidad y la entrega de energía a través de Ethernet (PoE). Todos los cables Ethernet sufren una cierta degradación de la señal debido a la construcción del cable, su longitud, las interferencias y la velocidad de transmisión de datos. Si los datos de alta velocidad se envían a través de 10 metros (m) o más de cable, es la construcción del cable la responsable de evitar el exceso de degradación de la señal.

La mayoría de los cables Ethernet comerciales e industriales de baja velocidad utilizan pares trenzados de conductores de cobre trenzado. El cobre trenzado es muy flexible y fácil de trabajar, por lo que resulta un cable que puede doblarse en las esquinas y que se mantiene en su sitio cuando se pega al suelo y a los puntos de montaje. Sin embargo, los hilos de cobre trenzado tienen mayor resistencia al flujo de corriente que los hilos de cobre macizo, especialmente en distancias largas. Esto hace que los cables de cobre sólido sean más apropiados para los datos de alta velocidad, que suelen utilizar tensiones de señalización más bajas, lo que hace que los datos de alta velocidad sean más susceptibles a la atenuación de la señal y a la pérdida de datos debido a la resistencia del cable. Para PoE, el cobre sólido también puede transportar más corriente y genera menos calor en comparación con el cobre trenzado, lo que lo convierte en una opción más adecuada.

El inconveniente del cobre macizo es que no se flexiona bien y resiste más a la flexión que el cobre trenzado, por lo que puede requerir un esfuerzo adicional al tender el cable.

Los cables Ethernet de par trenzado presentan una impedancia característica para los receptores y transmisores en los enchufes RJ45. Normalmente, esta impedancia es de 100 ohmios (Ω) y debe ser constante a lo largo del cable. La impedancia se ve afectada por la distancia de centro a centro entre los dos conductores del par trenzado. El impacto con un objeto pesado o las tensiones asociadas con el estiramiento o la compresión de un cable pueden separar los pares trenzados, cambiando la distancia de centro a centro en algunas secciones. Esto da lugar a un cambio de impedancia del cable que degrada la señal. Esto puede no ser perceptible a velocidades de 10 megabits por segundo (Mbits/s) (10Base-T) o 100 Mbits/s (100Base-T), pero puede causar la pérdida de datos a velocidades de gigabits (1000Base-T).

La diafonía es otra causa de degradación de la señal. Si se colocan dos cables de alta velocidad en paralelo, cada conductor inducirá una corriente en el otro cable, lo que constituye la peor situación para la diafonía. Para minimizar el riesgo de diafonía y las pérdidas de señal, los cables se tienden en pares trenzados autoprotegidos. Sin embargo, al igual que ocurre con la pérdida de impedancia, si los dos hilos del par trenzado son empujados o desplazados por fuerzas externas al cable, aumenta la diafonía entre los pares, lo que reduce la fiabilidad de la señal.

La combinación de la pérdida de impedancia y la diafonía, junto con la resistencia eléctrica del cable a lo largo de la distancia, provoca una pérdida de retorno debida a la reflexión de la señal hacia su fuente. Aunque las pérdidas de retorno son esperables y se compensan mediante la cancelación de ecos en las terminaciones, el exceso de pérdidas de retorno puede ser un problema grave que provoque pérdidas de datos intermitentes. Este problema puede ser notoriamente difícil de diagnosticar y puede dar lugar a un tiempo de inactividad excesivo. El problema puede agravarse en entornos industriales con muchas vibraciones, en los que la posición del cable Ethernet se desplaza y provoca cambios en las características eléctricas, lo que provoca problemas en la señal de datos que desaparecen misteriosamente cuando cesan las vibraciones o el movimiento.

Cables de Ethernet de par trenzado

Como se ha comentado, la pérdida de impedancia, la diafonía y la pérdida de retorno están muy influenciadas por la inconsistencia de la distancia de centro a centro entre el par trenzado a lo largo del cable. Para los diseñadores que dirigen conexiones Ethernet de alta velocidad en entornos difíciles, Belden ha abordado el problema con sus cables Ethernet modulares de par enlazado 10GX CAT6 y CAT5E para gigabit Ethernet.

Los cables de par trenzado mantienen una centricidad fija entre los conductores del par trenzado al unirlos físicamente, lo que impide incluso su separación temporal (Figura 1). Esto reduce en gran medida el riesgo de pérdida de impedancia y de diafonía.

