Attualmente, Ethernet è lo standard per le reti locali più installato. Sviluppato per ambienti d'ufficio e laboratori, che sono stati serviti con successo e sicurezza per oltre trent'anni, Ethernet è entrato negli ultimi anni anche nel mondo industriale, principalmente per applicazioni di controllo e automazione. I due ambienti non potrebbero però differire di più, soprattutto se si considera lo stress indotto su un sistema di cablaggio per Ethernet. Il tipico ambiente d'ufficio è, per il cablaggio, una sorta di approdo sicuro, mentre il mondo industriale può presentare condizioni operative severe e rischiose, con ciò intendendo che esiste un rischio reale nell'installare prodotti di cablaggio 'commerciale' nel paesaggio industriale.
Il fatto è che un cavo di Categoria 5E Utp di tipo commerciale è alquanto fragile, comparato con uno di tipo industriale; con il primo, qualsiasi tipo di stress o rischio in ambiente industriale può trasformarsi in uno dei classici problemi, quali funzionamento intermittente, incremento di difetti e degradamento delle prestazioni. Il risultato potrebbe essere una perdita di dati, un'interruzione di processo o una caduta nel livello di sicurezza delle operazioni.
Il cavo commerciale non è adatto: perché?
In ambiente industriale, i cavi Ethernet sono normalmente impiegati per trasferire segnali tra apparati, in modo che si verifichino eventi programmati. Il tempo è la chiave e non ci sono margini di errore. Per contro, in ambiente d'ufficio ritrasmissioni di segnali sono normalmente accettabili quando c'è un problema. L'ambiente è più 'indulgente'. Un'altra importante differenza tra le due tipologie è che, a differenza dell'ufficio, le strutture industriali sono costantemente sottoposte a condizioni severe o estreme. Il freddo estremo può rendere un cavo rigido e fragile, con temperature elevate la plastica utilizzata per la costruzione del cavo può degradarsi. L'attenuazione del segnale in un normale cavo da interno può crescere dello 0,4% per grado Celsius al di sopra di 20 °C. A 60 °C l'attenuazione potrebbe essere cresciuta del 16%. Solventi e altri composti chimici forti, come i lubrificanti, potrebbero essere impiegati su un pavimento di un ambiente produttivo. I lubrificanti a base di petrolio possono penetrare all'interno dei cavi per ufficio, specialmente in ambienti caldi, causando il rigonfiamento della guaina, che perde le sue proprietà meccaniche. Quando i cavi da interno sono sottoposti a radiazioni UV alla luce solare, la guaina esterna in plastica può decomporsi a un ritmo accelerato, perdendo le sue qualità meccaniche. Ciò può limitare la vita utile del cavo. La maggior parte dei cavi commerciali di Categoria 5E non è progettata per uso esterno. I cavi di un ambiente industriale sono facilmente sottoposti a forti trazioni (oltre a quelle dovute al processo d'installazione iniziale); può essere necessario rimuoverli se l'apparato viene spostato. Tirare un cavo Utp di tipo commerciale con forza eccessiva può provocare il suo stiramento. L'elongazione può accrescere l'attenuazione, limitando la distanza operativa del cavo. Le coppie twistate tradizionali si possono aprire, cambiando la spaziatura tra i conduttori. Lo sbilanciamento risultante può indurre accoppiamento tra le coppie (ad esempio, diafonia), eco di segnale (return loss) e incrementare la suscettibilità in ambienti Emi/Rfi.
Quanto costano i difetti
Se un sistema di cablaggio Ethernet funziona male in un ambiente industriale, il costo reale è tipicamente superiore al solo costo di sostituzione del cablaggio. Difatti, il costo del cablaggio in sé è solo una piccola frazione del costo dell'intera rete. Il costo reale può essere maggiore, in ragione di questi fattori:
- una perdita di guadagni a causa di interruzioni non pianificate. Il costo del fermo macchina in una fabbrica di automobili è stato stimato in 10mila dollari per ora. Per una cartiera di grandi dimensioni diventa 30mila dollari all'ora e per un oleodotto è 25mila dollari per ora;
- una serie di ritrasmissioni, se le prestazioni sono intermittenti;
- una perdita di sicurezza per i lavoratori. Quale costo un'azienda è disposta a pagare, in termini di responsabilità, se viene adottato un cavo non adatto per un'applicazione critica per la sicurezza? Con un'ampia perdita potenziale di guadagno in gioco, è importante scegliere fin dall'inizio un cavo progettato per un ambiente industriale.
