Fieldbus Cable Suppliers

Come i parametri elettrici dei cavi Fieldbus sono definiti dal protocollo e perché non possono essere liberamente sostituiti

I cavi fieldbus non sono cavi di segnale generici con un'etichetta fieldbus: ciascun protocollo fieldbus principale definisce una specifica elettrica precisa per il proprio cavo di livello fisico e l'impedenza caratteristica del cavo, la capacità per unità di lunghezza e l'attenuazione alla frequenza del segnale sono parametri portanti nel modello di trasmissione del protocollo. La sostituzione di un cavo che non soddisfa questi parametri modifica il comportamento di riflessione del segnale, la lunghezza massima del segmento di rete e, in alcuni protocolli, il numero consentito di dispositivi collegati, spesso senza alcun guasto immediatamente evidente, ma con margini di rumore degradati che si manifestano come errori di comunicazione intermittenti in condizioni di disturbo elettrico.

Profibus DP, il bus di campo più utilizzato nell'automazione di processo e di fabbrica, definisce il suo cavo di livello fisico nella norma IEC 61158-2 e nella specifica Profibus PA. Il cavo standard (Tipo A) è specificato con un'impedenza caratteristica di 135–165 Ω a frequenze superiori a 100 kHz, una capacità inferiore a 30 pF/m, una resistenza del circuito inferiore a 110 Ω/km e un'attenuazione inferiore a 3 dB/100 m a 100 kHz. Questi parametri sono interdipendenti: un cavo con impedenza corretta ma capacità eccessiva terminerà correttamente le riflessioni sulle connessioni dei nodi ma causerà un eccessivo degrado del segnale su segmenti lunghi, riducendo la lunghezza massima effettiva del segmento al di sotto dei 1.200 m specificati nello standard. Un cavo con capacità corretta ma bassa impedenza causerà riflessioni su ogni connessione stub passiva che si sovrapporrà al segnale dati, aumentando il tasso di errore in particolare al baud rate massimo di 12 Mbps.

Il motivo per cui l'impedenza caratteristica è specificata in modo così preciso per i cavi bus di campo si riferisce alle connessioni derivate. In un segmento Profibus o DeviceNet, i dispositivi sono collegati tramite brevi stub che si diramano dalla rete principale cavo dell'autobus . In corrispondenza di ciascun punto di connessione dello stub, il cavo bus presenta una discontinuità di impedenza parallela. Se l'impedenza del cavo bus rientra nelle specifiche, la discontinuità creata dallo stub è piccola e l'ampiezza del segnale riflesso è inferiore alla soglia di rumore dei ricevitori. Se l'impedenza del cavo bus è inferiore del 20% alle specifiche, cosa che può verificarsi quando viene sostituito un cavo non specificato a basso costo, l'ampiezza riflessa su ciascuno stub aumenta proporzionalmente e, con un massimo di 32 dispositivi per segmento Profibus, l'energia riflessa cumulativa può produrre errori di bit a 12 Mbps che non compaiono a 1,5 Mbps, causando problemi di affidabilità della comunicazione dipendenti dalla velocità di trasmissione estremamente difficili da diagnosticare senza un analizzatore di bus e apparecchiature di misurazione dell'impedenza.

Specifiche dei cavi del livello fisico nei principali protocolli fieldbus

Ciascun protocollo principale del bus di campo ha una specifica distinta del livello fisico che definisce la struttura del cavo richiesta per le installazioni conformi. L'utilizzo del tipo di cavo sbagliato, anche uno che appare visivamente simile, comporterà un'installazione non conforme che potrebbe superare la messa in servizio iniziale su segmenti brevi ma fallire alla massima estensione di rete specificata o nelle peggiori condizioni di rumore.