Figura 1: El par trenzado no enlazado de la izquierda ha perdido la centricidad de conductor a conductor debido a una brecha causada por la torsión o flexión del par. El par trenzado de la derecha mantiene su centralidad, a pesar de las fuerzas externas. (Fuente de la imagen: Belden)

Los cables Ethernet de par enlazado de Belden también utilizan conductores de cobre sólido para los pares trenzados, lo que reduce la resistencia eléctrica. Además, los conductores de cobre sólido permiten una mayor potencia con menos pérdidas en comparación con los cables de cobre trenzado para aplicaciones PoE. Esto también mejora la seguridad al reducir el calor causado por la resistencia de los cables.

En conjunto, la reducción de la resistencia eléctrica del cable, la reducción de la pérdida de impedancia y la minimización de la diafonía, dan como resultado una mejora significativa de la integridad de los datos para gigabit Ethernet, incluso en entornos difíciles.

Para los cables de interconexión gigabit Ethernet, Belden proporciona el conjunto de cables Ethernet de par unido de 10 pies (Figura 2) C601106010. Se trata de un conjunto de cables CAT6+ con cuatro pares trenzados unidos de hilo de cobre sólido de 24 AWG. Los extremos están terminados con enchufes RJ45 con una bota de elastómero moldeada a la cubierta exterior de cloruro de polivinilo (PVC), formando un fuerte alivio de tensión que resiste la separación. También evita la torsión o la separación de los pares trenzados en la terminación RJ45, además de proporcionar protección contra el agua y el polvo.

Figura 2: El cable Ethernet Belden C601106010 está terminado en dos enchufes RJ45 con un protector de elastómero moldeado sobre la cubierta de PVC para proteger las terminaciones del cable del polvo y la humedad. (Fuente de la imagen: Belden)

El cable Ethernet azul tiene un diámetro de 5,715 milímetros (mm), típico de un cable Ethernet. Dado que los pares enlazados y los conductores sólidos no añaden ningún volumen adicional al conjunto de cables, el C601106010 es apropiado para cualquier aplicación en la que se tiendan cables comerciales.

El conjunto de cables tiene una capacidad de corriente de 1.500 amperios (A) por contacto. Combinado con el índice de velocidad gigabit, el C601106010 es apropiado para aplicaciones industriales PoE como la robótica y los puntos finales del Internet Industrial de las Cosas (IIoT). La resistencia de contacto máxima es de 0,020 Ω, lo que a 1.500 A genera apenas 0.300 vatios de calor, una cantidad aceptable para aplicaciones industriales.

Este conjunto de cables CAT6+ está clasificado para aplicaciones 1000Base-T y tiene una temperatura de funcionamiento de -10 °C a +60 °C, lo que lo hace apropiado para aplicaciones de automatización industrial de alta velocidad con amplias temperaturas extremas.

Para distancias más largas, Belden fabrica el conjunto de cable Ethernet de par enlazado CA21106025 de 25 pies. Se trata de un conjunto de cables CAT6a con las mismas especificaciones eléctricas básicas que el Belden C601106010, y la misma terminación que se ve en la figura 2. Sin embargo, como el cable CA21106025 es más largo, es más susceptible a las interferencias externas: la velocidad del gigabit a través de un cable de 25 pies actúa como una antena que puede captar la radiación electromagnética de los aparatos electrónicos circundantes. Para garantizar la integridad de la señal, el CA21106025 tiene una pantalla exterior de papel de aluminio. El resultado es un diámetro de 6.731 mm que es ligeramente mayor que el de los cables comerciales, pero que está dentro de las tolerancias de las guías de cables y los métodos de enrutamiento habituales.

Con este apantallamiento, el conjunto de cables CA21106025 de Belden está clasificado para velocidades de 10GBase-T (10 Gbits/s), lo que lo hace adecuado para aplicaciones de automatización industrial de muy alto nivel, así como para la transmisión de video de alta definición en toda una instalación.

Conclusión:

Gigabit Ethernet está aportando mayores velocidades de datos a las instalaciones de automatización industrial. Con estas velocidades de transmisión de datos aumenta el riesgo de interferencias, diafonía y pérdidas de retorno, que pueden dar lugar a conexiones de datos intermitentes. Esto es especialmente cierto en las aplicaciones industriales en las que el cable puede estar sometido a repetidas flexiones, lo que provoca la pérdida de rendimiento eléctrico del cable.

Mediante el uso de cables Ethernet de par trenzado enlazado que garantizan una centralidad fija de centro a centro, los diseñadores pueden utilizar cómodamente velocidades más altas en distancias mayores, a la vez que cumplen los requisitos de PoE para las actualizaciones de la red y las nuevas implementaciones.