วิธีการตรวจสอบความสมบูรณ์ของสัญญาณกิกะบิตอีเทอร์เน็ตในการปรับใช้ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมทางไกล

By Bill Giovino

Contributed By DigiKey's North American Editors

สายเคเบิลอีเทอร์เน็ตแบบตีเกลียวคู่ ถือเป็นเทคโนโลยีที่ครบถ้วนและเชื่อถือได้ซึ่งได้รับความไว้วางใจด้วยอัตราข้อมูล 10Base-T และ 100Base-T เป็นเวลาหลายปี อย่างไรก็ตาม เนื่องจากทราฟฟิกอีเทอร์เน็ตความเร็วสูงถึง 1 กิกะบิตต่อวินาที (Gbit/s) และสูงกว่า นักออกแบบจึงต้องจัดการกับความเป็นจริงที่ว่าสัญญาณไม่ให้อภัยกับความไม่สอดคล้องกันของสายเคเบิลน้อยลง และมีความอ่อนไหวต่อการรบกวน ครอสทอล์ค การสูญเสียอิมพีแดนซ์ การสูญเสียกลับ เนื่องจากสัญญาณสะท้อนและการลดทอน

ปัญหาจะรุนแรงขึ้นเมื่อความยาวของสายเคเบิลเพิ่มขึ้น เช่น ในโรงงานระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม สิ่งเหล่านี้มีความซับซ้อนเพิ่มเติมในการตีเกลียวและดัดของสายเคเบิลอีเทอร์เน็ตระหว่างการจัดวาง เช่นเดียวกับในการใช้งาน เช่น หุ่นยนต์และเครื่องจักรอื่น ๆ การงอหลายครั้งนี้สามารถแยกสายคู่ตีเกลียวออกได้ ทำให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของสายเคเบิลลดลง ผลจากการลดทอนสัญญาณสามารถทำให้เกิดการสูญเสียข้อมูลเป็นระยะซึ่งจะเลวร้ายลงเมื่อเวลาผ่านไป ข้อผิดพลาดประเภทนี้เป็นที่รู้จักว่ายากต่อการระบุและแก้ไขปัญหา ทำให้ระบบหยุดทำงานเป็นเวลานานและมีราคาแพง

บทความนี้กล่าวถึงความท้าทายในการส่งข้อมูลอีเทอร์เน็ตดิจิทัลความเร็วสูงผ่านตัวนำสายตีเกลียวคู่ โดยจะอธิบายสายเคเบิลอีเทอร์เน็ตแบบเกลียวของสายไม่คลายทำให้เกิดประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอสำหรับข้อมูลอีเทอร์เน็ตความเร็วสูงในระยะทางไกล ซึ่งรวมถึงการสูญเสียสัญญาณที่ลดลงและการต้านทานต่อการละเมิดทางกายภาพอย่างไร จากนั้นจะแนะนำสองตัวอย่างของสายเคเบิลอีเทอร์เน็ตแบบเกลียวของสายไม่คลาย Belden และแสดงวิธีการใช้เพื่อให้มั่นใจถึงความสมบูรณ์ของสัญญาณอีเทอร์เน็ตในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม

ส่งข้อมูลกิกะบิตอีเทอร์เน็ตได้อย่างน่าเชื่อถือ

สายเคเบิลอีเทอร์เน็ตมาตรฐานส่งข้อมูลผ่านตัวนำทองแดงตีเกลียวคู่ ในอดีต สายเคเบิลที่มีราคาถูกกว่าอาจใช้สายตีเกลียวคู่สองสายเท่านั้น แต่สายอีเทอร์เน็ตแบบเดิมสมัยใหม่มีสายบิดเกลียวสี่คู่สำหรับการถ่ายโอนข้อมูลความเร็วสูงและการส่ง Power over Ethernet (PoE) สายเคเบิลอีเทอร์เน็ตทั้งหมดได้รับผลกระทบจากสัญญาณที่ลดลงในระดับหนึ่งเนื่องจากโครงสร้างสายเคเบิล ความยาวของสายเคเบิล การรบกวน และอัตราข้อมูล หากส่งข้อมูลความเร็วสูงเกิน 10 เมตร (ม.) ขึ้นไปของสายเคเบิล แสดงว่าเป็นโครงสร้างสายเคเบิลที่ทำหน้าที่ป้องกันการเสื่อมของสัญญาณมากเกินไป

สายเคเบิลอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมเชิงพาณิชย์และความเร็วต่ำส่วนใหญ่ใช้ตัวนำทองแดงตีเกลียวคู่ ทองแดงควั่นมีความยืดหยุ่นสูงและใช้งานง่าย ส่งผลให้สายเคเบิลสามารถโค้งงอได้ตามมุม และคงอยู่กับที่เมื่อติดเทปบนพื้นและจุดยึด อย่างไรก็ตาม ลวดทองแดงตีเกลียวมีความต้านทานกระแสไหลมากกว่าสายทองแดงแข็ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระยะทางไกล ทำให้สายทองแดงที่เป็นของแข็งมีความเหมาะสมมากขึ้นสำหรับข้อมูลความเร็วสูง ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้แรงดันไฟฟ้าในการส่งสัญญาณที่ต่ำกว่า ทำให้ข้อมูลความเร็วสูงมีความอ่อนไหวต่อการลดทอนสัญญาณและการสูญเสียข้อมูลอันเนื่องมาจากความต้านทานของสายไฟ สำหรับ PoE ทองแดงที่เป็นของแข็งสามารถรับกระแสไฟได้มากกว่าและสร้างความร้อนน้อยกว่าเมื่อเทียบกับทองแดงแบบเกลียว ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมกว่า

ข้อเสียของทองแดงที่เป็นของแข็งคือไม่งอได้ดีและทนต่อการดัดงอมากกว่าทองแดงที่ควั่น ดังนั้นจึงอาจต้องใช้ความพยายามเพิ่มเติมในการจัดวางสายเคเบิล

สายเคเบิลอีเทอร์เน็ตแบบสายตีเกลียวคู่ ให้ค่าอิมพีแดนซ์เฉพาะให้กับเครื่องรับและเครื่องส่งสัญญาณที่ปลั๊ก RJ45 โดยทั่วไป อิมพีแดนซ์นี้คือ 100 โอห์ม (Ω) และต้องสม่ำเสมอตลอดความยาวของสายเคเบิล อิมพีแดนซ์ได้รับผลกระทบจากระยะห่างจากศูนย์กลางถึงศูนย์กลางระหว่างตัวนำสองตัวในคู่บิด การกระแทกกับวัตถุที่มีน้ำหนักมากหรือความเค้นที่เกี่ยวข้องกับการยืดหรือบีบสายเคเบิลสามารถแยกสายตีเกลียวคู่ออกได้ ทำให้ระยะห่างจากศูนย์กลางถึงศูนย์กลางในบางส่วนเปลี่ยนไป ส่งผลให้มีการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ของสายเคเบิลที่ทำให้สัญญาณลดลง ซึ่งอาจมองไม่เห็นด้วยอัตรา 10 เมกะบิตต่อวินาที (Mbits/s) (10Base-T) หรือ 100 Mbits/s (100Base-T) แต่อาจทำให้ข้อมูลสูญหายที่ความเร็วกิกะบิต (1000Base-T)

Crosstalk เป็นอีกสาเหตุของการเสื่อมของสัญญาณ การใช้สายความเร็วสูงสองเส้นขนานกันจะส่งผลให้ตัวนำแต่ละตัวเหนี่ยวนำกระแสในสายอื่น ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่แย่ที่สุดสำหรับครอสทอล์ค เพื่อลดความเสี่ยงของการครอสทอล์คและการสูญเสียสัญญาณ อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับการสูญเสียอิมพีแดนซ์ หากสายสองเส้นในคู่บิดเบี้ยวถูกผลักหรือเคลื่อนออกจากตำแหน่งโดยแรงภายนอกบนสายเคเบิล จะเพิ่มครอสทอล์คระหว่างคู่ ซึ่งทำให้ความน่าเชื่อถือของสัญญาณลดลง

