Кабели для промышленных сетей

Основной частью кабеля для промышленных сетей является "витая пара" проводов. В свитых проводах магнитные поля соседних витков компенсируют друг друга, и чем ближе находятся витки, тем эффективнее компенсация. Поэтому одним из важных параметров витой пары является количество витков на метр длины, а также равномерность шага скручивания по длине кабеля. Отметим, что хорошая компенсация магнитной составляющей электромагнитного поля достигается только при условии, если сигналы в обеих жилах кабеля симметричны относительно некоторого условно нулевого уровня, когда величины производных тока по времени одинаковы. Это условие выполняется при использовании передатчиков с симметричным дифференциальным выходом.

В одном кабеле могут находиться несколько витых пар, покрытых общей защитной оболочкой. Оболочка предохраняет кабель от механических повреждений и повышает напряжение изоляции жил относительно внешних проводников.

Для уменьшения влияния внешних электромагнитных полей на кабель используется экранирование. Экранированы могут быть отдельные жилы кабеля, витые пары или весь кабель. Используются также различные комбинации перечисленных вариантов. По международному стандарту EIA/TIA 568 экранированная витая пара обозначается как STP (Shielded Twisted Pair), неэкранированная - UTP (Unshielded Twisted Pair).

Экран может быть плетеным, из медных проволок, или сплошной, из алюминиевой фольги, которая ламинируется полиэстерной или полипропиленовой пленкой. Плетеный экран обеспечивает меньшую степень защиты на высоких частотах, где играет роль площадь просветов в экране, достигающая 10...40%. При изготовлении сплошного экрана контакт к экрану выполняется с помощью медной проволоки, проложенной вдоль всей длины кабеля и контактирующей с алюминиевой фольгой. Недостатком алюминиевого экрана является большое сопротивление. Поэтому используют комбинированное экранирование, сочетающее плетеный и сплошной экран в разных вариантах. Оно обеспечивает одновременно низкое сопротивление и хорошее экранирование на высоких частотах. Подробнее об использовании экранов см. раздел "Защита от помех".

Табл. 2.19. Стандартные значения параметра NEXT для кабелей разных категорий
Частота, МГц	Параметр NEXT
Категория 3	Категория 4	Категория 5
0,150	-54	-68	-74
0,772	-43	-58	-64
1,0	-41	-56	-62
4,0	-32	-47	-53
8,0	-28	-42	-48
10,0	-26	-41	-47
16,0	-23	-38	-44
20,0	-	-36	-42
25,0	-	-	-41
31,25	-	-	-40
32,5	-	-	-35
100,0	-	-	-32

В кабеле, состоящем из нескольких витых пар, наблюдается наводка сигнала из одной витой пары в другую за счет явления электромагнитной индукции и емкостной связи. Для контроля уровня наводок используют параметры NEXT, FEXT, ELFEXT иACR. Параметр NEXT (Near-End crossTalk) измеряется как отношение наведенного напряжения на одной витой паре к амплитуде напряжения, приложенного к другой витой паре на одном и том же конце кабеля. Чем меньше значение этого параметра (чем больше его модуль в дБ), тем лучше кабель. NEXT играет важную роль при одновременной передаче сигналов в кабеле в противоположных направлениях, поскольку ослабленный сигнал, прошедший по кабелю, может оказаться более слабым, чем наводка из соседней витой пары. В табл. 2.19 приведены стандартные значения параметра NEXT для кабелей разных категорий.

При передаче двух сигналов по двум соседним витым парам в кабеле важен параметр FEXT (Far-End Crosstalk), который измеряется как отношение напряжения между выводами витой пары на одном конце кабеля к приложенному напряжению к другой витой паре на противоположном конце кабеля. Вместо параметра FEXT часто используют ELFEXT (Eequal-Level Far-End crosstalk), который не зависит от длины кабеля и используется в процедуре сертификации кабелей.

Для оценки качества кабелей используется также параметр ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio), который рассчитывается как отношение коэффициента ослабления (затухания) к значению параметра NEXT. При ACR=1 (0 дБ) напряжение, наведенного из соседней пары, равно напряжению полезного сигнала в кабеле.

Волновое сопротивление идеального кабеля не зависит от частоты. Однако в реальности частотная зависимость имеется и определяется частотной зависимостью диэлектрической проницаемости материала изолятора и технологической неоднородностью кабеля по его длине. Стандарт TIA/EIA 568-A требует, чтобы разброс волнового сопротивления кабеля находился в пределах от 85 до 115 Ом (100 Ом ±15%) для кабелей 3, 4 и 5 категории.

Омическое сопротивление типового кабеля сечением 0,33 кв.мм. составляет 56 Ом/км. На низких частотах это сопротивление определяет максимальную дальность передачи сигнала по кабелю. На высоких частотах начинает играть роль емкостное сопротивление между жалами кабеля, которое является основной причиной ослабления (затухания) сигнала, передаваемого по кабелю. В табл. 2.20 приведены значения затухания для кабелей 3, 4 и 5 категории при температуре +20 ˚С и длине кабеля 305 м.

Табл. 2.20. Зависимость коэффициента затухания кабелей от частоты
Частота, МГц	Коэффициент затухания, дБ/100 м
Категория 3	Категория 4	Категория 5
0,064	2,8	2,3	2,2
0,256	4,0	3,4	3,2
0,512	5,6	4,6	4,5
0,772	6,8	5,7	5,5
1,0	7,8	6,5	6,3
4,0
8,0
10,0
16,0
20,0	-
25,0	-	-
31,25	-	-
62,5	-	-
	-	-

Погонная емкость кабеля определяется расстоянием между проводниками, диаметром проводников и материалом изоляции. Для типовых кабелей ее значение составляет от 20 до 100 пФ/м. Для уменьшения емкости в качестве диэлектрика используют вспененный полиэтилен, который позволяет в 2...3 раза снизить погонную емкость и в 1,5...2,5 раза коэффициент затухания по сравнению с поливинилхлоридной (ПВХ) изоляцией [Кузнецов].

