Ethernet Industrial - Aprenda sobre

  • Originalmente desenvolvida no Xerox Palo Alto Research Center (PARC) na década de 1970, a Ethernet cresceu e se tornou o sistema de rede mais comum do mundo. Durante as décadas seguintes, grandes mudanças e extensões das normas permitiram que a Ethernet atendesse a uma ampla variedade de aplicações jamais consideradas pelos desenvolvedores originais.

    Uma dessas aplicações é a Ethernet Industrial. Os fornecedores e os órgãos normativos adotaram a camada física subjacente da Ethernet para criar uma variedade de tecnologias como PROFINET, Ethernet/IP (Protocolo Industrial), EtherCAT e Modbus-TCP, todos otimizados para automação industrial.

    Limites de teste para configurações de cabo de ponta a ponta

    Figura 1. A tela do DSX CableAnalyzer™ exibe limites de teste para diferentes configurações de cabo ponta a ponta, incluindo os limites E1, E2 e E3.

    Padrões de cabeamento e conectores

    Todas as aplicações de Ethernet Industrial são projetadas para funcionar em par trançado de cobre ou em cabos de fibra semelhantes aos usados em Ethernet “regular”, com algumas modificações para o ambiente da fábrica. A International Standards Organization (ISO) e a Telecommunications Industry Association (TIA) desenvolveram um conjunto de especificações para definir as possíveis condições de ambiente dentro dos locais industriais. Elas são conhecidas como especificações Mecânicas, de Ingresso, Climática/Química, Eletromagnética (MICE). Os níveis MICE descrevem vários graus de condições ambientais, com MICE 1 definindo um ambiente de escritório típico, MICE 2 definindo um ambiente levemente mais hostil e MICE 3 definindo um ambiente industrial pesado.

    Para atender a esses requisitos, os fornecedores desenvolveram conectores e cabos especializados. Isso inclui cabos que podem operar enquanto comprimidos, aquecidos, imersos ou expostos a químicos cáusticos. Na maioria dos casos, isso afeta os requisitos da tomada externa do cabo, enquanto as características elétricas permanecem as mesmas, seja para MICE 1 ou MICE 3. Todavia, uma diferença notável é encontrada nos requisitos Eletromagnéticos, em que requisitos específicos para Perda por Conversão Transversal (TCL) são especificadas para E1, E2 e E3. Essa especificação avalia a capacidade do cabo tolerar interferências de sinais elétricos externos, como aquelas geradas por soldadores, motores com inversores de frequência e alta tensão.

    Os condutores são verificados de modo especial já que podem ser um ponto de penetração. Uma abordagem é envolver o conector modular de 8 pinos padrão (RJ45) em um receptáculo vedado e aparafusado. Esse conector tem a vantagem de ser compatível com a maioria dos dispositivos e cabos Ethernet “regulares”. O conector “M12” foi desenvolvido para aplicações de choque e vibração mais exigentes, e conta com um pequeno conector de bloqueio redondo que pode incluir dois pares (M12-D) ou quatro pares (M12-X). Uma configuração de cabeamento industrial comum incluirá um conector modular de 8 pinos em uma extremidade do cabo conectado a um conector M12 na outra extremidade.

    Problemas de Cabeamento

    Resultados de teste “aprovados” para um link 6A Categoria 1005 TIA com limites E2

    Figura 2. Tela do DSX CableAnalyzer exibindo resultados de teste “aprovados” para um link 6A Categoria 1005 TIA com limites E2.

    Mais da metade dos problemas de Ethernet Industrial podem ser rastreados para o cabeamento. Alguns desses problemas aparecem imediatamente durante o processo de inicialização; outros podem permitir que a conexão funcione adequadamente até que algum fator, como alterações ambientais, gere falhas de comunicação. A Ethernet é uma tecnologia robusta que permite que as comunicações continuem mesmo em circunstâncias marginais. Todavia, uma mudança em tais circunstâncias pode gerar problemas de comunicação ou uma falha completa no futuro. Aqui estão os problemas mais comuns de cabeamento.

    Conectividade

    O requisito mais básico para o cabeamento é que os pinos de uma extremidade estejam conectados aos pinos corretos na outra extremidade. Qualquer erro de fiação ou abertura no cabeamento causará uma falha no equipamento de comunicação. Um problema de fiação pouco compreendido é o chamado “par dividido”, ou seja, quando os pinos são conectados corretamente aos pinos da extremidade oposta, mas o emparelhamento dos cabos está incorreto. Isso pode levar a falhas intermitentes ou de equipamento.

