Fieldbus Cable Suppliers

Fieldbus 케이블 전기 매개변수가 프로토콜에 의해 정의되는 방식과 이를 자유롭게 대체할 수 없는 이유

Fieldbus 케이블은 Fieldbus 레이블이 있는 일반 신호 케이블이 아닙니다. 각 주요 Fieldbus 프로토콜은 물리적 계층 케이블에 대한 정확한 전기 사양을 정의하며 케이블의 특성 임피던스, 단위 길이당 정전 용량 및 신호 주파수의 감쇠는 프로토콜 전송 모델의 부하 매개 변수입니다. 이러한 매개변수를 충족하지 않는 케이블을 대체하면 신호 반사 동작, 최대 네트워크 세그먼트 길이 및 일부 프로토콜에서는 허용되는 연결된 장치 수가 변경됩니다. 종종 즉각적으로 명백한 오류는 없지만 전기 교란 조건에서 간헐적인 통신 오류로 나타나는 노이즈 마진이 저하됩니다.

프로세스 및 공장 자동화 분야에서 가장 널리 배포되는 필드버스인 PROFIBUS DP는 IEC 61158-2 및 프로피버스 PA 사양에서 물리 계층 케이블을 정의합니다. 표준 케이블(유형 A)은 100kHz 이상의 주파수에서 135~165Ω 특성 임피던스, 30pF/m 미만의 정전용량, 110Ω/km 미만의 루프 저항, 100kHz에서 3dB/100m 미만의 감쇠로 지정됩니다. 이러한 매개변수는 상호 의존적입니다. 임피던스는 정확하지만 커패시턴스가 과도한 케이블은 노드 연결에서 반사를 올바르게 종료하지만 긴 세그먼트에서 과도한 신호 저하를 유발하여 유효 최대 세그먼트 길이를 표준에 지정된 1,200m 미만으로 줄입니다. 정전 용량은 정확하지만 임피던스가 낮은 케이블은 데이터 신호에 중첩되는 모든 패시브 스터브 연결에서 반사를 유발하여 특히 최대 전송 속도 12Mbps에서 오류율을 증가시킵니다.

필드버스 케이블의 특성 임피던스가 매우 정확하게 지정되는 이유는 스터브 연결과 관련이 있습니다. PROFIBUS 또는 디바이스넷 세그먼트에서 장치는 메인에서 분기되는 짧은 스텁을 통해 연결됩니다. 버스 케이블 . 각 스터브 연결 지점에서 버스 케이블은 병렬 임피던스 불연속성을 확인합니다. 버스 케이블 임피던스가 사양 내에 있으면 스터브에 의해 생성된 불연속성이 작고 반사된 신호 진폭은 수신기의 잡음 임계값보다 낮습니다. 저가의 불특정 케이블을 교체할 때 발생할 수 있는 버스 케이블 임피던스가 사양보다 20% 낮은 경우 각 스터브의 반사 진폭은 비례적으로 증가하며, PROFIBUS 세그먼트당 최대 32개 장치의 경우 누적 반사 에너지는 1.5Mbps에서는 나타나지 않는 12Mbps에서는 비트 오류를 ​​생성할 수 있으며, 이는 버스 분석기 및 임피던스 측정 장비 없이는 진단하기 매우 어려운 전송 속도에 따른 통신 신뢰성 문제를 일으킬 수 있습니다.

주요 Fieldbus 프로토콜에 걸친 물리 계층 케이블 사양

각 주요 필드버스 프로토콜에는 규정 준수 설치에 필요한 케이블 구성을 정의하는 고유한 물리적 계층 사양이 있습니다. 잘못된 케이블 유형을 사용하면(비록 시각적으로 유사해 보이는 케이블이라도) 짧은 세그먼트 길이에서는 초기 시운전을 통과할 수 있지만 지정된 최대 네트워크 범위 또는 최악의 소음 조건에서는 실패하는 비준수 설치가 발생합니다.

