Quale Ethernet in fabbrica?

APPLICAZIONI –

Il protocollo Ethernet si va sempre più diffondendo anche nell’ambito produttivo, ma un ambiente aggressivo impone l’uso di cavi adatti alle condizioni specifiche.


A
ttualmente, Ethernet è lo standard per le reti locali più installato. È stato sviluppato per ambienti d'ufficio e laboratori, che sono stati serviti con successo e sicurezza per oltre trent'anni. Solo negli ultimi anni Ethernet è entrato nel mondo industriale, principalmente per applicazioni di controllo e automazione.
Ma i due ambienti non potrebbero differire di più, specie se si considera lo stress indotto su un sistema di cablaggio per Ethernet. Il tipico ambiente d'ufficio è, per il cablaggio, una sorta di approdo sicuro, ma il mondo industriale può presentare condizioni operative severe e rischiose, con ciò intendendo che c'è un rischio reale nell'installare prodotti di cablaggio “commerciale” nel paesaggio industriale.
Il fatto è che un cavo di Categoria 5E UTP di tipo commerciale è alquanto fragile, comparato con uno di tipo industriale. Con il primo, qualsiasi tipo di stress o rischio in ambiente industriale può trasformarsi in uno dei classici modelli di problemi: catastrofe, funzionamento intermittente, incremento di difetti e degradamento delle prestazioni. Il risultato potrebbe essere una perdita di dati, un'interruzione di processo o una caduta nel livello di sicurezza delle operazioni. C'è un modo migliore - con cavi progettati specificatamente per l'ambiente industriale: la serie Belden DataTuff Industrial Ethernet.

Perché il cavo commerciale non è adatto?
In ambiente industriale, i cavi Ethernet sono normalmente impiegati per trasferire segnali tra apparati, in modo che si verifichino eventi programmati. Il tempo è la chiave e non ci sono margini di errore. Per contro, in ambiente ufficio ritrasmissioni di segnali sono normalmente accettabili quando c'è un problema. L'ambiente è più indulgente. Un'altra importante differenza tra le due tipologie è che, a differenza dell'ufficio, le strutture industriali sono costantemente un ambito severo o estremo. Per esempio:
Il freddo estremo può rendere un cavo rigido e fragile, con temperature elevate può degradarsi la plastica utilizzata per la costruzione del cavo. L'attenuazione del segnale in un normale cavo da interno può crescere dello 0,4% per grado Celsius al di sopra di 20 °C. A 60 °C l'attenuazione potrebbe essere cresciuta del 16%.
Solventi e altri composti chimici forti, come i lubrificanti, potrebbero essere impiegati su un pavimento di un ambiente produttivo. I lubrificanti a base di petrolio possono penetrare all'interno dei cavi per ufficio, specialmente in ambiente caldi, causando rigonfiamento della guaina, che perde le sue proprietà meccaniche.
Quando i cavi da interno vengono sottoposti a radiazioni UV alla luce solare, la guaina plastica esterna può decomporsi a un ritmo accelerato, perdendo le sue qualità meccaniche. Ciò può limitare la vita utile del cavo. La maggior parte dei cavi commerciali di Categoria 5E non sono progettati per uso all'esterno.
I cavi di un ambiente industriale sono facilmente sottoposti a forti trazioni (oltre a quelle dovute al processo d'installazione iniziale); può essere necessario rimuoverli se l'apparato viene spostato. Tirare un cavo UTP di tipo commerciale con forza eccessiva provocherà il suo stiramento. L'elongazione può accrescere l'attenuazione, limitando la distanza operativa del cavo. E, a differenza della tecnologia Belden® Bonded-pair (che incolla l'isolamento dei conduttori delle coppie del cavo per tutta la sua lunghezza), le coppie twistate tradizionali si possono aprire, cambiando la spaziatura tra i conduttori. Lo sbilanciamento risultante può indurre accoppiamento tra le coppie (per esempio, diafonia), eco di segnale (return loss) e incrementare la suscettibilità in ambienti EMI/RFI.