Commerciale o industriale?
Forte della sua esperienza nel settore della trasmissione dati nei più disparati contesti applicativi, Belden da anni propone al mercato una serie di cavi progettati specificatamente per l'ambiente industriale, la serie DataTuff Industrial Ethernet, e mette a punto tecnologie per risolvere alcune problematiche specifiche, come la tecnologia Belden Bonded-pair, che permette di incollare l'isolamento dei conduttori delle coppie del cavo per tutta la sua lunghezza, evitando l'apertura delle coppie twistate tradizionali, che cambiano di solito la spaziatura tra i conduttori.
Belden ha eseguito verifiche intensive per comparare le prestazioni fisiche ed elettriche dei cavi per interni con quelli industriali. I risultati di ogni prova indicano chiaramente perché un cavo di tipo commerciale non è adatto per un'ampia varietà di condizioni estreme che possono verificarsi in ambiente industriale. Per condurre questi test, Belden ha utilizzato apparati d'avanguardia e software proprietari. È importante notare che tutti i cavi collaudati per questo studio sono stati inizialmente verificati come pienamente confacenti agli standard Tia/Eia di Categoria 5E; cioè sono stati validati per essere 'buoni' quando le prove sono iniziate. Di seguito si descrivono alcune prove e i relativi risultati ottenuti da Belden.
Abrasione
In questa prova a temperatura ambiente, la superficie di un cilindro fisso è rivestita di carta abrasiva e i cavi sono tirati avanti e indietro ciclicamente su una porzione della circonferenza, con il cavo guidato ad un estremo da un apposito braccio meccanico, mentre all'altro estremo viene applicato un peso sospeso, per metterlo in tensione. I cicli di abrasione sono conteggiati da un contatore. Dopo 25 cicli, i conduttori di un cavo commerciale si scorgono attraverso aperture nella guaina. In parole povere, a causa delle abrasioni dovute ai 25 sfregamenti sul cilindro, questo cavo comincia a perdere l'integrità meccanica ed elettrica. È stato testato il cavo armato industriale Belden DataTuff Industrial Ethernet 121700A: l'integrità meccanica ed elettrica del cavo non è compromessa. Se la guaina di un cavo da interno è compromessa da abrasione, il cavo può ancora essere in grado di trasmettere, ma non sarà sicuramente stabile nel lungo termine. Eventualmente, può verificarsi un cortocircuito o un arco elettrico, generando problemi di sicurezza. I cavi DataTuff resistono più a lungo dei cavi commerciali in ambienti dove l'abrasione della guaina è un rischio.
Impatto del freddo
Seguendo le prescrizioni della normativa UL 444, un peso di alluminio viene fatto cadere sul segmento di cavo in prova, che è stato preventivamente raffreddato. La forza d'impatto è di 2,7 Joule. Sono eseguite dieci verifiche a temperature sempre più basse. Il meccanismo di guasto è simile a quello della prova di abrasione (e a quello di curvatura a freddo), per cui l'integrità della guaina viene meno, permettendo l'ingresso nel cavo di composti chimici e umidità. Ciò può portare a contatti tra i conduttori e tra i conduttori e oggetti metallici presenti nell'ambiente. Potrebbero esserci gravi problemi per le prestazioni elettriche. Il cavo commerciale collassa a -20 °C, mentre la guaina del cavo industriale 7928A, adatta per temperatura basse o elevate, si rompe a -70 °C. Nell'ambiente industriale, le basse temperature possono a volte combinarsi con shock meccanici o collisioni, danneggiando la guaina del cavo. Il cavo commerciale, costruito per sopportare stress relativamente leggeri, è semplicemente non adatto per resistere all'impatto del freddo, perché diventa suscettibile di rottura.