위에 나열된 세그먼트 길이 제한은 케이블 길이 제한만은 아닙니다. 이는 모든 신호 반사, 전파 지연 예산 및 감쇠 제한이 동시에 충족될 수 있는 최대 총 전기 경로 길이를 나타냅니다. 전송 속도에 따라 달라지는 세그먼트 길이가 있는 프로토콜(PROFIBUS DP, CANopen)의 경우 높은 전송 속도의 제한은 전파 지연에 의해 설정됩니다. 즉, 세그먼트 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지의 왕복 신호 전파 시간은 프로토콜의 비트 주기보다 작아야 합니다. 12Mbps PROFIBUS DP에서 1비트 주기는 약 83ns이며, 빛 속도의 66%인 전파 속도(VOP)를 갖는 케이블의 신호 전파는 나노초당 약 8미터를 커버하므로 긴 세그먼트에 대한 마진이 거의 남지 않습니다. 낮은 전송 속도에서는 비트 주기가 충분히 길어서 전파 지연이 더 이상 제한 요인이 아니며 대신 감쇠가 세그먼트 길이 제한 매개변수가 됩니다.

Fieldbus 네트워크 타이밍에서 전파 속도의 역할과 케이블 구성이 이에 미치는 영향

전파 속도(VOP)(진공에서 빛의 속도에 대한 백분율로 표시되는 케이블을 통해 신호가 이동하는 속도)는 전파 지연이 최대 세그먼트 길이를 결정하는 고속 필드버스 프로토콜의 기본 매개변수입니다. VOP는 전적으로 절연재의 유전 상수에 의해 결정됩니다. VOP = 1/√εr × 100%, 여기서 εr은 절연재의 비유전율입니다. 폴리에틸렌 절연체(εr ≒ 2.3)를 사용한 케이블의 VOP는 약 66%입니다. PVC 절연 케이블(εr ≒ 3.5–4.5)의 VOP는 약 47–53%입니다. 전파 지연 예산이 500ns인 프로토콜의 경우 PE 절연을 사용한 최대 케이블 길이는 500ns × 0.66 × 3×10⁸ m/s = 약 99미터입니다. PVC 단열재를 사용한 동일한 케이블은 단 71m만 허용합니다. 이는 단열재 선택만으로 최대 세그먼트 길이가 28% 감소한 것입니다.

이 관계는 고속 프로토콜을 위한 필드버스 케이블 사양에 PVC가 아닌 폴리에틸렌 또는 발포 PE 절연이 지속적으로 필요한 이유와 임피던스 사양을 충족하는 것으로 보이는 PVC 절연 연선 케이블을 대체해도 최대 세그먼트 길이에서 여전히 비준수 설치가 발생하는 이유를 설명합니다. 전파 속도도 케이블의 특성 임피던스에 영향을 줍니다. Z₀ = √(L/C)(여기서 L은 단위 길이당 인덕턴스이고 C는 단위 길이당 정전 용량이고, L이 대략 일정하게 유지되는 동안 εr이 높을수록 C가 증가하므로 절연 상수가 높을수록 특성 임피던스가 낮아지고 VOP도 낮아집니다. PE 절연체를 사용하는 120Ω(DeviceNet) 사양용 케이블은 물리적 치수는 동일하지만 임피던스가 사양 미만으로 떨어지지 않는 PVC 절연체의 케이블로 교체할 수 없습니다. 이는 절연재와 임피던스가 필드버스 케이블에 대해 분리할 수 없는 사양인 이유를 추가로 보여줍니다.

여러 세그먼트가 서로 다른 제조업체의 케이블을 사용할 수 있는 산업용 필드버스 네트워크의 경우(개조 설치의 일반적인 상황) 케이블 세그먼트 간의 VOP 불일치로 인해 타이밍 이상이 발생합니다. VOP 값이 각각 66%와 60%인 서로 다른 제조업체의 명목상 동일한 사양의 두 세그먼트는 세그먼트 간 타이밍 지터로 나타나는 10%의 전파 지연 차이를 발생시킵니다. 네트워크 전체에 분산된 시계를 마이크로초 정확도로 동기화하는 EtherCAT 및 PROFINET IRT(등시성 실시간)와 같은 시간에 민감한 프로토콜에서 케이블 세그먼트 간의 VOP 변화는 시운전 중에 네트워크 마스터가 보상해야 하는 체계적인 타이밍 오프셋에 기여합니다. 20개 이상의 세그먼트에 걸쳐 마이크로초 미만의 주기 시간 정확도를 요구하는 프로토콜은 네트워크 마스터의 클럭 보상 메커니즘 없이는 높은 VOP 변동을 허용할 수 없습니다.