I limiti di lunghezza del segmento sopra elencati non sono solo limiti di lunghezza del cavo: rappresentano la lunghezza massima totale del percorso elettrico entro la quale tutte le riflessioni del segnale, i budget di ritardo di propagazione e i limiti di attenuazione possono essere soddisfatti simultaneamente. Per i protocolli con lunghezze di segmento dipendenti dalla velocità di trasmissione (PROFIBUS DP, CANopen), i limiti a velocità di trasmissione elevate sono impostati dal ritardo di propagazione: il tempo di propagazione del segnale di andata e ritorno da un'estremità all'altra del segmento deve essere inferiore al periodo di bit del protocollo. A 12 Mbps Profibus DP, un periodo di bit è di circa 83 ns e la propagazione del segnale in un cavo con una velocità di propagazione (VOP) pari al 66% della velocità della luce copre circa 8 metri per nanosecondo, lasciando pochissimo margine per i segmenti lunghi. A velocità di trasmissione inferiori, il periodo di bit è sufficientemente lungo da far sì che il ritardo di propagazione non sia più il fattore limitante e l'attenuazione diventi invece il parametro di limitazione della lunghezza del segmento.

Il ruolo della velocità di propagazione nella temporizzazione della rete del bus di campo e il modo in cui la costruzione del cavo la influenza

La velocità di propagazione (VOP) – la velocità con cui un segnale viaggia attraverso un cavo espressa come percentuale della velocità della luce nel vuoto – è un parametro fondamentale per i protocolli fieldbus ad alta velocità in cui il ritardo di propagazione determina la lunghezza massima del segmento. Il VOP è determinato interamente dalla costante dielettrica del materiale isolante: VOP = 1/√εr × 100%, dove εr è la costante dielettrica relativa dell'isolamento. Un cavo con isolamento in polietilene (εr ≈ 2,3) ha un VOP pari a circa il 66%; un cavo con isolamento in PVC (εr ≈ 3,5–4,5) ha un VOP di circa 47–53%. Per un protocollo con un budget di ritardo di propagazione di 500 ns, la lunghezza massima del cavo con isolamento PE è 500 ns × 0,66 × 3×10⁸ m/s = circa 99 metri; lo stesso cavo con isolamento in PVC consente solo 71 metri: una riduzione del 28% nella lunghezza massima del segmento solo grazie alla scelta del materiale isolante.

Questa relazione spiega perché le specifiche dei cavi fieldbus per i protocolli ad alta velocità richiedono costantemente un isolamento in polietilene o PE espanso anziché in PVC, e perché la sostituzione di un cavo a doppino intrecciato isolato in PVC che sembra soddisfare le specifiche di impedenza produrrà comunque un'installazione non conforme alla massima lunghezza del segmento. La velocità di propagazione influenza anche l'impedenza caratteristica del cavo: poiché Z₀ = √(L/C) dove L è l'induttanza per unità di lunghezza e C è la capacità per unità di lunghezza, e poiché un εr più elevato aumenta C lasciando L approssimativamente costante, un isolamento con costante dielettrica più elevata produce un'impedenza caratteristica inferiore nonché un VOP inferiore. Un cavo destinato alla specifica da 120 Ω (DeviceNet) con isolamento in PE non può essere sostituito da un cavo con le stesse dimensioni fisiche ma isolamento in PVC senza che l'impedenza scenda al di sotto delle specifiche, il che illustra ulteriormente il motivo per cui il materiale isolante e l'impedenza sono specifiche inseparabili per i cavi del bus di campo.

Per le reti di bus di campo industriali in cui segmenti diversi possono utilizzare cavi di produttori diversi (una situazione comune nelle installazioni di retrofit), l'incoerenza VOP tra i segmenti di cavo crea anomalie temporali. Due segmenti con specifiche nominalmente identiche di produttori diversi con valori VOP rispettivamente del 66% e del 60% introducono una differenza di ritardo di propagazione del 10% che si manifesta come jitter temporale tra i segmenti. Nei protocolli sensibili al fattore tempo come EtherCAT e PROFINET IRT (isochronous real time), che sincronizzano gli orologi distribuiti sulla rete con una precisione al microsecondo, la variazione VOP tra i segmenti di cavo contribuisce a un offset temporale sistematico che deve essere compensato dal master di rete durante la messa in servizio. I protocolli che richiedono una precisione del tempo di ciclo inferiore al microsecondo su 20 o più segmenti non possono tollerare un'elevata variazione VOP senza meccanismi di compensazione del clock nel master di rete.

