Cómo seleccionar el cable de datos correcto para su aplicación industrial
No todos los cables de datos son iguales. Muchos usuarios no se dan cuenta de esto hasta que experimentan interrupciones y errores en la transmisión de datos en sus aplicaciones industriales. En este artículo, aprenderá cuáles son los errores más comunes al seleccionar un cable Ethernet industrial o de bus y cómo evitarlos.
Todos los cables y conductores que contribuyen a la comunicación de alguna manera se denominan comúnmente cables de datos. Sin embargo, hay diferencias significativas, como las estructuras completamente diferentes de los cables de cobre y fibra óptica. Los cables de datos de cobre vienen en muchos tipos diferentes, como cables de baja frecuencia, coaxiales, telefónicos y de bus, diversos sistemas Ethernet, o cables de microondas para aplicaciones especiales que requieren transmisión en el rango de gigahercios. Seleccionar el cable incorrecto puede llevar rápidamente a costosas interrupciones y errores.
En general, los cables de datos son cables de baja capacitancia. Esto significa que se acumula la menor cantidad posible de energía eléctrica en el cable al transferir datos. Esta energía eléctrica tiene un impacto negativo en la calidad de la señal. La capacidad depende en parte del material de aislamiento del cable. Los cables modernos de bus y Ethernet utilizan principalmente materiales como PE o PP, que proporcionan un muy buen aislamiento, el cual queda determinada midiendo la constante dieléctrica (εr). Cuanto menor sea este valor, mejor será el material para aislar y menor será la capacidad del cable. Es por eso que se puede usar un aislamiento más delgado cuando se utiliza la misma resistencia dieléctrica.
Figura 1: Tabla de comparación de materiales de aislamiento
La transmisión de datos adecuada se logra a través de la correcta construcción del cable. Un conductor sólido, que sea perfectamente redondo y tenga un diámetro uniforme, ofrece el mejor rendimiento eléctrico. Para los cables Ethernet industriales y de bus, se prefiere la construcción de acuerdo con el AWG, ya que esta construcción flexible resulta en un conductor redondo. Los cables métricos no son adecuados para esta aplicación, ya que tienen una construcción agrupada y no son redondos. Esto deriva en capacidades variables que perjudican gravemente la transmisión de datos de alta frecuencia.
Errores comunes al seleccionar cables Ethernet industriales y de bus
a) Cables de baja frecuencia para aplicaciones de alta frecuencia
Seleccionar cables de baja frecuencia para conexiones Ethernet de alta frecuencia es una causa común de fallos en la transmisión de datos. Estos cables también son de baja capacidad, pero exhiben una impedancia característica que es diferente a la requerida por el estándar Ethernet. Esto resulta en un desfase o una discontinuidad. En los cables de datos de baja frecuencia, todos los pares están dispuestos en hebras paralelas. Esto significa que los cuatro “lay lengths” o longitudes de paso son las mismas. Los cables Ethernet utilizados en aplicaciones de alta frecuencia también deben estar óptimamente desacoplados. Esto se logra utilizando cuatro longitudes de paso diferentes, que se miden individualmente. Las posiciones de los pares trenzados dentro de la construcción general también deben tenerse en cuenta.
b) Par trenzado clásico en lugar de "star quad"
Muchos estándares de comunicación industrial, como PROFInet, EtherCAT o SERCOS III, utilizan cables con dos pares trenzados, donde el trenzado se distribuye en lo que se llama “Star quad” que es lo ideal para la transmisión de datos. Aquí, los cuatro conductores están trenzados en una forma perfectamente redonda. El beneficio de esto es que no conduce a diferencias en el tiempo de tránsito. Esto difiere de los pares trenzados clásicos, donde los pares trenzados individuales deben tener dos longitudes de paso o “lay lengths” diferentes debido al desacoplamiento requerido. Si se utiliza el cable de par trenzado incorrecto, podría llevar a problemas en la transmisión y los tiempos de tránsito.
