Especificación de cables Ethernet industriales para un rendimiento óptimo

Ethernet industrial es una tecnología importante que puede reemplazar las redes heredadas lentas y fragmentadas con una red troncal de comunicación unificada de alta velocidad y ofrecer determinismo en tiempo real. Existen numerosos factores que se deben tener en cuenta en relación con el rendimiento de un cableado robusto al implementar Ethernet industrial. Una de las primeras decisiones se relaciona con las expectativas de velocidad de la red en comparación con la distancia.

Las aplicaciones que requieren un ancho de banda de hasta 100 MHz y velocidades de 1 Gbps en hasta 100 metros necesitan cableado Cat 5e. Cat 6 ofrece más velocidad y mayor alcance; admite un ancho de banda de hasta 250 MHz, gestiona 1 Gbps hasta 100 metros y alcanza velocidades de 10 Gbps en tramos más cortos de hasta 55 metros.

La siguiente decisión, con aún más grados de libertad, es dónde y cómo se desplegará la red, así como el rendimiento resultante y las exigencias ambientales. ¿Requiere la aplicación cables blindados? ¿Qué pasa con las temperaturas extremas, las altas vibraciones y la exposición al aceite, la gasolina o los productos químicos?

¿El cable se colocará en exteriores o requiere la aprobación de la Administración de Seguridad y Salud en las Minas (MSHA) para minería y entornos rigurosos? ¿Qué pasa con las exigencias de seguridad y confiabilidad dentro o junto a equipos de alto voltaje como los gabinetes de control de motores industriales y la manipulación de condiciones extremas de interferencia electromagnética (EMI)?

Marco para la selección de cables Ethernet

Belden ha desarrollado un marco estructurado que los diseñadores pueden utilizar para ordenar las complejidades de la selección de cables Ethernet industriales DataTuff y llegar rápida y eficientemente a una solución óptima para escenarios de aplicación específicos.

La consideración inicial son los requisitos de velocidad de datos. Las aplicaciones como los sensores IoT y las cámaras IP estándar necesitan de 10 Mbps a 100 Mbps. Las cámaras IP y los controladores de alta resolución que utilizan protocolos como EtherNet/IP, PROFINET y Modbus TCP requieren hasta 1 Gbps. Los cables troncal con mucho tráfico suelen exigir conectividad de 10 Gbps.  Cuando se necesitan hasta 100 Mbps, Belden recomienda cables de Cat 5e de 2 pares. Para hasta 1 Gbps, los diseñadores deben recurrir a cables de Cat 5e de 4 pares, y para hasta 10 Gbps, a cables de Cat 6a.

Luego, se requiere una comprensión clara de la flexibilidad y de los factores ambientales que el cable deberá soportar. Eso determina los materiales y la estructura básicos del cable. Por ejemplo, en entornos de baja vibración dentro de gabinetes o salas de control, un diseño de conductor sólido puede proporcionar el ancho de banda constante más elevado.

Las ubicaciones con vibración moderada, como las plantas de fabricación, pueden beneficiarse de los cables con construcción de par enlazado (detallada a continuación). También necesitan materiales que puedan soportar la exposición a una variedad de desafíos, incluidos el aceite y los productos químicos, la manipulación brusca, la abrasión, variaciones de temperatura más amplias y la interferencia electromagnética, sin dejar de ofrecer una conectividad fiable.

Los cables conectados directamente a robots industriales y otras máquinas pueden experimentar una alta vibración. Eso puede hacer que la construcción con par enlazado sea aún más importante.

La tercera consideración son las opciones de revestimiento para proporcionar el nivel necesario de protección a fin de garantizar un rendimiento fiable. Este artículo presenta varias de las opciones más demandadas. La línea DataTuff general incluye opciones de revestimiento completas que incluyen:

• PVC, polietileno, FEP, FRNC/LSNH, PUR o TPE
• De alta resistencia, de doble cubierta o con armadura de aluminio
• Cubiertas sin halógeno o de bajo humo y cero halógenos
• También hay versiones disponibles para enterrar o uso en exteriores, con resistencia a la gasolina, y para su uso en temperaturas inusualmente altas y bajas.