Cavo DeviceNet: perché l'integrazione di alimentazione e segnale in un singolo cavo bus crea sfide uniche in termini di specifiche

DeviceNet si distingue tra i principali protocolli di bus di campo industriali perché integra sia l'alimentazione del dispositivo a 24 V CC che la segnalazione dei dati basata su CAN in un unico cavo. Il cavo spesso (cavo trunk standard) contiene cinque conduttori: una coppia di segnali differenziali CAN_H e CAN_L (tipicamente 18 AWG), una coppia di alimentazione (tipicamente 15 AWG per il cavo spesso) e un filo di drenaggio. Questa architettura multifunzione semplifica l'installazione eliminando il cablaggio di alimentazione separato per i dispositivi di campo, ma crea sfide specifiche che non esistono per i cavi bus di campo di solo segnale.

I conduttori di alimentazione in un cavo DeviceNet trasportano corrente di carico CC che può raggiungere 8 A sul cavo principale, generando calore I²R che aumenta la temperatura della coppia di segnali che condivide la sezione trasversale del cavo. Con conduttori in rame da 8 A a 15 AWG, la resistenza CC di 100 metri di cavo principale produce circa 2,5 W di calore per conduttore, sufficiente ad aumentare la temperatura interna del cavo di diversi gradi rispetto a quella ambiente in un'installazione di canaline portacavi con dissipazione di calore limitata. Questo aumento di temperatura influisce sull'impedenza caratteristica della coppia di segnali attraverso l'espansione termica dell'isolamento, aumenta la perdita dielettrica dell'isolamento e accelera l'invecchiamento del composto della camicia. Le specifiche DeviceNet limitano la corrente massima nel cavo principale non solo in base alla classificazione del conduttore di alimentazione in isolamento ma in base all'effetto termico combinato sulle prestazioni della coppia di segnali, una considerazione che scompare nei cavi di solo segnale in cui non sono presenti conduttori di alimentazione che generano calore.

La caduta di tensione sui conduttori di alimentazione è un secondo vincolo che limita la lunghezza del segmento DeviceNet indipendentemente dal limite di trasmissione del segnale. I dispositivi DeviceNet richiedono una tensione di alimentazione entro un intervallo definito (11–25 V) sul terminale del dispositivo; l'alimentazione a 24 V fornita alla presa di alimentazione non deve scendere sotto gli 11 V nel dispositivo più remoto. Per una corrente di linea di 6 A su 100 metri di cavo di linea spesso (15 AWG, resistenza del circuito di circa 0,22 Ω/m), la caduta di tensione è 6 A × 0,22 Ω/m × 100 m × 2 (alimentazione e ritorno) = 26,4 V — superando di gran lunga la tensione di alimentazione disponibile. In pratica, sono necessarie prese di alimentazione posizionate a intervalli lungo il segmento della dorsale, combinate con un attento calcolo dell'assorbimento di corrente massimo del dispositivo per sezione del segmento, per mantenere la tensione a tutte le cadute del dispositivo entro le specifiche. I fornitori di cavi Fieldbus che forniscono cavi DeviceNet devono fornire non solo i parametri del segnale (impedenza, capacità), ma anche la resistenza del conduttore di potenza per unità di lunghezza e le curve di declassamento della temperatura sia per i conduttori di segnale che per quelli di potenza a temperature ambiente elevate.

La messa a terra della schermatura nelle installazioni dei cavi del bus di campo e perché una messa a terra errata causa più problemi dell'assenza di schermatura

Le schermature dei cavi del bus di campo sono tra i componenti più frequentemente utilizzati in modo errato negli impianti di automazione industriale. Lo scopo dello schermo è quello di fornire un percorso a bassa impedenza per le correnti di interferenza di modo comune, impedendo loro di entrare nella coppia di segnali come rumore differenziale. Per raggiungere questo obiettivo è necessario che lo schermo sia messo a terra in modo da fornire questo percorso evitando che le differenze di potenziale di terra tra i punti di messa a terra guidino correnti attraverso lo schermo, correnti che si sovrappongono al segnale come rumore di modo comune e degradano l'affidabilità della comunicazione. La tensione tra questi due requisiti (mettere a terra la schermatura per deviare il rumore, ma evitare anelli di terra che iniettano rumore) viene risolta in modo diverso a seconda del protocollo e dell'ambiente acustico specifico.

