산업용 버스 케이블 제조업체

특성 임피던스 허용 오차 및 이것이 버스 네트워크 신뢰성에 직접적인 영향을 미치는 이유

차동 평형 전송 라인(PROFIBUS DP, 디바이스넷, CANopen, RS-485 기반 시스템)을 사용하는 모든 산업용 필드버스 프로토콜은 해당 케이블의 공칭 특성 임피던스를 지정하며 가장 일반적으로 120Ω입니다. 이 값은 임의적인 규칙이 아닙니다. 이는 버스 세그먼트의 각 끝에 배치된 종단 저항과 일치하며, 일치된 케이블 임피던스와 종단 저항의 조합은 데이터 프레임을 손상시킬 수 있는 신호 반사를 억제합니다. 케이블의 실제 특성 임피던스가 지정된 값에서 벗어나면 종단 저항이 더 이상 완벽한 임피던스 일치를 형성하지 않으며 부분 반사가 버스를 따라 다시 이동하여 신호 전환에 잡음을 추가하고 비트 오류율을 높입니다. 특히 높은 전송 속도와 프로토콜에서 허용하는 최대 세그먼트 길이 근처에서 더욱 그렇습니다.

특성 임피던스는 케이블의 연선 구조, 특히 절연체 외부 직경에 대한 도체 직경의 비율 및 절연 재료의 유전 상수에 의해 결정됩니다. 120Ω 타겟의 경우 제조 과정에서 이러한 매개변수를 엄격하게 제어해야 합니다. 공칭보다 5% 더 얇은 절연 벽은 임피던스를 약 3~4Ω 감소시킵니다. 편차는 작아 보이지만 정격 길이 제한 근처에서 작동하는 세그먼트에서 측정 가능한 반사 계수를 유발할 수 있습니다. 고체 절연에 비해 유효 유전 상수를 낮추는 발포 또는 셀형 유전체 절연 화합물은 프리미엄 버스 케이블에 사용되어 더 얇은 절연 벽으로 목표 임피던스를 달성하고 전기 정밀도를 유지하면서 전체 케이블 직경을 줄입니다. 120Ω 공칭 임피던스를 충족하지만 더 넓은 공차(±15Ω 대 제어된 생산으로 달성 가능한 ±5Ω)로 제조된 케이블은 종단 저항기로 교정할 수 없는 길이에 따라 지점 간 임피던스 변화를 나타내며 버스 세그먼트 전체에 분산 반사 소스로 나타납니다.

일반적으로 DC 저항, 절연 저항 및 커패시턴스만 측정하는 표준 케이블 테스트 보고서에서는 임피던스 허용 오차가 거의 표시되지 않으며, 이들 중 어느 것도 케이블 길이에 따른 특성 임피던스 프로파일을 직접적으로 나타내지 않습니다. 빠른 상승 펄스를 케이블 아래로 보내고 반사를 거리의 함수로 측정하는 TDR(시간 영역 반사 측정) 테스트는 버스 케이블을 따라 임피던스 일관성을 평가하는 데 적합한 도구입니다. TDR 테스트를 케이블 승인 기준의 일부로 지정하고 TDR 트레이스를 생산 결과물로 요청하면 저항 및 커패시턴스 측정만으로는 제공할 수 없는 의미 있는 임피던스 품질을 보장할 수 있습니다. Anhui Zhishang Cable Technology Co., Ltd.는 버스 케이블 생산에 제어된 절연 구조와 일관된 꼬임 길이를 적용하여 전체 정격 세그먼트 길이에서 안정적인 버스 작동을 지원하는 임피던스 균일성을 목표로 합니다.

조달 과정에서 일반적으로 간과되는 프로토콜별 케이블 요구 사항

다양한 산업용 필드버스 프로토콜은 일반적인 설명인 "차폐 연선"을 넘어서는 케이블 구성에 대해 매우 구체적인 요구 사항을 제시합니다. 올바른 임피던스, 적절한 차폐 등 기본적인 전기 매개변수만 충족하는 비인증 케이블을 구입하는 동시에 프로토콜별 구성 요구 사항은 충족하지 못하는 시스템을 구축하면 이상적인 조건에서 작동하지만 실제 설치의 신호 부하 및 환경적 스트레스로 인해 품질이 저하되거나 실패하는 시스템이 생성됩니다. 다음 프로토콜 제품군에는 각각 사양 중 개별 주의가 필요한 바인딩 케이블 요구 사항이 있습니다.

