産業用バスケーブル Manufacturers

特性インピーダンス許容差とそれがバス ネットワークの信頼性に直接影響する理由

差動平衡伝送線を使用するすべての産業用フィールドバス プロトコル (PROFIBUS DP、デバイスネット、CANopen、RS-485 ベースのシステム) では、ケーブルの公称特性インピーダンス (最も一般的には 120Ω) が指定されています。この値は任意の規則ではありません。この値はバス セグメントの両端に配置された終端抵抗と一致し、一致したケーブル インピーダンスと終端抵抗の組み合わせによって、データ フレームを破損する信号反射が抑制されます。ケーブルの実際の特性インピーダンスが指定された値から逸脱すると、終端抵抗は完全なインピーダンス整合を形成しなくなり、部分反射がバスに沿って逆戻りし、信号遷移にノイズが追加され、特にプロトコルで許可されている最大セグメント長が高いボー レートに近い場合に、ビット エラー レートが増加します。

特性インピーダンスは、ケーブルのツイストペアの形状、具体的には、導体の直径と絶縁体の外径の比、および絶縁体の誘電率によって決まります。 120Ω ターゲットの場合、これらのパラメータは製造中に厳密に制御する必要があります。公称よりも 5% 薄い絶縁壁は、インピーダンスを約 3 ～ 4 Ω 低下させます。この偏差は小さいように見えますが、定格長さの制限近くで動作するセグメントに測定可能な反射係数を引き起こす可能性があります。固体絶縁体と比較して実効誘電率が低い発泡またはセルラー誘電体絶縁化合物は、より薄い絶縁壁で目標インピーダンスを達成するために高級バスケーブルに使用されており、電気的精度を維持しながらケーブル全体の直径を縮小します。公称インピーダンス 120 Ω を満たしていても、より広い公差 (管理された製造で達成可能な ±5 Ω に対して ±15 Ω) で製造されたケーブルは、その長さに沿ってポイントツーポイントのインピーダンス変動を示し、終端抵抗では補正できず、バス セグメント全体で分散反射源として現れます。

インピーダンス許容差は、標準的なケーブルテストレポートではほとんど表示されません。標準的なケーブルテストレポートでは、通常、DC 抵抗、絶縁抵抗、および静電容量のみが測定されますが、いずれもケーブル長に沿った特性インピーダンス プロファイルを直接明らかにするものではありません。時間領域反射率測定 (TDR) テストは、高速立ち上がりパルスをケーブルに送信し、距離の関数として反射を測定するもので、バス ケーブルに沿ったインピーダンスの一貫性を評価するのに適したツールです。ケーブルの受け入れ基準の一部として TDR テストを指定し、生産成果物として TDR トレースを要求することにより、抵抗と静電容量の測定だけでは提供できないインピーダンス品質の有意義な保証が提供されます。 Anhui Zhishang Cable Technology Co., Ltd. は、制御された絶縁形状と一貫した撚り長さをバス ケーブルの製造に適用し、定格セグメント長全体で信頼性の高いバス動作をサポートするインピーダンスの均一性を目標としています。

調達時に見落とされがちなプロトコル固有のケーブル要件

さまざまな産業用フィールドバス プロトコルでは、一般的な記述子である「シールド付きツイスト ペア」を超える、非常に特殊な要件がケーブル構造に課されます。基本的な電気パラメータ（正しいインピーダンス、適切なシールド）のみを満たし、プロトコル固有の構造要件を満たしていない不適格なケーブルを購入すると、理想的な条件下では動作するものの、実際の設置の信号負荷や環境ストレス下で劣化または故障するシステムが作成されます。次のプロトコル ファミリにはそれぞれバインディング ケーブル要件があり、仕様作成時に個別に注意する必要があります。

PROFIBUS DP タイプ A ケーブルは、公称インピーダンス 135 ～ 165 Ω、最大静電容量 30pF/m だけでなく、最小ループ抵抗 110 Ω/km (直感に反しているように見えるかもしれない下限抵抗値) も指定しています。この下限は、過度に厚い導体によって減衰特性が低すぎる伝送ラインが形成され、反射のリングダウン時間が延長され、高いボーレートでの信号の完全性が悪化するのを防ぐために存在します。また、PROFIBUS 規格では、少なくとも 85% の銅編組シールド カバレッジを指定しています。これは、シールドが RS-485 物理層の信号基準グランドとして機能し、カバレッジが不十分であると信号周波数でのシールド インピーダンスが上昇し、コモンモード除去が低下するためです。