DeviceNet 케이블: 단일 버스 케이블의 전력 및 신호 통합으로 인해 고유한 사양 문제가 발생하는 이유

DeviceNet은 24V DC 장치 전원과 CAN 기반 데이터 신호를 단일 케이블 내에 통합한다는 점에서 주요 산업용 필드버스 프로토콜 중에서 탁월합니다. 두꺼운 케이블(표준 트렁크 케이블)에는 CAN_H 및 CAN_L 차동 신호 쌍(일반적으로 18 AWG), 전원 공급 장치 쌍(일반적으로 굵은 케이블의 경우 15 AWG) 및 드레인 와이어 등 5개의 도체가 포함되어 있습니다. 이 다기능 아키텍처는 필드 장치에 대한 별도의 전원 케이블 연결을 제거하여 설치를 단순화하지만 신호 전용 필드버스 케이블에는 존재하지 않는 사양 문제를 야기합니다.

DeviceNet 케이블의 전원 컨덕터는 트렁크 케이블에서 8A에 도달할 수 있는 DC 부하 전류를 전달하여 케이블 단면을 공유하는 신호 쌍의 온도를 높이는 I²R 열을 생성합니다. 8A ~ 15 AWG 구리 도체에서 트렁크 케이블 100미터의 DC 저항은 도체당 약 2.5W의 열을 생성합니다. 이는 열 발산이 제한된 케이블 트레이 설치에서 케이블 내부 온도를 주변 온도보다 몇도 정도 올릴 수 있을 만큼 충분합니다. 이러한 온도 상승은 절연체의 열 팽창을 통해 신호 쌍의 특성 임피던스에 영향을 미치고 절연체의 유전 손실을 증가시키며 재킷 화합물의 노화를 가속화합니다. DeviceNet 사양은 절연된 전력 도체 정격뿐만 아니라 신호 쌍 성능에 대한 결합된 열 효과를 기반으로 트렁크 케이블의 최대 전류를 제한합니다. 이는 열을 생성하는 전력 도체가 없는 신호 전용 케이블에서는 사라지는 고려 사항입니다.

전원 컨덕터의 전압 강하는 신호 전송 제한과 관계없이 DeviceNet 세그먼트 길이를 제한하는 두 번째 제약 조건입니다. DeviceNet 장치는 장치 터미널에서 정의된 범위(11~25V) 내의 공급 전압이 필요합니다. 전원 탭에서 제공되는 24V 공급은 가장 원격 장치에서 11V 아래로 떨어지면 안 됩니다. 100m의 두꺼운 트렁크 케이블(15AWG, 루프 저항 약 0.22Ω/m)에 걸쳐 6A의 트렁크 전류의 경우 전압 강하는 6A × 0.22Ω/m × 100m × 2(공급 및 반환) = 26.4V로 사용 가능한 공급 전압을 훨씬 초과합니다. 실제로, 사양 내에서 모든 장치 강하 시 전압을 유지하려면 트렁크 세그먼트를 따라 간격을 두고 배치된 전원 탭과 세그먼트 섹션당 최대 장치 전류 소모량을 신중하게 계산해야 합니다. DeviceNet 케이블을 제공하는 Fieldbus 케이블 공급업체는 신호 매개변수(임피던스, 커패시턴스)뿐만 아니라 단위 길이당 전력 도체 저항, 상승된 주변 온도에서 신호 및 전력 도체 모두에 대한 온도 경감 곡선도 제공해야 합니다.

Fieldbus 케이블 설치 시 차폐 접지 및 잘못된 접지로 인해 차폐가 없는 것보다 더 많은 문제가 발생하는 이유

Fieldbus 케이블 실드는 산업 자동화 설치에서 가장 자주 잘못 적용되는 구성 요소 중 하나입니다. 실드의 목적은 공통 모드 간섭 전류에 대한 낮은 임피던스 경로를 제공하여 해당 전류가 차동 잡음으로 신호 쌍에 들어가는 것을 방지하는 것입니다. 이를 달성하려면 접지 지점 간의 접지 전위차가 차폐를 통한 구동 전류(공통 모드 잡음으로 신호에 중첩되어 통신 신뢰성을 저하시키는 전류)로부터 발생하는 것을 방지하면서 이 경로를 제공하는 방식으로 차폐를 접지해야 합니다. 소음을 전환하기 위해 차폐를 접지하되 소음을 주입하는 접지 루프를 피하는 두 가지 요구 사항 사이의 긴장은 프로토콜과 특정 소음 환경에 따라 다르게 해결됩니다.