Curvatura a freddo
Sempre seguendo la normativa UL 444, campioni di cavo sono posti in una 'camera fredda', con temperatura e umidità controllata, per circa un'ora, in modo da poter essere condizionati dalle condizioni climatiche (sono testati a -80, -60 e -40 °C). Poi sono parzialmente avvolti su un cilindro orizzontale di circa 8 cm di diametro, con un estremo del cavo sotto tensione per mezzo di un peso in alluminio. Sono immediatamente srotolati e ispezionati a vista, per riscontrare rotture sulla guaina. L'esposizione a queste temperature rende la guaina del cavo commerciale fragile e incrinabile. Il cavo industriale 7928A è stato mantenuto a -80 °C e curvato senza rotture nella guaina. I cavi di tipo commerciale sono ideali per gli ambienti climatizzati degli uffici, ma diventano fragili se esposti a temperature basse.
In questo test, i tecnici di Belden non sono riusciti a trovare una temperatura tanto bassa da far rompere la guaina del loro cavo.
Schiacciamento
Una testa Instrom supporta una piastra di 5x5 cm da far cadere su un segmento di cavo per schiacciarlo, con guasto definito come il punto in cui il cavo non può più supportare le applicazioni della Categoria 5E. Per realizzare la prova, il cavo è collegato agli apparati di test per misurarne le caratteristiche elettriche, come return loss e impedenza; la pressione di schiacciamento è aumentata gradualmente, a temperatura ambiente. I criteri di misura sono quelli citati dallo standard Tia/Eia per la Categoria 5E. Un cavo commerciale con guaina in Pvc diventa piatto e non ritorna alla sua forma originale. Cessa di funzionare con una forza applicata di 180 kg circa. Per contro, il valore di blocco del cavo industriale armato 121700A è di oltre 1 t. A volte capita che il cavo sia calpestato, o che ci passi sopra un veicolo, o che sia applicata in qualche modo una forza comprimente. Un cavo commerciale avrà le prestazioni degradate o cesserà di funzionare, mentre un cavo industriale, soprattutto se armato, potrà sopportare forze di schiacciamento superiori e continuare ad operare.
Tranciatura
Basandosi sullo standard Csa # 22.2, uno scalpello è fatto cadere in modalità controllata su uno spezzone di cavo. Questa prova rileva la suscettibilità di un cavo ad avere i conduttori esposti dopo un taglio, fattore che si collega direttamente alla vulnerabilità del cavo ai cortocircuiti e, quindi, alla sicurezza. In pratica, un cavo è attraversato dallo scalpello nel punto in cui è avvertito un cortocircuito attraverso i conduttori (per mezzo di un'apposita struttura), eseguendo un semplice test di continuità. I cavi commerciali esaminati hanno resistito al massimo ad una forza di circa 42 kg. Sono stati testati diversi tipi di cavi industriali DataTuff non armati, con i seguenti risultati: oltre 90 kg per il cavo 7923A; più di 150 kg per il cavo 11700A. E il cavo armato 121700A è arrivato allo stesso risultato per la sola foratura dell'armatura, mentre i conduttori sono stati troncati applicando oltre 470 kg. È necessario applicare molta più forza per forare un cavo industriale armato rispetto ad uno commerciale. E se un cavo commerciale è avvolto attorno a qualcosa di tagliente, è sufficiente applicare una forza di 40 kg per danneggiare funzionalmente il cavo. Una volta successo questo, tutta la rete è nella stessa situazione.
Temperatura elevata
Per questa prova si sono poste le bobine di cavo, sospese a un mandrino, in un forno ad alta temperatura. Una prima prova, relativa all'attenuazione del segnale, è stata effettuata a temperatura ambiente (20 °C); una seconda è stata fatta dopo esposizione a 60 °C. Il cavo commerciale ha funzionato in modo accettabile a temperatura ambiente, ma a 60 °C l'attenuazione è cresciuta in modo tale da non poter supportare una distanza di trasmissione di 100 m. Anche dopo l'esposizione a 60 °C il cavo industriale ha continuato a supportare la distanza massima. In aree con temperature elevate o posizionate vicino a sorgenti di calore, un cavo commerciale non sarà in grado di mantenere un grado accettabile di prestazioni.