การรวมกันของการสูญเสียอิมพีแดนซ์และครอสทอล์ค รวมกับความต้านทานไฟฟ้าของสายเคเบิลในระยะไกล ทำให้เกิดการสูญเสียการย้อนกลับเนื่องจากการสะท้อนของสัญญาณกลับไปยังแหล่งกำเนิด แม้ว่าการส่งคืนที่คาดหวังและได้รับการชดเชยสำหรับการใช้การยกเลิกเสียงสะท้อนที่การยุติ การสูญเสียผลตอบแทนที่มากเกินไปอาจเป็นปัญหาร้ายแรงซึ่งส่งผลให้ข้อมูลสูญหายเป็นระยะ ปัญหานี้อาจวินิจฉัยได้ยากและอาจส่งผลให้มีการหยุดทำงานมากเกินไป ปัญหาอาจรุนแรงขึ้นได้ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่มีการสั่นสะเทือนสูง ซึ่งตำแหน่งของสายอีเทอร์เน็ตกำลังขยับตัวและทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงลักษณะทางไฟฟ้า ส่งผลให้เกิดปัญหาสัญญาณข้อมูลที่หายไปอย่างลึกลับเมื่อการสั่นสะเทือนหรือการเคลื่อนไหวหยุดลง

สายเคเบิลอีเทอร์เน็ตแบบเกลียวของสายไม่คลาย

ตามที่กล่าวไว้ การสูญเสียอิมพีแดนซ์ ครอสทอล์ค และการสูญเสียการย้อนกลับ ล้วนได้รับอิทธิพลอย่างมากจากระยะห่างจากศูนย์กลางถึงศูนย์กลางที่ไม่สอดคล้องกันระหว่างคู่บิดเกลียวตามความยาวของสายเคเบิล สำหรับนักออกแบบที่กำหนดเส้นทางการเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตความเร็วสูงในสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวย Belden ได้แก้ไขปัญหาด้วย 10GX สาย Ethernet แบบโมดูลาร์ CAT6 และ CAT5E สำหรับกิกะบิตอีเทอร์เน็ต

สายเคเบิลแบบเกลียวของสายไม่คลายจะรักษาศูนย์กลางระหว่างตัวนำกับตัวนำคงที่ระหว่างตัวนำคู่บิดเบี้ยวโดยเชื่อมเข้าด้วยกันทางกายภาพ ป้องกันไม่ให้แยกจากกันชั่วคราว (รูปที่ 1) สิ่งนี้ช่วยลดความเสี่ยงของการสูญเสียอิมพีแดนซ์และครอสทอล์คได้อย่างมาก

ภาพของสายตีเกลียวแบบไม่เป็นคู่และแบบเกลียวของสายไม่คลายรูปที่ 1: สายตีเกลียวแบบไม่เป็นคู่ทางด้านซ้ายสูญเสียความเป็นศูนย์กลางระหว่างตัวนำกับตัวนำเนื่องจากช่องว่างที่เกิดจากการบิดหรืองอของคู่ สายตีเกลียวแบบคู่ทางด้านขวายังคงรักษาศูนย์กลางไว้ได้ แม้จะมีแรงภายนอกก็ตาม (ที่มาของภาพ: Belden)

สายเคเบิลอีเทอร์เน็ตแบบเกลียวของสายไม่คลายของ Belden ยังใช้ตัวนำทองแดงที่เป็นของแข็งสำหรับสายตีเกลียวคู่ ซึ่งช่วยลดความต้านทานไฟฟ้า นอกจากนี้ ตัวนำทองแดงที่เป็นของแข็งยังให้พลังงานมากกว่าโดยมีการสูญเสียน้อยกว่าเมื่อเทียบกับสายทองแดงแบบเกลียวสำหรับการใช้งาน PoE นอกจากนี้ยังช่วยเพิ่มความปลอดภัยด้วยการลดความร้อนที่เกิดจากความต้านทานของสายเคเบิล