    Comprimento

    Em geral, os cabos Ethernet são limitados a 100 metros de comprimento. Cabos muito longos podem causar dois tipos de problemas. Primeiramente, os sinais enfraquecem à medida que percorrem o cabo. Se o cabo for muito longo, os sinais podem ficar muito fracos para ser recebidos adequadamente na extremidade oposta. Em segundo lugar, a Ethernet é projetada para esperar respostas dentro de um período de tempo específico. O atraso causado por um cabo muito longo pode interferir nesse intervalo. Esses erros podem gerar falhas de equipamento ou problemas intermitentes. Por exemplo, já que a perda de um cabo aumenta com a temperatura, um cabo muito longo pode transmitir de modo aceitável a temperaturas mais baixas, porém apresentar falhas a temperaturas mais elevadas.

    Interferência

    Essa é uma medida da interferência eletromagnética entre pares dentro de um cabo. Por exemplo, um sinal transmitido no par “emissor” poderia gerar um sinal de interferência no par “receptor”. O transmissor poderia interpretar tal interferência como um sinal transmitido e interromper a emissão. Novamente, isso pode gerar falhas de equipamento ou intermitentes. À medida que as frequências do sinal aumentam, a interferência (crosstalk) também aumenta, tornando-se o principal determinante do desempenho máximo de um cabo de rede.

    Tela do Fluke DSX CableAnalyzer mostrando falha no teste de nível E3

    Figura 3. O DSX CableAnalyzer exibe resultados de um teste de nível E3 com falha. Note a falha de TCL.

    Integridade da Blindagem

    Muitos cabos Ethernet industriais incorporam uma blindagem – normalmente, uma folha metálica que envolve cada par dentro do revestimento externo do cabo. A finalidade dessa blindagem é reduzir o efeito da Interferência Eletromagnética (EMI) externa, que pode ser decorrente de dispositivos de alta tensão ou de alta corrente próximos ao cabo. A EMI pode causar erros de transmissão no cabo que resultarão em queda de velocidade ou mesmo falha completa. Este pode ser um problema muito difícil de resolver já que ocorrerá apenas quando a interferência for grande o suficiente para se sobrepor ao equilíbrio do sinal, ou seja, quando um motor próximo der a partida ou quando uma ferramenta de solda for usada. Para que a blindagem funcione eficazmente, é essencial que o cabo seja blindado ao longo do percurso completo, já que mesmo uma quebra de continuidade na blindagem pode diminuir significativamente o desempenho. Portanto, devem ser feitos testes na blindagem para garantir que o percurso completo do cabo seja blindado. Essa é uma medição particularmente difícil pois a blindagem geralmente é aterrada. As medições CC simples não são capazes de determinar se a blindagem é contínua se está aterrada em ambas as extremidades.

    Perda de Conversão Transversal (Transverse Conversion Loss, TCL)

    Essa é uma medida do "equilíbrio" do cabo – sua capacidade de transmitir sinais iguais em ambos os fios de um par. Cabos de par trançados atingem um alto nível de imunidade a ruído apoiando-se no diferencial entre sinais iguais e opostos nos dois fios de um par. Se o cabeamento tornar os sinais desiguais, o ruído externo pode gerar interferências nos sinais e distorcê-los a ponto de não serem reconhecidos pelo dispositivo receptor. Como observado anteriormente, os problemas de EMI podem ser muito difíceis de isolar e resolver. Para tratar esse problema, os órgãos normativos desenvolveram requisitos de TCL para cabos em ambientes MICE E1, E2 e E3.

    É importante observar que usar cabos e conectores certificados pelo fabricante para cumprir os requisitos indicados acima é essencial para garantir uma operação livre de erros, mas isso não é uma garantia completa. Às vezes, mesmo os melhores fornecedores podem produzir produtos fora de especificação e, mais comumente, técnicas de instalação inadequadas podem transformar um conjunto de componentes de alta qualidade em um link de fraco desempenho.

    O teste de cabos vai muito além do aumento do tempo de funcionamento

    Exibição de falhas de cabeamento

    Figura 4. O DSX CableAnalyzer pode encontrar uma grande variedade de falhas de cabeamento e exibi-las de uma maneira que qualquer técnico possa entender.

    As organizações com ferramentas de teste de cabos apropriadas e um entendimento básico sobre como usá-las podem aumentar o tempo de funcionamento de três maneiras:

    Inicialização mais rápida

    A medição dos parâmetros mencionados acima antes de conectar um cabo é a única maneira de garantir que ele atenda a todas as especificações necessárias e, portanto, funcionará corretamente.