Per Profibus DP, la raccomandazione standard è la messa a terra a punto singolo della schermatura del cavo all'estremità del pannello di controllo di ciascun segmento, con la schermatura dell'estremità del campo lasciata flottante o collegata tramite un condensatore di terra ad alta impedenza. Questa disposizione impedisce alle correnti del circuito di terra a 50 Hz di fluire attraverso lo schermo, che è la principale fonte di rumore a bassa frequenza nella maggior parte degli impianti di produzione, fornendo comunque protezione EMI ad alta frequenza poiché la connessione di terra capacitiva all'estremità del campo presenta una bassa impedenza a frequenze superiori all'intervallo di frequenza del circuito di terra. In pratica, molte installazioni mettono a terra lo schermo su entrambe le estremità, il che funziona correttamente quando tutte le apparecchiature nel segmento condividono lo stesso potenziale di terra. Negli impianti di grandi dimensioni in cui il potenziale della rete di terra tra una sala di controllo e una scatola di giunzione di campo distante può differire di 1–5 V a 50 Hz, la messa a terra su entrambe le estremità guida correnti significative a 50 Hz attraverso lo schermo e il campo magnetico proveniente da queste correnti induce rumore differenziale nella coppia di segnali: esattamente l'interferenza che lo schermo avrebbe dovuto prevenire.

Per Profibus PA e Foundation Fieldbus H1, progettati per il funzionamento in aree pericolose (Zona 1 e Zona 0) secondo le normative ATEX e IECEx, la messa a terra dello schermo deve soddisfare contemporaneamente sia i requisiti EMC che quelli di sicurezza intrinseca. Nelle installazioni a sicurezza intrinseca, la schermatura deve essere messa a terra solo in un punto - l'area sicura - e la schermatura all'estremità del campo deve essere isolata da terra di almeno 1 MΩ per evitare che la schermatura fornisca un percorso di guasto verso terra che potrebbe superare i limiti di energia della barriera a sicurezza intrinseca. Questo vincolo di messa a terra non è negoziabile ai sensi delle normative IS; La messa a terra dello schermo su entrambe le estremità su un segmento Profibus PA in un'area pericolosa invalida la certificazione di sicurezza intrinseca dell'installazione indipendentemente dal fatto che la messa a terra dello schermo crei o meno un problema EMC funzionale.

I protocolli bus di campo Industrial Ethernet (EtherCAT, PROFINET) che utilizzano cavi Cat5e o Cat6 hanno i propri requisiti di schermatura. La pratica di cablaggio strutturato standard prevede una terminazione schermata a 360° su entrambe le estremità utilizzando connettori RJ45 con classificazione EMC o connettori circolari M12 in ambienti industriali. Poiché Ethernet utilizza interfacce accoppiate a trasformatore che rifiutano intrinsecamente le interferenze di modo comune sul ricevitore, la filosofia di messa a terra dello schermo per Industrial Ethernet è meno critica rispetto ai bus di campo basati su RS-485, ma la qualità meccanica della terminazione dello schermo sul connettore rimane importante, poiché le connessioni dello schermo ad alta impedenza (fili di drenaggio pigtail) consentono lo sviluppo di percorsi di ritorno della corrente di schermo ad alta frequenza che degradano le prestazioni EMC del cavo sopra 100 MHz.

Resistori di terminazione dei cavi del bus di campo: perché sono necessari e in che modo valori errati causano instabilità della rete

I resistori di terminazione del bus sono un componente obbligatorio di qualsiasi installazione di bus di campo basato su RS-485, inclusi Profibus DP, CANopen e DeviceNet, ma sono tra gli elementi più comunemente applicati in modo errato o omessi nei casi di risoluzione dei problemi della rete di bus di campo. La loro funzione è quella di assorbire l'energia dei segnali che raggiungono la fine del cavo dell'autobus e impedire che le riflessioni del segnale si propaghino verso la sorgente del segnale. Comprendere la fisica della terminazione spiega perché valori errati dei resistori, o più resistori applicati in posizioni diverse dagli endpoint, sono distruttivi per l'integrità del segnale del bus.