เมื่อนำมารวมกัน ช่วยลดความต้านทานไฟฟ้าของสายเคเบิล ลดการสูญเสียอิมพีแดนซ์ และลดสัญญาณรบกวนให้เหลือน้อยที่สุด ส่งผลให้ความสมบูรณ์ของข้อมูลดีขึ้นอย่างมากสำหรับกิกะบิตอีเทอร์เน็ต แม้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

สำหรับสายแพตช์อีเทอร์เน็ตแบบกิกะบิต Belden จัดเตรียม C601106010 ชุดประกอบสายเคเบิลอีเทอร์เน็ตแบบเกลียวของสายไม่คลาย 10 ฟุต (ft.) (รูปที่ 2) เป็นชุดสายเคเบิล CAT6+ ที่มีลวดทองแดงแข็ง 24 AWG แบบตีเกลียวคู่สี่คู่ ปลายสายถูกปิดด้วยปลั๊ก RJ45 พร้อมบูทอีลาสโตเมอร์ที่หล่อขึ้นรูปด้วยแจ็คเก็ตชั้นนอกโพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC) ทำให้เกิดการคลายความเครียดที่แข็งแกร่งซึ่งต้านทานการแยกตัวออกจากกัน นอกจากนี้ยังป้องกันการบิดหรือแยกออกจากคู่บิดที่ปลายสาย RJ45 รวมทั้งป้องกันน้ำและฝุ่น

รูปภาพของสายอีเทอร์เน็ต Belden C601106010รูปที่ 2: สายอีเทอร์เน็ต Belden C601106010 สิ้นสุดลงในปลั๊ก RJ45 สองปลั๊กพร้อมแถบลดความเครียดสำหรับบูตแบบอีลาสโตเมอร์ที่หล่อขึ้นรูปเหนือแจ็คเก็ต PVC เพื่อป้องกันปลายสายจากฝุ่นและความชื้น (ที่มาของภาพ: Belden)

สายเคเบิลอีเทอร์เน็ตสีน้ำเงินมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5.715 มม. (มม.) โดยทั่วไปสำหรับสายเคเบิลอีเทอร์เน็ต เนื่องจากคู่พันธะและตัวนำที่เป็นของแข็งไม่ได้เพิ่มจำนวนมากขึ้นให้กับชุดสายเคเบิล C601106010 จึงเหมาะสำหรับการใช้งานใด ๆ ที่จะเดินสายเคเบิลเชิงพาณิชย์

การประกอบสายเคเบิลมีพิกัดกระแส 1,500 แอมแปร์ (A) ต่อการสัมผัส เมื่อรวมกับอัตราความเร็วกิกะบิตแล้ว C601106010 จึงเหมาะสำหรับการใช้งาน PoE ระดับอุตสาหกรรม เช่น วิทยาการหุ่นยนต์และจุดสิ้นสุด Industrial Internet of Things (IIoT) ความต้านทานการสัมผัสสูงสุดคือ 0.020 Ω ซึ่งที่ 1.500 A สร้างความร้อนเพียง 0.300 วัตต์ ซึ่งเป็นปริมาณที่ยอมรับได้สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม

ชุดสายเคเบิล CAT6+ นี้ได้รับการจัดอันดับสำหรับการใช้งาน 1000Base-T และมีอุณหภูมิในการทำงาน -10°C ถึง +60°C ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมความเร็วสูงที่มีอุณหภูมิสุดขั้วที่กว้าง

สำหรับระยะทางที่ไกลกว่า Belden ได้ผลิต CA211106025 ชุดสายเคเบิลอีเทอร์เน็ตแบบเกลียวของสายไม่คลาย 25 ฟุต เป็นชุดสายเคเบิล CAT6a ที่มีข้อกำหนดทางไฟฟ้าพื้นฐานเหมือนกับ Belden C601106010 และการสิ้นสุดแบบเดียวกันดังแสดงในรูปที่ 2 อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสายเคเบิล CA21106025 นั้นยาวกว่า จึงไวต่อสัญญาณรบกวนจากภายนอกมากกว่า: ความเร็วกิกะบิตเหนือสายเคเบิล 25 ฟุตทำหน้าที่เป็นเสาอากาศที่สามารถรับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยรอบได้ เพื่อให้มั่นใจถึงความสมบูรณ์ของสัญญาณ CA21106025 มีแผงป้องกันด้านนอกของอะลูมิเนียมฟอยล์ ส่งผลให้มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6.731 มม. ซึ่งใหญ่กว่าสายเคเบิลทั่วไปเล็กน้อย แต่อยู่ในเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้สำหรับตัวนำสายเคเบิลและวิธีการกำหนดเส้นทางทั่วไป