PROFIBUS DP의 경우 표준 권장 사항은 각 세그먼트의 제어판 끝에 있는 케이블 실드의 단일 지점 접지이며, 필드 끝 실드는 플로팅 상태로 두거나 고임피던스 접지 커패시터를 통해 연결하는 것입니다. 이러한 배열은 50Hz 접지 루프 전류가 대부분의 제조 공장에서 지배적인 저주파 잡음 소스인 차폐를 통해 흐르는 것을 방지하는 동시에 필드 끝의 용량성 접지 연결이 접지 루프 주파수 범위보다 높은 주파수에서 낮은 임피던스를 나타내기 때문에 여전히 고주파 EMI 보호 기능을 제공합니다. 실제로 많은 설치에서는 실드를 양쪽 끝에서 접지하는데, 이는 세그먼트의 모든 장비가 동일한 접지 전위를 공유할 때 올바르게 작동합니다. 제어실과 원거리 필드 정션 박스 사이의 접지 그리드 전위가 50Hz에서 1~5V만큼 다를 수 있는 대규모 플랜트에서 양쪽 끝 접지는 실드를 통해 상당한 50Hz 전류를 구동하고 이러한 전류의 자기장은 신호 쌍에 차동 노이즈를 유도합니다. 이는 바로 실드가 방지하려는 간섭입니다.

ATEX 및 IECEx 규정에 따라 위험 지역(구역 1 및 구역 0)에서 작동하도록 설계된 PROFIBUS PA 및 Foundation Fieldbus H1의 경우 차폐 접지는 EMC 및 본질 안전 요구 사항을 동시에 충족해야 합니다. 본질 안전 설치에서 실드는 한 지점(안전 영역)에만 접지해야 하며 필드 끝 실드는 본질 안전 배리어의 에너지 제한을 초과할 수 있는 접지 오류 경로를 제공하지 않도록 실드가 최소 1MΩ만큼 접지에서 격리되어야 합니다. 이 접지 제약 조건은 IS 규정에 따라 협상할 수 없습니다. 위험 지역에 있는 PROFIBUS PA 세그먼트의 양 끝 실드 접지는 실드 접지가 기능적 EMC 문제를 일으키는지 여부에 관계없이 설치의 본질 안전 인증을 무효화합니다.

Cat5e 또는 Cat6 케이블을 사용하는 산업용 이더넷 필드버스 프로토콜(EtherCAT, PROFINET)에는 자체 차폐 요구 사항이 있습니다. 표준 구조의 케이블 연결 방식에서는 산업 환경에서 EMC 등급 RJ45 커넥터 또는 M12 원형 커넥터를 사용하여 양쪽 끝에서 360° 차폐 종단을 지정합니다. 이더넷은 본질적으로 수신기에서 공통 모드 간섭을 거부하는 변압기 결합 인터페이스를 사용하기 때문에 산업용 이더넷의 차폐 접지 철학은 RS-485 기반 필드버스의 경우보다 덜 중요합니다. 그러나 고임피던스 차폐 연결(피그테일 드레인 와이어)이 차폐 전류 복귀 경로를 고주파에서 발생시켜 케이블의 EMC 성능을 100MHz 이상 저하시키는 고주파수에서 발생하므로 커넥터의 차폐 종단의 기계적 품질은 여전히 ​​중요합니다.

Fieldbus 케이블 종단 저항기: 필요한 이유와 잘못된 값으로 인해 네트워크가 불안정해지는 이유

버스 종단 저항기는 PROFIBUS DP, CANopen 및 DeviceNet을 포함한 모든 RS-485 기반 필드버스 설치의 필수 구성 요소이지만 필드버스 네트워크 문제 해결 사례에서 가장 일반적으로 잘못 적용되거나 생략되는 요소 중 하나입니다. 그들의 기능은 신호의 끝에 도달하는 신호의 에너지를 흡수하는 것입니다. 버스 케이블 신호 반사가 신호 소스를 향해 다시 전파되는 것을 방지합니다. 터미네이션의 물리학을 이해하면 잘못된 저항 값(또는 엔드포인트가 아닌 위치에 적용된 여러 저항)이 버스 신호 무결성을 파괴하는 이유를 설명합니다.