    Evitar o tempo de inatividade não planejado

    O fato de um cabo passar dados na inicialização não é garantia de que ele continuará a funcionar em todas as circunstâncias. Várias mudanças no ambiente após a instalação podem gerar falhas. Se o cabo for testado para os parâmetros indicados anteriormente e passar, as chances de falhas futuras baseadas em tais fatores podem ser eliminadas.

    Resolva os problemas mais rápido

    Até mesmo um cabo testado pode falhar devido a violações, como ser acidentalmente cortado, separado ou derretido. No caso de uma falha de rede, ser capaz de diagnosticar um problema de cabeamento rapidamente pode economizar tempo considerável. Em vez de passar horas substituindo um cabo suspeito, alguns segundos de teste podem verificar se está tudo bem e os esforços de resolução de problemas poderão ser concentrados em outro ponto. E se o cabo estiver ruim, os diagnósticos do testador podem indicar o problema. Por exemplo, saber que a falha está no conector da extremidade significa que você gastará alguns minutos substituindo um conector com defeito, em vez de rotear novamente um cabo totalmente novo.

    Em resumo, testar cabos durante a instalação pode agilizar o processo de inicialização e evitar problemas futuros. Ter um testador de cabos a mão para o caso de falha pode economizar horas em resolução de problemas e interrupções.

    Ferramentas de testes de cabos Ethernet Industrial

    As ferramentas de teste de cabos podem ser divididas em duas categorias: testadores de pré-implantação e solucionadores de problemas que aninham cabos e redes.

    Dados de rede exibidos, incluindo porta do switch, nome, VLAN e configurações de velocidade

    Figura 5. Os testadores de cabo + rede, como o LinkIQ™, podem exibir dados de rede, incluindo porta do comutador, nome, VLAN e configurações de velocidade.

    Testadores de pré-implantação (comissionamento)

    Essas ferramentas fornecem testes para todos os parâmetros de cabeamento mencionados acima, incluindo interferência, integridade de blindagem e TCL. A série DSX CableAnalyzer é o único testador de cabos capaz de medir todos esses parâmetros, incluindo a integridade da blindagem ao longo do caminho do cabeamento. O testador gera um resultado PASSA ou FALHA e pode gerar um relatório para fins de documentação. Testar com uma ferramenta de certificação antes da inicialização é a única maneira de saber se o cabo cumpre todas as especificações necessárias, como indicado anteriormente, e a melhor maneira de evitar problemas de cabeamento. Essas ferramentas também podem ser usadas para resolução de problemas e podem localizar não só cabos quebrados, mas problemas mais difíceis, como presença de água em um cabo ou um conector fora de especificação.

    Testador de cabo e rede

    Essas ferramentas fornecem a capacidade de testar o cabeamento de Ethernet industrial mais os dispositivos ativos conectados a esse cabeamento. Elas verificam se o cabeamento foi conectado adequadamente (incluindo o teste de par dividido) e podem medir o comprimento do cabo, além de identificar o local das quebras de cabos. Elas também podem verificar o switch de rede ao qual estão conectadas, mostrando a velocidade da porta e o Power over Ethernet e, em alguns casos, o nome do switch, o número da porta e a VLAN. Isso pode economizar muito tempo, eliminando o cabeamento ou a operação e configuração do switch como um problema, permitindo que a equipe se concentre em onde o problema realmente está.

    As equipes que não tiverem condições de investir em testadores para certificação ainda podem se beneficiar deles em novos projetos ao alugar o dispositivo ou contratar um prestador de serviços de cabeamento para testar o cabo antes da inicialização. O baixo custo das ferramentas de cabo + rede permite que elas sejam mantidas à mão em qualquer instalação, eliminando o tempo necessário para organizar uma locação ou um contratado em caso de falha. O custo de tais ferramentas é facilmente recuperado no tempo economizado para resolver uma única falha de rede.

    Comparação dos produtos de teste de cabos da Fluke Networks para Ethernet Industrial

      MicroScanner™ PoE-IE LinkIQ™-IE Série DSX™
    Aplicação Principal  Resolução de problemas de rede + cabo Resolução de problemas de rede + cabo Instalação, resolução de problemas
    Conectividade 
    Comprimento 
    Interferência    X
    Integridade da Blindagem    Básico Avançado  
    TCL / Nível “E” M.I.C.E.     
    Relatório   
    Localização de Falha  Básico  Básico  Avançado 
    Testes de rede  Velocidade para alimentação PoE 10 Gb/s Velocidade para 10 Gb/s, nome do switch, porta, VLAN, alimentação PoE, piscagem da porta  
    Suporte a conector  RJ45, M12D, M12X e M8D RJ45, M12D, M12X e M8 RJ45, M12D e M12X