100 Mbit/s または 1 Gbit/s で動作する EtherCAT、PROFINET、および産業用 Ethernet プロトコルには、IEC 11801 に基づくカテゴリ 5e またはカテゴリ 6 の電気的性能を満たすケーブルが必要ですが、オフィス グレードの Ethernet ケーブルでは満たされていない追加の機械的認定が必要です。産業用イーサネット ケーブルは通常、IEC 61156-6 (固定設置の場合) または IEC 61156-7 (ドラッグ チェーンおよび連続フレックス使用の場合) に準拠する必要があります。これらの規格では、最小曲げ半径、引張荷重耐性、製造環境に存在する工業用化学物質 (切削液、作動油、洗浄剤) に対する堅牢性が規定されています。産業用イーサネット アプリケーションで標準のオフィス グレードの Cat5e ケーブルを使用すると、初日から電気仕様を満たしますが、工場環境で日常的に発生する機械的および化学的暴露により急速に劣化します。

1 メートルあたりのバス ケーブルの静電容量が最大セグメント長とノード数を制限する方法

フィールドバス セグメントで許可される最大セグメント長と最大ノード数は、任意のプロトコル パラメータではありません。これらは、ケーブル容量とノード入力容量がバスに追加されるにつれて蓄積される信号負荷から導出されます。この関係を理解することで、システム設計者は、標準のセグメント長テーブルが特定のプラント レイアウトに対して制限が多すぎることが判明した場合、または短いセグメント上の密なノード配置が予期せず負荷制限に近づいた場合に、ケーブルの選択について情報に基づいた決定を下すことができます。

RS-485 ベースのフィールドバス プロトコルの場合、バスに接続されている各ノードは、単位負荷の形でライン ドライバに負荷を与えます。単位負荷は元々 12 kΩ 入力インピーダンスとして定義されていましたが、最近のトランシーバーの多くは 1/4 または 1/8 の分数単位負荷を示し、セグメントあたりのノード数を増やすことができます。ケーブル静電容量は、セグメントに沿った分散負荷として機能します。12 Mbit/s で、PROFIBUS DP は最大セグメント静電容量 30 nF を指定します。これは、30 pF/m ケーブルを使用する場合、最大ケーブル長 100 メートルに相当します。容量が 50 pF/m のケーブルに同じ 30 nF を割り当てても、セグメントはわずか 60 メートルに制限されます。これは、メートルあたりのコストを節約する低仕様のケーブルを購入すると、実現可能なシステム レイアウトが直接縮小する可能性があり、ケーブルの節約よりもはるかに高いコストがかかる追加のリピーターやセグメント分割が必要になる可能性があることを意味します。

ケーブルの静電容量は、特性インピーダンスを制御するのと同じ幾何学的要因、つまり導体の直径、絶縁壁の厚さ、誘電率によって物理的に決定されます。低静電容量用に最適化されたケーブルは通常、低誘電率の発泡体または気泡化合物を含む厚い絶縁体を使用し、同時に PROFIBUS で指定された高い特性インピーダンス値 (135 ～ 165 Ω) を達成します。これら 2 つの特性 (低静電容量と高インピーダンス) は幾何学的に一貫しており、同じ設計決定によって実現されます。そのため、高品質のバス ケーブルは両方の要件を同時に満たすことができますが、静電容量を制御せずにインピーダンスを満たす (またはその逆) 低予算のケーブルでは、ネットワークがフルサイズで稼働した場合にのみ明らかになる設置上の制約が生じます。 Zhishang Cable は、主な仕様として制御された両方のパラメータを備えたバス ケーブルを製造し、システム設計者にプロトコルが許可するフル セグメント長のヘッドルームを提供します。