PROFIBUS DP 유형 A 케이블은 135~165Ω 공칭 임피던스와 30pF/m의 최대 정전 용량뿐만 아니라 110Ω/km의 최소 루프 저항도 지정합니다. 이는 직관에 반하는 것처럼 보일 수 있는 더 낮은 저항 한계입니다. 이 하한은 너무 두꺼운 도체가 감쇠 특성이 너무 낮은 전송선을 생성하여 반사의 링다운 시간을 연장하고 높은 전송 속도에서 신호 무결성을 악화시키는 것을 방지하기 위해 존재합니다. PROFIBUS 표준은 또한 최소 85%의 구리 편조 쉴드 커버리지를 지정합니다. 그 이유는 쉴드가 RS-485 물리 계층에 대한 신호 기준 접지 역할을 하고 불충분한 커버리지로 인해 신호 주파수에서 쉴드 임피던스가 상승하여 공통 모드 거부가 저하되기 때문입니다.

100Mbit/s 또는 1Gbit/s에서 작동하는 EtherCAT, PROFINET 및 산업용 이더넷 프로토콜에는 IEC 11801에 따른 카테고리 5e 또는 카테고리 6의 전기적 성능을 충족하는 케이블이 필요하지만 사무용 이더넷 케이블에는 적용되지 않는 추가 기계적 인증도 필요합니다. 산업용 이더넷 케이블은 일반적으로 IEC 61156-6(고정 설치용) 또는 IEC 61156-7(드래그 체인 및 연속 플렉스 사용용)을 준수해야 하며, 이는 제조 환경에 존재하는 산업용 화학 물질(절삭유, 유압 오일, 세척제)에 대한 최소 굽힘 반경, 인장 하중 내구성 및 견고성을 지정합니다. 산업용 이더넷 애플리케이션에서 표준 사무용 Cat5e 케이블을 사용하면 첫날에는 전기 사양을 충족하지만 공장 환경에서 일상적으로 발생하는 기계적 및 화학적 노출로 인해 성능이 급격히 저하됩니다.

미터당 버스 케이블 용량이 최대 세그먼트 길이와 노드 수를 제한하는 방법

Fieldbus 세그먼트에 허용되는 최대 세그먼트 길이와 최대 노드 수는 임의의 프로토콜 매개변수가 아닙니다. 이는 더 많은 케이블 커패시턴스와 더 많은 노드 입력 커패시턴스가 버스에 추가됨에 따라 누적되는 신호 부하에서 파생됩니다. 이 관계를 이해하면 표준 세그먼트 길이 테이블이 특정 플랜트 레이아웃에 대해 너무 제한적이거나 짧은 세그먼트의 조밀한 노드 배열이 예기치 않게 부하 한계에 도달할 때 시스템 설계자가 케이블 선택에 대해 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다.

RS-485 기반 필드버스 프로토콜의 경우 버스에 연결된 각 노드는 원래 12kΩ 입력 임피던스로 정의된 단위 부하 형태로 라인 드라이버에 부하를 제공합니다. 그러나 많은 최신 트랜시버는 1/4 또는 1/8의 분수 단위 부하를 제공하므로 세그먼트당 더 많은 노드를 허용합니다. 케이블 커패시턴스는 세그먼트를 따라 분산 부하 역할을 합니다. 12Mbit/s에서 PROFIBUS DP는 30nF의 최대 세그먼트 커패시턴스를 지정합니다. 이는 30pF/m 케이블을 사용할 때 최대 케이블 길이가 100미터에 해당합니다. 50pF/m 정전 용량을 갖춘 케이블의 동일한 30nF 예산은 세그먼트를 60미터로 제한합니다. 이는 미터당 비용을 절약하는 낮은 사양의 케이블을 구입하면 달성 가능한 시스템 레이아웃을 직접적으로 줄일 수 있으며 잠재적으로 케이블 절감 비용보다 훨씬 더 많은 비용이 드는 추가 리피터 또는 세그먼트 분할이 필요할 수 있음을 의미합니다.

케이블 커패시턴스는 특성 임피던스를 제어하는 ​​동일한 기하학적 요소(도체 직경, 절연체 벽 두께 및 유전 상수)에 의해 물리적으로 결정됩니다. 낮은 정전용량에 최적화된 케이블은 일반적으로 유전율이 낮은 폼 또는 셀룰러 화합물과 함께 두꺼운 절연체를 사용하며, 동시에 PROFIBUS에서 지정한 높은 특성 임피던스 값(135~165Ω)을 달성합니다. 낮은 커패시턴스와 높은 임피던스라는 이 두 가지 특성은 기하학적으로 일관되고 동일한 설계 결정으로 달성됩니다. 따라서 고품질 버스 케이블은 두 요구 사항을 동시에 충족할 수 있는 반면, 커패시턴스를 제어하지 않고(또는 그 반대로) 임피던스를 충족하는 저예산 케이블은 네트워크가 전체 크기로 시운전될 때만 명백해지는 설치 제약을 생성합니다. Zhishang Cable은 두 매개변수가 기본 사양으로 제어되는 버스 케이블을 제조하여 시스템 설계자에게 프로토콜이 허용하는 전체 세그먼트 길이 헤드룸을 제공합니다.