Por último, dentro de la cubierta, existe la opción entre un cable blindado o sin blindaje. La línea de cables Ethernet industrial DataTuff ofrece varias opciones. Para áreas de baja interferencia, los cables sin blindaje (designados como U/UTP o UTP) pueden proporcionar una inmunidad al ruido limitada pero adecuada.

En ubicaciones con control moderado de EMI (interferencia electromagnética), los cables con blindaje de lámina (F/UTP) tienen una cobertura del 100 % mediante el uso de una cinta de aluminio/poliéster envuelta alrededor del haz del núcleo junto con un conductor de drenado de cobre estañado. Cuando se necesita la máxima inmunidad contra interferencias de alta frecuencia y baja frecuencia, se pueden usar cables con blindaje combinado de trenza y lámina (SF/UTP, o lámina + trenza de cobre estañado). Combinan un blindaje de lámina interior del 100 % con un blindaje exterior de trenza de cobre estañado (normalmente con un 70 % de cobertura) y un conductor de drenado.

Figura 1: Detalles de construcción clave de cuatro ejemplos de cables Ethernet industriales DataTuff de Belden. (Fuente de la imagen: Belden)

Ventajas del enlazado

La construcción de cable de par enlazado patentada de Belden se utiliza en la mayoría de los cables DataTuff. Conecta el aislamiento de los conductores de los pares de cables a lo largo de los ejes longitudinales para mejorar el rendimiento de la pérdida de retorno (RL) para especificaciones como ODVA para EtherNet/IP. Los cables son adecuados para su uso con el Protocolo Industrial Común (CIP) para implementar extensiones de automatización como CIP Safety, CIP Security y CIP Motion.

El uso de cables de par enlazado en aplicaciones de alta vibración y flexión puede ofrecer un rendimiento mejorado, incluido el mantenimiento de un espaciado entre conductores constante y uniforme que proporciona un rendimiento eléctrico mejor y más consistente, con una menor pérdida de retorno (RL) y una mejor calidad de señal (Figura 2). La centricidad uniforme se mantiene incluso después de doblar, torcer y tirar durante la instalación y el funcionamiento.

Figura 2: La tecnología de par enlazado de Belden (derecha) ofrece una concentricidad coherente entre los conductores a lo largo de toda la longitud de un cable Ethernet en comparación con la construcción no enlazada (izquierda). (Fuente de la imagen: Belden)

Prueba de rendimiento

Las pruebas de cables de par enlazado y cables de par no enlazado han demostrado los beneficios en instalaciones de Cat 5e de 350 MHz. La prueba simuló el estiramiento y la flexión que experimentan los cables durante los procesos de instalación normal. Se comparó el rendimiento de la pérdida de retorno (RL) de los cables al salir del carrete y después del procedimiento de esfuerzo de instalación.

La RL mide la cantidad de señal reflejada hacia la fuente debido a desajustes de impedancia interna. Una mala RL distorsiona los flujos de datos, aumenta las tasas de error de paquetes y reduce la integridad general de los datos.

Los resultados de las pruebas mostraron que el cable de par no enlazado tenía una degradación de RL superior a 12 dB, mientras que los cables Ethernet de par enlazado de Belden mostraron pocos o ningún cambio en el rendimiento de RL.

Las opciones son buenas

Independientemente de las demandas de la aplicación, Belden ofrece una opción de cable Ethernet industrial DataTuff adecuada. Por ejemplo, el modelo 7930A es un diseño básico que utiliza cuatro pares trenzados sin protección (U/UTP) no enlazados y es compatible con el rendimiento de Cat 5e. La elección del número de pieza 7923A también es compatible con Cat 5e con un cable de 4 pares sin protección que utiliza una construcción de par enlazado para un mejor rendimiento.

Cable no enlazado de 4 pares con blindaje (F/UTP) Cat 5e 7919A de Belden que se puede denominar "básico plus". Está diseñado para entornos que necesitan una buena protección contra EMI y cuenta con un blindaje Beldfoil® general con un conductor de drenado de cobre estañado trenzado y una cubierta exterior de PVC resistente, resistente al aceite y a los rayos UV. Se utiliza comúnmente en la minería debido a su clasificación de la MSHA.

Rendimiento de Cat 6

Pasar a Cat 5e/Cat 6 admite una mayor tasa de producción de datos y un mejor rechazo de ruido en las redes de automatización de fábricas estándar. El equivalente sin blindaje de Cat 6 al cable 7923A de Cat 5e es el modelo 7927A (para aplicaciones de conductor sólido) o el 7972A (para aplicaciones de conductor flexible/trenzado).