Resistenza agli oli
Seguendo la norma UL 1277, spezzoni di cavo sono immersi in un contenitore d'olio, per poi essere posti in un bagno d'acqua, in un locale mantenuto a 125 °C per 60 giorni. Dopo tale trattamento, si sono valutate le proprietà di trazione e allungamento delle guaine. L'esposizione agli oli può rendere la guaina di un cavo commerciale friabile e fragile, anche a temperatura ambiente, con un decadimento delle proprietà meccaniche. In altri termini, la vita utile del cavo può essere diminuita a causa dell'esposizione all'olio, anche in condizioni normali di temperatura. Se il cavo commerciale è esposto abbastanza a lungo all'olio e a temperature elevate, la sua guaina può gonfiarsi, presentare bolle e, anche, aprirsi. Durante questo processo, la geometria del cavo cambia e con essa la costante dielettrica e le relative proprietà elettriche. I materiali e lo spessore della guaina dei cavi industriali DataTuff sono appropriati per permettere l'esposizione agli oli e alle temperature elevate. Con i cavi commerciali sono possibili cortocircuiti e guasti, con conseguente perdita di comunicazione. Quando la scarsa consistenza della guaina, dovuta agli oli, si combina ad uno schiacciamento o ad un impatto, eventi non rari in ambito industriale, un cavo fragile non offre resistenza al danneggiamento.
Esposizione ai raggi UV
È applicata la procedura di verifica AStM G 154, relativa all'esposizione ai raggi ultravioletti. Spezzoni di cavo sono fissati a pannelli, montati in modo da essere rivolti a una sorgente luminosa UV, che replica l'intensità della luce solare; l'esposizione dura 30 giorni. Dopo la rimozione dal supporto, i cavi sono controllati per quanto riguarda lo scolorimento, mentre la guaina è stata sottoposta a prove di resistenza allo stiramento e di elongazione. La maggior parte dei cavi per ambiente commerciale non è resistente alla luce solare, per cui il primo sintomo di eccessiva esposizione al sole è la decolorazione, che è anche l'anticipazione della degradazione del materiale plastico della guaina. Quando questa comincia a decomporsi, le sue proprietà meccaniche sono ormai compromesse, incluse l'elongazione e la resistenza alla tensione. Quando la guaina si apre, il cavo diventa permeabile all'acqua e all'umidità; la situazione peggiora ulteriormente quando una guaina già danneggiata dagli UV è simultaneamente stressata da abrasioni, schiacciamenti ecc. I cavi DataTuff hanno un'ampia gamma di guaine resistenti ai raggi ultravioletti. In ambiente industriale con presenza di radiazioni UV, è importante usare cavi con guaine che resistano ai danni da radiazione. Questo è particolarmente critico quando il cavo avrà applicazioni in esterno o sarà collocato vicino a finestre o altre sorgenti UV.
Immersione in acqua
Le proprietà elettriche del cavo sono misurate prima e dopo essere stato immerso in acqua, dove rimane per 6 mesi. Dopo 6 mesi di trattamento, il cavo commerciale non ha più le proprietà originarie; in particolare, l'attenuazione è sensibilmente aumentata. Il cavo industriale 7934A dopo 6 mesi di immersione mostra solo un leggero incremento dell'attenuazione, mentre sono mantenuti i requisiti della Categoria 5E. L'acqua può penetrare la guaina di un cavo di tipo commerciale attraverso zone permeabili della guaina stessa o attraverso microfratture. Quando questo avviene, la costante dielettrica può cambiare abbastanza da degradare l'attenuazione. In alcuni casi, i conduttori del cavo possono andare in cortocircuito, ma prima che ciò accada la comunicazione dovrebbe cadere. Questo effetto è insidioso, perché si sviluppa nel tempo e anche se il cavo inizialmente funziona bene. Nell'ambiente controllato degli uffici, l'umidità non è un problema, ma non è così in molte applicazioni industriali, come quelle in cui il cavo è installato in un serbatoio, posto in passerelle, o esposto alla pioggia o all'acqua in modo continuo. Per cui è necessario adottare un cavo di tipo industriale. Ciò vale anche per applicazioni dove i cavi sono direttamente interrati e nel settore dei trasporti, ferroviario e metropolitano in primis: l'umidità è normale in tutti questi contesti e solo un cavo industriale è accettabile.