Figura 3: Par trenzado clásico vs Star Quad
En la distribución de Star quad, los conductores que están diagonalmente opuestos forman el par eléctrico. Si se ignora esta regla al conectar el cable, la característica impedancia y el valor del NEXT (Near-end Crosstalk) del cable cambian, lo que también puede reducir la calidad de la transmisión; el valor de NEXT indica la capacidad de un par para resistir una interferencia provocada por otro par medida en el extremo emisor. La diafonía surge a partir de los campos electromagnéticos que se producen como resultado de la transmisión de una señal inducida en el otro par del cable. En este caso, incluso los cables de sensor apantallados de cuatro núcleos no son adecuados para su uso como cables industriales de Ethernet o bus de alta frecuencia, a pesar de que su construcción pueda parecer compatible a simple vista. La diferencia es que la resistencia del aislamiento de los conductores no está diseñada para Ethernet, y la distribución no es perfectamente redonda en su construcción. Esto da como resultado un cable que funciona inadecuadamente debido a unos valores de impedancia, NEXT y atenuación del cable no adecuadas.
c) Cables demasiado largos o de diámetro demasiado pequeño
Otro ejemplo clásico son los segmentos que son demasiado largos. Según el estándar Ethernet, se debe usar un repetidor después de un máximo de 100 metros de longitud. Este recibe la señal débil y la transmite nuevamente con plena fuerza. En la práctica, se pueden encontrar segmentos con longitudes superiores a 100 metros; sin embargo, estos no cumplen con los estándares aplicables. En estos casos, el aumento de las temperaturas, el envejecimiento y otros factores podrían llevar rápidamente a defectos o fallos. Los cables más delgados con diámetros AWG 26 están limitados a 60-70 metros. Es importante recordar que cada conector es una unión que causa pérdida por atenuación y reflexión, lo que reduce el alcance.
d) Conector incorrecto
Es común que se utilicen conectores no estándar y no probados en aplicaciones Ethernet, como conectores D-Sub o M12, que están codificados con A y tienen un diseño de 8 pines. Estos conectores transmiten datos, sin embargo, la calidad se reduce significativamente debido a un valor NEXT menor. La razón de esto es la posición del pin central, que no cumple con los estándares y obstaculiza la transmisión de datos.
Figura 4: Diferentes tipos de conexiones
De acuerdo a los estándares Ethernet, los conectores adecuados para la emisión de datos son los siguientes conectores apantallados:
- RJ45 4-pin (100 Mbit 4-pin)
- RJ45 8-pin (Gbit 8-pin)
- D-coded M8 & M12 (100 Mbit)
- A-coded M8 4-pin (100 Mbit)
- P-coded M12 (100 Mbit)
- X-coded M12 (Gbit)
- Ix Industrial (Gbit)
- Mini-IO
- SPE (Single Pair Ethernet)
Además, existen diversos estándares como PROFInet, EtherCAT o SPE (Single Pair Ethernet) que pueden transmitir datos y energía en un solo conector híbrido. Estos cumplen con normas IEC, han sido evaluados por las organizaciones pertinentes o están en proceso de estandarización.
Conectores híbridos Ethernet estandarizados:
- M8 SPE acc. to IEC 63171-6
- M12 SPE acc. to IEC 63171-7
- Y-coded M12 acc. to IEC 61076-2-113
- M23 acc. to IEC 61076-2-117
- RJ45 Hybrid acc. to IEC 61076-3-106
- Ix Industrial acc. to IEC 61076-3-124
Algunos fabricantes de conectores tienen soluciones híbridas en sus portafolios que no están estandarizadas, pero han sido probadas y evaluadas para cumplir con la normativa Ethernet. Como principio básico, se sugiere siempre elegir conectores Ethernet estandarizados y evaluados.
Idea general
A la hora de seleccionar cables de datos para aplicaciones industriales, los usuarios deben adherirse a las normas adecuadas para evitar fallos y malfuncionamientos. También deben prestar atención a las longitudes de los cables, el tipo de conexión de los conectores y los diferentes diámetros de los cables de instalación y auxiliares. Además, el envejecimiento de los componentes individuales puede, a largo plazo, reducir la calidad de la transmisión y causar interrupciones. Con 45 años de experiencia, HELUKABEL es un experto en tecnología de conexión y está encantado de apoyar a los usuarios en la identificación de los cables Ethernet o de bus industriales adecuados para cada aplicación industrial.
By URKUNDE, 27-06-2024