El modelo 7953A de Belden tiene el blindaje general Beldfoil que se encuentra en el 7919A. Proporciona un rendimiento de Cat 6 con pares enlazados de 23 CAE (AWG), una cubierta interior de PVC y una cubierta exterior de PVC industrial resistente al aceite y a los rayos solares.

Más desafíos, más opciones

No se trata solo de las velocidades de datos; los desafíos ambientales pueden ser un factor significativo en muchas instalaciones industriales, y DataTuff ofrece soluciones. Por ejemplo, el cable sin blindaje 7934A de Belden con clasificación Cat 5e presenta un diseño de conductor sólido de par trenzado (UTP). Está construido con un gel polimérico bloqueador de agua y un revestimiento de polietileno (PE) resistente y resistente a la luz solar clasificado para enterrado directo.

Si el cable se va a instalar en lugares como espacios plenum que experimentan temperaturas extremas, el número de pieza 7928A ofrece rendimiento de Cat 5e y puede ser una buena opción. Su diseño sin blindaje ofrece una construcción de pares enlazados y tanto el aislamiento del conductor interno como la cubierta exterior están hechos de fluoropolímero estilo Teflón (FEP), lo que ofrece un rango de temperatura de funcionamiento de -70 °C a +150 °C.

Para el tendido junto con cables de alimentación, el modelo 7958A es el equivalente en Cat 5e al cable Cat 6 7953A mencionado anteriormente. Ambos cuentan con pares enlazados, una membrana central X-Spline para aislar los pares entre sí, una cubierta interior de PVC, un laminado general de aluminio + blindaje de poliéster Beldfoil y una cubierta industrial exterior final de PVC. Debido a esta configuración de doble cubierta, cuentan con una clasificación de material de cableado de aparatos (AWM) de 600 V para el tendido junto con cables de alimentación.

Además de la amplia oferta de cables Ethernet industriales de Belden, DigiKey ofrece a los especificadores la opción de Digi-Spool, carretes continuos de cables Ethernet industriales de Belden para grandes instalaciones y cables cortados en longitudes de 500, 100 y 50 pies para mantenimiento, modernizaciones e instalaciones más pequeñas. Una terminación rápida y sencilla de los cables es un aspecto igualmente importante para implementar Ethernet industrial.

Terminaciones confiables, fáciles y versátiles

La terminación de campo fiable, sencilla y versátil (REV) de los cables Ethernet cuenta con el respaldo de los conectores RJ45 REVConnect industriales de Belden (Figura 3). La exclusiva estructura de perforación del aislamiento proporciona una conexión fiable, y la capacidad de soportar entornos rigurosos sobre el terreno garantiza una fiabilidad continuada.

Figura 3: Representación de la parte delantera y trasera de un conector industrial REVConnect RJ45 de Belden. (Fuente de la imagen: Belden)

Es fácil, ya que se utiliza una única herramienta de terminación para la preparación y la terminación del cable. Es versátil, con modelos para Cat 5e, Cat 6 y más. Además, incluye versiones con y sin blindaje, un kit de enchufe con clasificación IP67 y accesorios para montaje en riel DIN.

Conclusión

Los diseñadores de redes industriales necesitan una amplia gama de opciones de cableado Ethernet robustas y de alto rendimiento. Los cables Ethernet industriales DataTuff de Belden ofrecen lo que los diseñadores de redes necesitan para escenarios operativos variados y difíciles de apoyar. DigiKey ofrece cables DataTuff en varias longitudes para adaptarse a las necesidades de instalaciones específicas, y los conectores RJ45 REVConnect industriales de Belden pueden acelerar la instalación y el despliegue de Ethernet.

Lectura recomendada:

1. Simplifique la implementación de redes Ethernet de par único para aplicaciones críticas sensibles al tiempo
2. Conectividad: la columna vertebral de la automatización sostenible
3. Cómo seleccionar HMI de pantalla plana para obtener resultados óptimos en todos los entornos industriales
4. Cómo implantar redes de control híbridas en aplicaciones industriales
5. Cómo ampliar el borde industrial con SPE y PoDL