Considerare i costi reali dei difetti del cavo
Se un sistema di cablaggio Ethernet funziona male in un ambiente industriale, il costo reale è tipicamente superiore al solo costo di sostituzione del cablaggio, Difatti, il costo del cablaggio in sé è solo una piccola frazione del costo dell'intera rete.
Il costo reale può essere maggiore, in ragione di questi fattori:
Una perdita di guadagni a causa di interruzioni non pianificate. Il costo del fermo macchine in una fabbrica di automobili è stato stimato in $ 10.000 per ora. Per una cartiera di grandi dimensioni diventa $ 30.000 all'ora e per un oleodotto è $ 25.000 per ora.
Una serie di ritrasmissioni, se le prestazioni sono intermittenti
Perdita di sicurezza per i lavoratori. Quale costo un'azienda è disposta a pagare , in termini di responsabilità, se viene adottato un cavo non adatto per un'applicazione critica per la sicurezza? Con un'ampia perdita potenziale di guadagno in gioco, è importante scegliere fin dall'inizio un cavo progettato per un ambiente industriale.

Comparare cablaggio commerciale e industriale
Belden ha eseguito verifiche intensive per comparare le prestazioni fisiche ed elettriche dei cavi per interni con quelli industriali. I risultati di ogni prova indicano chiaramente perché un cavo di tipo commerciale non è adatto per un'ampia varietà di condizioni estreme che possono verificarsi in ambiente industriale.
Per condurre questi test, Belden ha usato apparati d'avanguardia e software proprietari. È importante notare che tutti i cavi collaudati per questo studio sono stati inizialmente verificati come pienamente confacenti agli standard TIA/EIA di Categoria 5E; cioè sono stati validati per essere “buoni” quando le prove sono iniziate.

ABRASIONE
Descrizione della prova:
In questa prova a temperatura ambiente, la superficie di un cilindro fisso viene rivestita di carta abrasiva e i cavi vengono tirati avanti e indietro ciclicamente su una porzione della circonferenza, con il cavo guidato ad un estremo da un apposito braccio meccanico, mentre all'altro estremo viene applicato un peso sospeso, per metterlo in tensione. I cicli di abrasione vengono conteggiati da un contatore.
Cavo commerciale:
Dopo 25 cicli, i conduttori di tale cavo si scorgono attraverso aperture nella guaina. In parole povere, a causa delle abrasioni dovute ai 25 sfregamenti sul cilindro, questo cavo comincia a perdere l'integrità meccanica ed elettrica.
Cavo industriale:
È stato testato il cavo Belden DataTuff Industrial Ethernet 121700A - un cavo armato. L'integrità meccanica ed elettrica del cavo non viene compromessa.
Cosa dicono i risultati:
Se la guaina di un cavo da interno è compromessa da abrasione, il cavo può ancora essere in grado di trasmettere, ma non sarà sicuramente stabile nel lungo termine. Eventualmente, può verificarsi un corto circuito o un arco elettrico, generando problemi di sicurezza. I cavi Data Tuff resistono più a lungo dei cavi commerciali in ambienti dove l'abrasione della guaina è un rischio.

IMPATTO DEL FREDDO
Descrizione della prova:
Seguendo le prescrizioni della normativa UL 444, un peso di alluminio viene fatto cadere sul segmento di cavo in prova, che è stato preventivamente raffreddato. La forza d'impatto è di 2,7 joule e vengono eseguite 10 verifiche a temperature sempre più basse. Il meccanismo di guasto è simile a quello della prova di abrasione (e a quello di curvatura a freddo), per cui l'integrità della guaina viene meno, permettendo l'ingresso nel cavo di composti chimici e umidità. Ciò può portare a contatti tra i conduttori e tra i conduttori e oggetti metallici presenti nell'ambiente. Potrebbero esserci gravi problemi per le prestazioni elettriche.
Cavo commerciale:
Il cavo collassa a -20 °C.
Cavo industriale:
La guaina del cavo 7928A, adatta per temperatura basse o elevate, si rompe a -70 °C.
Cosa dicono i risultati:
Nell'ambiente industriale, le basse temperature possono a volte combinarsi con shock meccanici o collisioni, danneggiando la guaina del cavo. Il cavo commerciale, costruito per sopportare stress relativamente leggeri, è semplicemente non adatto per resistere all'impatto del freddo, perché diventa suscettibile di rottura.