Quando un segnale si propaga lungo una linea di trasmissione e raggiunge una discontinuità di impedenza, viene generata un'onda riflessa con ampiezza proporzionale al coefficiente di riflessione Γ = (Z_carico − Z₀) / (Z_carico Z₀). Ad una terminazione a circuito aperto (Z_load → ∞), Γ = 1 e l'onda riflessa ha la stessa polarità e ampiezza completa dell'onda incidente. Alla terminazione di un cortocircuito, Γ = −1 e l'onda riflessa ha uguale ampiezza ma polarità opposta. Un resistore di terminazione uguale all'impedenza caratteristica del cavo (Z_load = Z₀) produce Γ = 0 — nessuna riflessione. Per Profibus DP con Z₀ = 150 Ω la resistenza terminale è specificata come 150 Ω. Per DeviceNet con Z₀ = 120 Ω, i resistori di terminazione sono 120 Ω. Per CANopen (anche livello fisico ISO 11898), la terminazione è di 120 Ω a ciascuna estremità del bus principale.

Le conseguenze di valori di terminazione errati dipendono dal livello del segnale. Un resistore di terminazione inferiore del 20% alle specifiche (120 Ω invece di 150 Ω su Profibus) crea un coefficiente di riflessione di Γ = (120−150)/(120 150) = −0,11, producendo un'onda riflessa all'11% dell'ampiezza incidente che si sovrappone al segnale in tutti i nodi tra il terminatore e la sorgente del segnale. Per un segnale Profibus DP con ampiezza differenziale di 5 V, la riflessione dell'11% aggiunge una perturbazione di 0,55 V che arriva a ciascun nodo un tempo di ritardo di andata e ritorno dopo il fronte del segnale originale. A 12 Mbps, questo ritardo rientra nel periodo di bit per segmenti lunghi, provocando la perturbazione del bordo riflesso durante la finestra di campionamento dei ricevitori downstream e aumentando il tasso di errore di bit. L'omissione completa della terminazione (circuito aperto) produce riflessioni di piena ampiezza che possono essere sufficientemente grandi da violare la soglia logica dei ricevitori a valle, causando un completo fallimento della comunicazione a velocità di trasmissione elevate anche su segmenti brevi.

Una regola spesso fraintesa è che i resistori di terminazione devono essere installati solo sui due punti finali fisici del cavo del bus principale, mai su prese intermedie, collegamenti spur o punti di giunzione a T. L'installazione di un resistore di terminazione su uno spur intermedio introduce in quel punto un'impedenza parallela a terra, riducendo l'impedenza effettiva del bus e generando una riflessione ad ogni transizione del segnale, indipendentemente dal valore del resistore. I ripetitori Profibus, che rigenerano il segnale e stabiliscono un nuovo segmento del bus, devono essere trattati come un punto finale del segmento in termini di terminazione: ciascun lato del ripetitore è un segmento separato con la propria coppia di resistori di terminazione alle estremità del segmento.

Valutazioni ambientali e meccaniche per cavi bus di campo in installazioni industriali gravose

I cavi bus di campo standard progettati per il cablaggio di pannelli e ambienti dell'industria leggera non sono adatti per l'installazione in ambienti di impianti di processo difficili senza un'esplicita verifica della classificazione ambientale. Le raffinerie di petrolio, gli impianti chimici, gli impianti di lavorazione alimentare, le sottostazioni esterne e i macchinari con vibrazioni elevate o movimento continuo dei cavi impongono sollecitazioni meccaniche e chimiche che le guaine dei cavi e i materiali isolanti standard del bus di campo non possono sopportare per la durata di servizio prevista di 15-25 anni prevista per l'infrastruttura di controllo del processo. La scelta dei cavi del bus di campo con valori ambientali adeguati alle condizioni di installazione è importante quanto la scelta delle specifiche elettriche corrette.