신호가 전송선을 따라 전파되어 임피던스 불연속성에 도달하면 반사 계수 Γ = (Z_load − Z₀) / (Z_load Z₀)에 비례하는 진폭으로 반사파가 생성됩니다. 개방 회로 종단(Z_load → )에서 Γ = 1이고 반사파는 입사파와 동일한 극성 및 전체 진폭을 갖습니다. 단락 종단에서 Γ = -1이고 반사파는 진폭은 동일하지만 극성은 반대입니다. 케이블의 특성 임피던스(Z_load = Z₀)와 동일한 종단 저항은 Γ = 0(반사 없음)을 생성합니다. Z₀ = 150Ω인 PROFIBUS DP의 경우 종단 저항은 150Ω으로 지정됩니다. Z₀ = 120Ω인 DeviceNet의 경우 종단 저항은 120Ω입니다. CANopen(또한 ISO 11898 물리 계층)의 경우 종단은 메인 버스의 각 끝에서 120Ω입니다.

잘못된 종료 값의 결과는 신호 레벨에 따라 다릅니다. 사양보다 20% 낮은 종단 저항기(PROFIBUS의 150Ω 대신 120Ω)는 Γ = (120−150)/(120 150) = −0.11의 반사 계수를 생성하여 종단기와 신호 소스 사이의 모든 노드에서 신호에 중첩되는 입사 진폭의 11%에서 반사파를 생성합니다. 5V 차동 진폭을 갖는 PROFIBUS DP 신호의 경우 11% 반사는 원래 신호 에지 이후 1 왕복 지연 시간 후에 각 노드에 도달하는 0.55V 섭동을 추가합니다. 12Mbps에서 이 지연은 긴 세그먼트의 비트 주기 내에 있으므로 다운스트림 수신기의 샘플링 기간 동안 반사된 에지 교란이 발생하고 비트 오류율이 증가합니다. 종료를 완전히 생략하면(개방 회로) 다운스트림 수신기의 논리 임계값을 위반할 만큼 커질 수 있는 전체 진폭 반사가 생성되어 짧은 세그먼트에서도 높은 전송 속도에서 완전한 통신 오류가 발생합니다.

자주 오해되는 규칙은 종단 저항을 메인 버스 케이블의 두 물리적 끝점에만 설치해야 하며 중간 탭, 스퍼 연결 또는 T 접합 지점에는 설치하지 않아야 한다는 것입니다. 중간 스퍼에 종단 저항을 설치하면 해당 지점에서 접지에 병렬 임피던스가 도입되어 유효 버스 임피던스가 감소하고 저항 값에 관계없이 모든 신호 전환에서 반사가 생성됩니다. 신호를 재생성하고 새 버스 세그먼트를 설정하는 PROFIBUS 리피터는 종료 측면에서 세그먼트 끝점으로 처리되어야 합니다. 리피터의 각 측면은 세그먼트 끝점에 자체 종단 저항기 쌍이 있는 별도의 세그먼트입니다.

혹독한 산업 설비의 Fieldbus 케이블에 대한 환경 및 기계적 등급

패널 배선 및 경공업 환경용으로 설계된 표준 필드버스 케이블은 명시적인 환경 등급 검증 없이 열악한 공정 플랜트 환경에 설치하는 데 적합하지 않습니다. 정유소, 화학 공장, 식품 가공 시설, 실외 변전소, 진동이 심하거나 케이블이 연속적으로 움직이는 기계에는 표준 필드버스 케이블 재킷과 절연재가 공정 제어 인프라에서 예상되는 15~25년의 서비스 수명 동안 견딜 수 없는 기계적, 화학적 스트레스가 가해집니다. 설치 조건에 적합한 환경 등급을 갖춘 필드버스 케이블을 선택하는 것은 올바른 전기 사양을 선택하는 것만큼 중요합니다.

