วิธีการตรวจสอบความสมบูรณ์ของสัญญาณกิกะบิตอีเทอร์เน็ตในการปรับใช้ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมทางไกล
Contributed By DigiKey's North American Editors
2021-10-13
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
รูปที่ 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
รูปที่ 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

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.