Requisiti di resistenza chimica

Gli ambienti degli impianti di processo espongono i cavi fieldbus a idrocarburi (oli, combustibili, solventi aromatici), detergenti alcalini, acidi e vapore, ciascuno dei quali degrada specifici materiali di rivestimento a velocità diverse. Le guaine standard in PVC hanno una buona resistenza agli idrocarburi alifatici (oli minerali, gasolio) ma si gonfiano notevolmente nei solventi aromatici (toluene, xilene) e sono attaccate da acidi e alcali concentrati. Le guaine in poliuretano (PUR) offrono un'eccellente resistenza a oli e carburanti, un'eccezionale resistenza all'abrasione e una buona flessibilità alle basse temperature, rendendole il materiale di guaina preferito per i cavi fieldbus negli ambienti di macchine utensili e di ingegneria meccanica in cui sono presenti fluidi da taglio, oli idraulici e refrigeranti. Tuttavia, il PUR è suscettibile all'idrolisi in ambienti con elevata umidità e temperatura elevata; un cavo fieldbus rivestito in PUR installato in un'area di lavorazione alimentare pulita a vapore può degradarsi attraverso la scissione della catena idrolitica del legame uretanico, provocando la rottura della guaina dopo 3-5 anni. Per gli ambienti puliti a vapore, i composti di rivestimento a base di PE reticolato o a base di polipropilene con dimostrata resistenza all'idrolisi sono più appropriati nonostante la loro minore resistenza all'abrasione rispetto al PUR.

Durabilità meccanica nelle applicazioni con cavi mobili

I cavi del bus di campo installati in bracci robotici, catene portacavi o altri macchinari in continuo movimento devono mantenere i propri parametri elettrici, in particolare l'impedenza caratteristica e il bilanciamento della capacità della coppia di segnali, per tutta la vita meccanica del cavo. Le variazioni di impedenza causate dalla migrazione dei conduttori (spostamento della posizione dei nuclei all'interno della guaina sotto flessioni ripetute) alterano le condizioni di terminazione del bus e possono causare lo sviluppo di riflessioni ed errori di comunicazione in una rete precedentemente conforme dopo un servizio prolungato. I cavi fieldbus specificati per applicazioni a flessione continua utilizzano conduttori a trefoli sottili di Classe 6, guaine in elastomero termoplastico (TPE) o PUR e geometrie di cordatura con riempitivi centrali che impediscono la migrazione del nucleo. Il raggio di curvatura minimo per applicazioni a flessione continua è in genere 7,5–10 volte il diametro esterno del cavo, rispetto a 4 volte per l'installazione fissa: il superamento del raggio di curvatura per installazione fissa in una catena portacavi causerà la rottura della guaina e lo spostamento dei nuclei entro 1-3 milioni di cicli di flessione, molto al di sotto dei 10 milioni di cicli previsti per le applicazioni con catene portacavi industriali.

Protezione dell'ingresso e installazione esterna

I cavi del bus di campo installati all'aperto o in ambienti industriali umidi devono essere classificati per l'esposizione all'immersione in acqua oltre il grado IP67 o IP68 dell'apparecchiatura collegata. Il rivestimento esterno del cavo deve mantenere la propria integrità se esposto a radiazioni UV, pioggia, variazioni di temperatura da –40°C a 90°C e concentrazioni di ozono elevate rispetto allo sfondo in luoghi vicini ad apparecchiature per scariche elettriche. I rivestimenti in polietilene nero stabilizzato ai raggi UV con un contenuto definito di stabilizzante UV (tipicamente HALS allo 0,2–0,5% in peso combinato con nerofumo al 2–3%) forniscono un'adeguata stabilità all'esterno per una durata di servizio di 20 anni. Il punto critico di installazione è che la resistenza ai raggi UV esterni del cavo dipende dall'integrità della guaina: qualsiasi danno superficiale derivante da abrasione, attacco di roditori o stress di installazione che espone l'isolamento sottostante distrugge la protezione UV in quella posizione e avvia una rapida fotodegradazione. I cavi per bus di campo per esterni in installazioni con rischio di danni meccanici dovrebbero includere uno strato esterno protettivo di nastro di acciaio o armatura di acciaio ondulato sotto la guaina per prevenire danni alla guaina indotti dal contatto.