CURVATURA A FREDDO
Descrizione della prova:
Sempre seguendo la normativa UL 444, campioni di cavo sono posti in una “camera fredda”, con temperatura e umidità controllata. Ci rimangono per un'ora, per venire condizionati dalle condizioni climatiche (vengono testati a -80 °C, -60 °C e -40 °C). Poi vengono parzialmente avvolti su un cilindro orizzontale di circa 8 centimetri di diametro, con un estremo del cavo sotto tensione per mezzo di un peso in alluminio. Vengono immediatamente srotolati e ispezionati a vista, per riscontrare rotture sulla guaina.
Cavo commerciale:
L'esposizione a queste temperature rende la guaina del cavo commerciale fragile e incrinabile.
Cavo industriale:
Il cavo 7928A è stato mantenuto a -80 °C e curvato senza rotture nella guaina.
Cosa dicono i risultati:
I cavi di tipo commerciale sono ideali per gli ambienti climatizzati degli uffici, ma diventano fragili se esposti a temperature basse. In questo test, i tecnici di Belden non sono riusciti a trovare una temperatura tanto bassa da far rompere la guaina del loro cavo.

SCHIACCIAMENTO
Descrizione della prova:
Una testa Instrom supporta una piastra di (5 x 5) centimetri, da far cadere su un segmento di cavo per schiacciarlo - con guasto definito come il punto in cui il cavo non può più supportare le applicazioni della Categoria 5E. Per realizzare la prova, il cavo viene collegato agli apparati di test, per misurarne le caratteristiche elettriche, come return loss e impedenza; la pressione di schiacciamento viene aumentata gradualmente, a temperatura ambiente. I criteri di misura sono quelli citati dallo standard TIA/EIA per la Categoria 5E.
Cavo commerciale:
Un cavo commerciale con guaina in PVC diventa piatto e non ritorna alla sua forma originale. Cessa di funzionare con una forza applicata di 180 chilogrammi circa.
Cavo industriale:
Per contro, il valore di blocco del cavo armato 121700A è di oltre una tonnellata.
Cosa dicono i risultati:
A volte capita che il cavo venga calpestato, o che ci passi sopra un veicolo, o che ci venga applicata in qualche modo un forza comprimente. Un cavo commerciale avrà le prestazioni degradate o cesserà di funzionare, mentre un cavo industriale, specie se armato, potrà sopportare forze di schiacciamento superiori e continuare ad operare.

TRANCIATURA
Descrizione della prova:
Basandosi sullo standard CSA # 22.2, uno scalpello viene fatto cadere in maniera controllata su uno spezzone di cavo. Questa prova rileva la suscettibilità di un cavo ad avere i conduttori esposti dopo un taglio; che si collega direttamente alla vulnerabilità del cavo ai corto circuiti e, quindi, alla sicurezza. In pratica, un cavo viene attraversato dallo scalpello nel punto in cui viene avvertito un corto circuito attraverso i conduttori (per mezzo di un'apposita struttura), eseguendo un semplice test di continuità.
Cavo commerciale:
I cavi esaminati hanno resistito al massimo ad una forza di circa 42 chilogrammi.
Cavo industriale:
Sono stati testati diversi tipi di cavi Data Tuff non armati, con i seguenti risultati: 7923A oltre 90 chili; 11700A più di 150 chili. E il cavo armato 121700A è arrivato allo stesso risultato per la sola foratura dell'armatura, mentre i conduttori sono stati troncati applicando oltre 470 chili.
Cosa dicono i risultati:
È necessario applicare molta più forza per forare un cavo industriale armato rispetto ad uno commerciale. E se un cavo commerciale è avvolto attorno a qualcosa di tagliente, è sufficiente applicare una forza di 40 chili per danneggiare funzionalmente il cavo. Una volta successo questo, tutta la rete è nella stessa situazione.

TEMPERATURA ELEVATA
Descrizione della prova:
Per questa prova si sono poste le bobine di cavo, sospese a un mandrino, in un forno ad alta temperatura. Una prima prova, relativa all'attenuazione del segnale, è stata effettuata a temperatura ambiente (20 °C); una seconda è stata fatta dopo esposizione a 60 °C.
Cavo commerciale:
Il cavo commerciale ha funzionato in modo accettabile a temperatura ambiente, ma, a 60 °C, l'attenuazione è cresciuta in modo tale da non poter supportare una distanza di trasmissione di 100 metri.
Cavo industriale:
Anche dopo l'esposizione a 60 °C il cavo ha continuato a supportare la distanza massima.
Cosa dicono i risultati:
In aree con temperature elevate, o posizionate vicino a sorgenti di calore, un cavo commerciale non sarà in grado di mantenere un grado accettabile di prestazioni.