Индуктивность проводников кабеля определяется их диаметром и для проводника сечением 0,33 кв.мм. составляет около 100 мкГн/м.

Для кабелей, используемых вне помещений, важным параметром является минимальная рабочая температура, которая для типовых кабелей составляет -30 ºС, для специальных морозостойких кабелей нижнее значение может составлять -60 ºС. Материалом изоляции определяется также возможность использования кабеля во взрывопожароопасных зонах, где ПУЭ*запрещает применять кабели в полиэтиленовой оболочке.

Параметры кабеля определяют надежность и дальность передачи информации. С ростом скорости передачи требования к кабелю и его стоимость возрастают. В зависимости от диапазона частот по стандарту EIA/TIA 568 кабели делятся на категории:

o категория 1 - кабель из не витой пары проводов для передачи речи. Имеет наихудшие характеристики и не используется для передачи данных;

o категория 2 - кабель для передачи данных в полосе частот до 1 МГц;

o категория 3 - кабель для передачи данных в полосе частот до 16 МГц. Состоит из витых пар с 9-ю витками на метр длины. Имеет волновое сопротивление 100 Ом. Наиболее распространен в настоящее время;

o категория 4 - кабель для передачи данных в полосе частот до 20 МГц. Мало отличается от категории 3 и поэтому стандартом рекомендуется при необходимости переходить с категории 3 сразу на категорию 5, минуя 4;

o категория 5 - кабель для передачи данных в полосе частот до 100 МГц. Имеет 27 витков на метр длины и волновое сопротивление 100 Ом;

o категория 5е (здесь "e" - от слова "enhanced' - "улучшенный") - отличается от категории 5, но имеет большее количество витков на метр длины и лучший параметр NEXT.

o категория 6 - кабель для передачи данных в полосе частот до 200 МГц;

o категория 7 - кабель для передачи данных в полосе частот до 600 МГц.

Табл. 2.21. Расшифровка параметра AWG
Обозначение: AWG	Диаметр, мм	Сечение, мм2	Сопротивление, Ом/км	Номинальный ток (из расчета 3А/мм2
	0,09	0,0064		19 мА
	0,1	0,0078		24 мА
	0,11	0,0095		28 мА
	0,13	0,013		40 мА
	0,14	0,015		45 мА
	0,16	0,02		60 мА
	0,18	0,026		75 мА
	0,2	0,031		93 мА
	0,25	0,049		147 мА
	0,3	0,071		212 мА
	0,35	0,096		288 мА
	0,4	0,13		378 мА
	0,45	0,16		477 мА
	0,5	0,2	87,5	588 мА
	0,65	0,33	51,7	1,0 A
	0,8	0,50	34,1	1,51 A
	0,9	0,64	26,9	1,91 A
		0,78	21,9	2,36 A
	1,3	1,3		3,97 A
	1,6		8,54	6,0 A
	1,8	2,6	6,76	7,6 A

В настоящее время действует международный стандарт на кабели ISO/IEC IS 11801 (International Organization for Standardization/International Engineering Consortium), в Европе действует стандарт Cenelec EN 50173; в США - стандарт EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard), принятый в 1995 году и заменивший все действовавшие ранее фирменные стандарты. В России чаще всего используют термины и обозначения американского стандарта.

При рассмотрении отражений от концов кабеля (см. раздел Согласование линий с передатчиком и приемником") важным параметром является скорость распространения электромагнитной волны в кабеле (NVP - Nominal Velocity of Propagation), которая описывается в виде доли от скорости света. Например, NVP=0,65 означает, что скорость распространения электромагнитной волны в кабеле составляет 0,65 от скорости света в вакууме. При NVP=0,65 задержка распространения электрического импульса в кабеле составляет 5,13 нс на метр длины. Типовые значения задержки для разных кабелей составляют от 4,4 до 5 нс/м.

Для импортных кабелей площадь поперечного сечения проводников указывается не в кв.мм., а в условных единицах AWG(American Wire Gauge standard). В табл. 2.21 приведена связь единиц AWG с площадью поперечного сечения.

2.13. Заключение к главе "Промышленные сети и интерфейсы"

Наиболее простым и наиболее распространенным в мире и России сетевым протоколом является Modbus, популярность которого объясняется простотой как для разработчиков, так и потребителей, а также низкой стоимостью реализации.

Наиболее продуманным, универсальным и многообещающим протоколом является CAN, однако высокая стоимость и сложность мешают его быстрому распространению.

Очень эффективным и широко применяемым протоколом является Profibus, однако его распространенность объясняется, в первую очередь, мощным брендом "Siemens".

Широкую популярность в России имеет частнофирменный протокол DCON, что связано, в первую очередь, с низкой ценой на продукцию из Юго-Восточной Азии, а также с предельной простой протокола.

Беспроводные сети, несмотря на свою привлекательность, имеют очень большое количество трудноразрешимых проблем, поэтому их применение в промышленной автоматизации должно основываться на детальном анализе задачи и тщательной оценке всех преимуществ и недостатков беспроводных сетей для конкретного применения.

* ПУЭ - правила устройства электроустановок, установленные Министерством энергетики РФ.