ロボットおよび移動軸アプリケーション向けの連続フレックスバスケーブル構造

産業用バスケーブル ロボットアーム、7 軸協働ロボット、リニアトランスファシステム、工作機械の軸に設置される は、固定設置のパネル配線とは決定的に異なる機械的要求にさらされます。 3 交代勤務で 1 分あたり 60 サイクルを実行するロボット アームは、1 日あたり約 100,000 屈曲サイクルを蓄積し、1 年間で 2,500 万サイクルに達します。これらのサイクル数では、動的屈曲用に特別に設計されていないケーブル構造のすべての要素が潜在的な故障の開始点になります。標準の固定設置ケーブルが使用されている場合、導線の破断、シールド編組の破損、屈曲点での絶縁体の亀裂、および下層の要素からのジャケットの剥離はすべて、ケーブルの予想耐用年数内で現実的な故障モードになります。

連続フレックスバスケーブル構造は、特定の設計選択を通じて各故障モードに対処します。導体は利用可能な最も細い撚線クラス (IEC 60228 のクラス 6 または同等のもの) を使用しており、小さな断面積の導体の場合、個々のワイヤの直径は 0.04 ～ 0.06 mm と小さいです。細いワイヤは曲げ応力を分散するため、ケーブルの指定された最小曲げ半径サイクル中に個々のワイヤがその弾性限界を超えて引っ張られることはありません。ペアツイストは、短すぎず（曲げると外部導体がきつくなり破損する）、長すぎず（曲げるとペアの形状が歪み、曲げ点でのインピーダンスが変化する）最適化された撚り長さで適用されます。シールド全体は、編組の場合、曲げサイクル数を通じて連続性とカバレッジ率を維持するように特別に計算された織り角度とカバレッジを備えた細線編組を使用します。静的設置用に設計されたシールドは、ロボット用途に必要な屈曲寿命の数分の一以内で、個々の編組ワイヤに開回路が発生します。

連続フレックスバスケーブルのジャケット材料の選択は、単に柔軟な化合物を選択するだけの問題ではありません。ジャケットは、楕円化せずに繰り返し曲げてもケーブルの円筒断面を維持する必要もあります。楕円化すると、誘電体の形状が変化し、ケーブルの特性インピーダンスが公称値からずれる可能性があります。 PUR (ポリウレタン) ジャケットは、ほとんどの連続フレックス バス ケーブルの用途に適した選択肢です。PUR は、高い耐摩耗性と変形後の一貫した弾性回復力を兼ね備えています。つまり、ケーブルは、各曲げサイクル後に楕円形のプロファイルに向かって徐々に変形するのではなく、元の断面に戻ります。工作機械の環境に広く存在する作動油、切削液、および工業用洗浄剤に対する PUR の耐性は、TPE ジャケットに比べてさらなる利点です。TPE ジャケットは、同等の柔軟性を備えていますが、機械の潤滑剤に一般的に含まれる芳香族および脂肪族炭化水素に対する耐薬品性が低くなります。

連続フレックスバスケーブルと固定設置バスケーブルを区別する構造要素

• 導体の撚りクラス: クラス 6 細線より線 (IEC 60228) とクラス 2 またはクラス 5 の比較。より細い素線は曲げ応力を分散し、ケーブルの定格動的曲げ半径での疲労寿命を一桁以上延長します。
• 最適化されたペアレイ長さ: 曲げによるインピーダンスの変化を防ぐように制御されています。短すぎると内側の曲げ半径で導体が締めすぎてしまい、長すぎるとペアの形状が歪む可能性があります。
• 細線編組シールド: 直径 0.10 mm 未満のワイヤーで計算された編組角度で編まれており、個々のワイヤーが破損することなく定格屈曲サイクル数を通じて被覆率を維持します。
• PURアウタージャケット： 曲げ後の弾性断面回復を実現し、特性インピーダンスを変化させる進行性の楕円化を防ぎます。油や工業用化学薬品にも耐性があります。
• 非粘着性要素の分離: ケーブル要素間のフィラーとバインダーは、曲げ中の相対的な動きを許容する必要があります。要素間の滑りを防ぐ接着構造により、曲げ点で内側の要素を破壊するせん断応力が発生します。