내화학성 요구사항

공정 플랜트 환경은 필드버스 케이블을 탄화수소(오일, 연료, 방향족 용제), 알칼리성 세척제, 산 및 증기에 노출시킵니다. 이들 각각은 특정 재킷 재료를 서로 다른 속도로 분해합니다. 표준 PVC 재킷은 지방족 탄화수소(미네랄 오일, 디젤)에 대한 내성이 우수하지만 방향족 용매(톨루엔, 자일렌)에서는 크게 팽창하고 농축된 산과 알칼리에 의해 공격을 받습니다. 폴리우레탄(PUR) 재킷은 오일 및 연료에 대한 탁월한 저항성, 탁월한 내마모성 및 우수한 저온 유연성을 제공하므로 절삭유, 유압 오일 및 냉각제가 존재하는 공작 기계 및 기계 엔지니어링 환경에서 필드버스 케이블에 선호되는 재킷 소재입니다. 그러나 PUR은 고습, 고온 환경에서 가수분해되기 쉽습니다. 스팀 청소 식품 가공 구역에 설치된 PUR 재킷 필드버스 케이블은 우레탄 본드의 가수분해 체인 절단으로 인해 품질이 저하되어 3~5년 후에 재킷이 갈라질 수 있습니다. 스팀 청소 환경의 경우 PUR에 비해 내마모성이 낮음에도 불구하고 내가수분해성이 입증된 가교 PE 또는 폴리프로필렌 기반 재킷 화합물이 더 적합합니다.

이동 케이블 애플리케이션의 기계적 내구성

로봇 암, 드래그 체인 또는 기타 지속적으로 움직이는 기계에 설치된 Fieldbus 케이블은 케이블의 기계적 수명 전체에 걸쳐 전기 매개변수, 특히 특성 임피던스와 신호 쌍 정전 용량 균형을 유지해야 합니다. 도체 마이그레이션(반복적인 굽힘으로 인해 재킷 내에서 코어 위치 이동)으로 인한 임피던스 변화는 버스 종단 조건을 변경하고 서비스 연장 후 이전에 규정을 준수한 네트워크에서 반사 및 통신 오류가 발생할 수 있습니다. 연속 굴곡 애플리케이션용으로 지정된 Fieldbus 케이블은 클래스 6 미세 연선 도체, 열가소성 엘라스토머(TPE) 또는 PUR 재킷, 코어 마이그레이션을 방지하는 중앙 필러가 있는 연선 형상을 사용합니다. 연속 굴곡 응용 분야의 최소 굴곡 반경은 일반적으로 고정 설치의 경우 4배인 것에 비해 케이블 외경의 7.5~10배입니다. 드래그 체인에서 고정 설치 굴곡 반경을 초과하면 재킷이 분리되고 코어가 1~300만 굴곡 주기 내에서 위치가 이동하게 됩니다. 이는 산업용 드래그 체인 응용 분야에서 예상되는 1,000만 주기에 훨씬 못 미치는 수치입니다.

침투 방지 및 실외 설치

실외 또는 습한 산업 환경에 설치된 Fieldbus 케이블은 연결된 장비의 IP67 또는 IP68 등급 이상의 침수 노출 등급을 받아야 합니다. 케이블의 외부 재킷은 UV 방사선, 비, –40°C~90°C의 온도 변화, 방전 장비 근처 위치에서 배경보다 높은 오존 농도에 노출될 때 무결성을 유지해야 합니다. UV 안정제 함량이 정의된 UV 안정 검정색 폴리에틸렌 재킷(일반적으로 HALS 0.2-0.5% 중량과 카본 블랙 2-3% 결합)은 20년의 사용 수명 동안 적절한 실외 안정성을 제공합니다. 중요한 설치 지점은 케이블의 실외 UV 저항이 재킷 무결성에 달려 있다는 것입니다. 마모, 설치류 공격 또는 기본 단열재를 노출시키는 설치 응력으로 인한 표면 손상은 해당 위치의 UV 보호 기능을 파괴하고 빠른 광분해를 시작합니다. 기계적 손상 위험이 있는 설치의 실외 Fieldbus 케이블에는 접촉으로 인한 재킷 손상을 방지하기 위해 재킷 아래에 강철 테이프 또는 주름진 강철 외장으로 된 보호 외부 레이어가 포함되어야 합니다.