RESISTENZA AGLI OLI
Descrizione della prova:
Seguendo la norma UL 1277, spezzoni di cavo vengono immersi in un contenitore d'olio, per poi essere posti in un bagno d'acqua, posto in un locale mantenuto a 125 °C per 60 giorni.
Dopo tale trattamento, si sono valutate le proprietà di trazione e allungamento delle guaine.
Cavo commerciale:
L'esposizione agli oli può rendere la guaina friabile e fragile, anche a temperatura ambiente, con un decadimento delle proprietà meccaniche. In altri termini, la vita utile del cavo può essere diminuita a causa dell'esposizione all'olio, anche in condizioni normali di temperatura. Se il cavo commerciale viene esposto abbastanza a lungo all'olio e a temperature elevate, la sua guaina può gonfiarsi, fare bolle e, anche, aprirsi. Durante questo processo, la geometria del cavo cambia e con essa la costante dielettrica e le relative proprietà elettriche.
Cavo industriale:
I materiali e lo spessore della guaina dei cavi Data Tuff sono appropriati per permettere l'esposizione agli oli e alle temperature elevate.
Cosa dicono i risultati:
Con i cavi commerciali sono possibili corto circuiti e guasti, con conseguente perdita di comunicazione. Quando la scarsa consistenza della guaina, dovuta agli oli, si combina ad uno schiacciamento o ad un impatto - eventi non rari in un ambito industriale - un cavo fragile non offre resistenza al danneggiamento.

ESPOSIZIONE AI RAGGI UV
Descrizione della prova:
Viene applicata la procedura di verifica ASTM G 154, relativa all'esposizione ai raggi ultravioletti. Spezzoni di cavo vengono fissati a pannelli, montati in modo di essere rivolti a una sorgente luminosa UV, che replica l'intensità della luce solare; l'esposizione dura 30 giorni. Dopo la rimozione dal supporto, i cavi vengono controllati per quanto riguarda lo scolorimento, mentre la guaina viene stata sottoposta a prove di resistenza allo stiramento e di elongazione.
Cavo commerciale:
La maggior parte dei cavi per ambiente commerciale non è resistente alla luce solare, per cui il primo sintomo di eccessiva esposizione al sole è la decolorazione. Che è anche l'anticipazione della degradazione del materiale plastico della guaina. Quando questa comincia a decomporsi, le sue proprietà meccaniche sono ormai compromesse, incluse l'elongazione e la resistenza alla tensione. Quando la guaina si apre, il cavo diventa permeabile all'acqua e all'umidità; la situazione peggiora ulteriormente quando una guaina già danneggiata dagli UV viene simultaneamente stressata da abrasioni, schiacciamenti, etc.
Cavo industriale:
I cavi Data Tuff hanno un'ampia gamma di guaine resistenti ai raggi ultravioletti.
Cosa dicono i risultati:
In ambiente industriale con presenza di radiazioni UV, è importante usare cavi con guaine che resistano ai danni da radiazione. Questo è particolarmente critico quando il cavo avrà applicazioni in esterno, o sarà collocata vicino a finestre o altre sorgenti UV.

IMMERSIONE IN ACQUA
Descrizione della prova:
Le proprietà elettriche del cavo vengono misurate prima e dopo essere stato immerso in acqua, dove rimane per 6 mesi.
Cavo commerciale:
Dopo sei mesi di trattamento, questo cavo non ha più le proprietà originarie; in particolare, l'attenuazione è sensibilmente aumentata.
Cavo industriale:
Il cavo 7934A dopo sei mesi di immersione mostra solo un leggero incremento dell'attenuazione, mentre i requisiti della categoria 5E vengono mantenuti.
Cosa dicono i risultati:
L'acqua può penetrare la guaina di un cavo di tipo commerciale attraverso zone permeabili della guaina stessa o attraverso microfratture. Quando questo avviene, la costante dielettrica può cambiare abbastanza da degradare l'attenuazione. In alcuni casi, i conduttori del cavo possono andare in corto circuito, ma prima che ciò accada la comunicazione dovrebbe cadere. Questo effetto è insidioso, perché si sviluppa nel tempo e anche se il cavo inizialmente funziona bene.
Nell'ambiente controllato degli uffici, l'umidità non è un problema. Ma non è così in molte applicazioni industriali, come quelle in cui il cavo è installato in un serbatoio, posto in passerelle, o esposto alla pioggia o all'acqua in modo continuo. Per cui è necessario adottare un cavo di tipo industriale. In più, i cavi industriali vengono richiesti per applicazioni dove devono essere direttamente interrati.
Cavi Ethernet sono comuni nell'ambito dei trasporti, come pure in quelli ferroviario e metropolitano. L'umidità è normale in tutte queste situazioni e solo un apposito cavo industriale è accettabile.

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