로봇 및 이동 축 애플리케이션을 위한 연속 플렉스 버스 케이블 구성

산업용 버스 케이블 로봇 암, 7축 협동 로봇, 선형 이송 시스템 및 공작 기계 축에 설치된 로봇은 고정 설치 패널 배선의 기계적 요구 사항과 완전히 다른 기계적 요구 사항을 경험합니다. 3교대 작업을 통해 분당 60사이클을 완료하는 로봇 팔은 하루에 약 100,000회의 플렉스 사이클을 축적하여 1년 동안 2,500만 사이클에 도달합니다. 이러한 주기 횟수에서 동적 굽힘을 위해 특별히 설계되지 않은 케이블 구조의 모든 요소는 잠재적인 실패 시작 지점이 됩니다. 도체 와이어 파손, 차폐 편조 파손, 굴곡 지점의 절연 균열 및 기본 요소의 재킷 박리 등은 모두 표준 고정 설치 케이블을 사용하는 경우 케이블의 예상 서비스 수명 내에서 현실적인 실패 모드가 됩니다.

연속 플렉스 버스 케이블 구조는 특정 설계 선택을 통해 각 오류 모드를 해결합니다. 도체는 단면적이 작은 도체의 경우 개별 와이어 직경이 0.04~0.06mm만큼 작은 가장 우수한 연선 클래스(IEC 60228에 따른 클래스 6 또는 이에 상응하는 등급)를 사용합니다. 미세한 와이어는 굽힘 응력을 분산시켜 케이블의 지정된 최소 굽힘 반경 주기 동안 개별 와이어가 탄성 한계를 초과하여 변형되지 않도록 합니다. 쌍 꼬임은 너무 짧지도(굽힘 및 파손 시 외부 도체가 조여짐) 너무 길지도(굴곡 시 쌍 형상이 왜곡되어 굽힘 지점에서 임피던스가 변경됨) 최적화된 꼬임 길이로 적용됩니다. 브레이드인 경우 전체 쉴드는 굽힘 사이클 카운트를 통해 연속성과 적용 범위를 유지하기 위해 특별히 계산된 직조 각도와 적용 범위를 갖춘 미세 와이어 편조를 사용합니다. 정적 설치용으로 설계된 쉴드는 로봇 응용 분야에 필요한 플렉스 수명의 일부 내에서 개별 브레이드 와이어의 개방 회로를 개발합니다.

연속 플렉스 버스 케이블의 재킷 재료 선택은 단순히 유연한 화합물을 선택하는 문제가 아닙니다. 재킷은 또한 타원화 없이 반복적인 굽힘을 통해 케이블의 원통형 단면을 유지해야 합니다. 이렇게 하면 유전체 형상이 변경되고 케이블의 특성 임피던스가 공칭 값에서 벗어나게 됩니다. PUR(폴리우레탄) 재킷은 대부분의 연속 플렉스 버스 케이블 응용 분야에서 선호되는 선택입니다. PUR은 높은 내마모성과 변형 후 일관된 탄성 회복을 결합합니다. 즉, 케이블이 타원형 프로파일을 향해 점진적으로 변형되는 대신 각 굽힘 주기 후에 원래 단면으로 돌아갑니다. 공작 기계 환경에 보편적으로 존재하는 유압유, 절삭유 및 산업용 세척제에 대한 PUR의 저항성은 비슷한 유연성을 제공하지만 기계 윤활유에서 흔히 발견되는 방향족 및 지방족 탄화수소에 대한 화학적 저항성이 낮은 TPE 재킷에 비해 추가적인 이점입니다.

고정 설치 버스 케이블과 연속 플렉스를 구별하는 구성 요소

• 도체 좌초 등급: 클래스 6 미세 연선(IEC 60228) 대 클래스 2 또는 클래스 5; 미세한 가닥은 굽힘 응력을 분산시키고 케이블의 정격 동적 굽힘 반경에서 10배 이상 피로 수명을 연장합니다.
• 최적화된 페어 레이 길이: 굽힘 시 임피던스 이동을 방지하도록 제어됩니다. 너무 짧으면 내부 굽힘 반경에서 도체가 과도하게 조여지고, 너무 길면 쌍 형상 왜곡이 발생합니다.
• 미세 와이어 편조 실드: 개별 와이어 파손 없이 정격 플렉스 사이클 수를 통해 적용 범위 비율을 유지하는 계산된 편조 각도로 직경 0.10mm 미만의 와이어로 직조됩니다.
• PUR 외부 재킷: 굽힘 후 탄성 단면 회복을 제공하여 특성 임피던스를 이동시키는 점진적인 타원화를 방지합니다. 또한 오일 및 산업용 화학물질에도 내성이 있습니다.
• 비접착 요소 분리: 케이블 요소 사이의 필러와 바인더는 굽힘 중에 상대적인 움직임을 허용해야 합니다. 요소 간 미끄러짐을 방지하는 접합 구조는 굽힘 지점에서 내부 요소를 파손시키는 전단 응력을 생성합니다.