ด้วยการป้องกันนี้ ชุดสายเคเบิล Belden CA21106025 ได้รับการจัดอันดับสำหรับอัตรา 10GBase-T (10 Gbits/s) ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมระดับไฮเอนด์ รวมถึงการสตรีมวิดีโอความละเอียดสูงทั่วทั้งโรงงาน

บทสรุป

Gigabit Ethernet นำอัตราข้อมูลที่สูงขึ้นมาสู่ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ด้วยอัตราข้อมูลเหล่านี้ ความเสี่ยงที่เพิ่มขึ้นของการรบกวน ครอสทอล์ค และการสูญเสียการส่งคืน ซึ่งอาจส่งผลให้มีการเชื่อมต่อข้อมูลไม่ต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานในอุตสาหกรรมที่สายเคเบิลอาจถูกดัดซ้ำหลายครั้ง ทำให้สูญเสียประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของสายเคเบิล

การใช้สายเคเบิลอีเทอร์เน็ตแบบตีเกลียวแบบคู่ซึ่งรับประกันว่าจากจุดศูนย์กลางถึงศูนย์กลางคงที่ นักออกแบบสามารถใช้ความเร็วสูงได้อย่างสะดวกสบายในระยะทางที่ไกลกว่า ในขณะที่ตรงตามข้อกำหนด PoE สำหรับการอัปเกรดเครือข่ายและการปรับใช้ใหม่

DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

About this author

Image of Bill Giovino

Bill Giovino

Bill Giovino เป็นวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ที่จบการศึกษาระดับปริญญาตรีจากมหาวิทยาลัย Syracuse และเป็นหนึ่งในไม่กี่คนที่ประสบความสำเร็จจากวิศวกรออกแบบวิศวกรแอปพลิเคชันภาคสนามไปจนถึงการตลาดด้านเทคโนโลยี

เป็นเวลากว่า 25 ปีแล้วที่ Bill มีความสุขในการส่งเสริมเทคโนโลยีใหม่ต่อหน้าผู้ชมทั้งทางเทคนิคและทางเทคนิคสำหรับหลาย ๆ บริษัท รวมถึง STMicroelectronics, Intel และ Maxim Integrated ในขณะที่ STMicroelectronics Bill ช่วยเป็นหัวหอกในความสำเร็จในช่วงแรกของ บริษัท ในอุตสาหกรรมไมโครคอนโทรลเลอร์ ที่ Infineon Bill ได้จัดเตรียมการออกแบบไมโครคอนโทรลเลอร์ตัวแรกของบริษัทที่ชนะในยานยนต์ของสหรัฐอเมริกา ในฐานะที่ปรึกษาด้านการตลาดของ CPU Technologies ของบริษัท Bill ได้ช่วยให้หลายบริษัทเปลี่ยนผลิตภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพต่ำให้กลายเป็นเรื่องราวแห่งความสำเร็จ

Bill เป็นผู้ใช้ Internet of Things ในยุคแรก ๆ รวมถึงการวางสแต็ก TCP / IP เต็มรูปแบบครั้งแรกบนไมโครคอนโทรลเลอร์ Bill ทุ่มเทให้กับข้อความ “การขายผ่านการศึกษา” และความสำคัญที่เพิ่มขึ้นของการสื่อสารที่ชัดเจนและเป็นลายลักษณ์อักษรในการโปรโมตผลิตภัณฑ์ทางออนไลน์ เขาเป็นผู้ดูแล LinkedIn Semiconductor Sales & Marketing Group ยอดนิยมและพูด B2E ได้อย่างคล่องแคล่ว

About this publisher

DigiKey's North American Editors