Шляхи забезпечення коефіцієнту згасання у межах нормованих значень кабелів на основі одинокої екранованої крученої пари для промислових мереж Ethernet
Вантажиться...
Дата
2022
Автори
ORCID
DOI
doi.org/10.20998/2224-0349.2022.02.03
Науковий ступінь
Рівень дисертації
Шифр та назва спеціальності
Рада захисту
Установа захисту
Науковий керівник
Члени комітету
Видавець
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Анотація
В останні роки в концепції Industry 4.0 та IioT спостерігається інтенсивний перехід промислових мереж на провідну передачу даних на базі сімейства технологій Ethernet. Наведена хронологія розроблення міжнародних стандартів промислового Ethernet та відповідних кабелів на основі кручених пар доводить перспективність застосування одинокої крученої пари з можливістю передачі сигналу живлення, що значно знижує кількість, вагу та вартість кабелів у мережі. Відповідно до міжнародних стандартів на кабелі для промислового Ethernet екрановані рішення на основі одинокої екранованої крученої пари повинні забезпечувати передачу цифрових сигналів в діапазоні частоти до 20 МГц на відстань до 1 кілометра. Необхідність застосування екранованої крученої пари обумовлена умовами експлуатації при дії сильних електромагнітних завад. Виконаний аналітичний огляд наукових публікацій показує, що екрановані конструкції кабелів мають підвищенні значення робочої ємності. На підставі чисельного моделювання електричного поля у крученій парі визначено значення робочої ємності залежно від конструктивного виконання екрану. Показано, що екранована кручена пара має значно більші (на 80 %) значення робочої ємності порівняно з неекранованою за умови однакової товщини ізоляції, екрану та захисної полімерної оболонки. Обґрунтовано ефективність застосування двошарового алюмополімерного екрану. Доведено, що варіювання товщини та діелектричної проникності матеріалу плівки екрану дозволяють оптимізувати конструкцію кабелю для забезпечення менших значень робочої ємності порівняно з неекранованою парою. На підставі чисельних розрахунків показано, що при розташуванні двошарового екрану плівкою назовні робоча ємність суттєво зростає та не відрізняється від ємності екранованої суцільним металевим екраном. Обґрунтованість та адекватність виконаних чисельних розрахунків робочої ємності кручених пар підтверджено експериментальними результатами вимірювань коефіцієнту згасання в діапазоні частоти до 20 МГц неекранованої та екранованої двошаровим ламінованим екраном крученої пари.
In recent years, the concept of Industry 4.0 and IioT has seen an intensive transition of industrial networks to wired data transmission based on the Ethernet family of technologies. The given chronology of the development of international standards of industrial Ethernet and corresponding cables based on twisted pairs proves the perspective of using a single twisted pair with the possibility of transmitting a power signal, which significantly reduces the number, weight and cost of cables in the network. According to international standards on cables for industrial Ethernet, shielded solutions based on a single shielded twisted pair must ensure the transmission of digital signals in the frequency range of up to 20 MHz over a distance of up to 1 kilometre. The need to use a shielded twisted pair is due to operating conditions under the influence of strong electromagnetic interference. An analytical review of scientific publications shows that shielded cable designs have increased values of electrical capacity. On the basis of numerical modelling of the electric field in the twisted pair, the value of the electrical capacity is determined depending on the design of the screen. It is shown that the shielded twisted pair has significantly larger (by 80 %), electrical capacity values compared to the unshielded one, provided the insulation, screen and protective polymer shell are of the same thickness. The effectiveness of the use of a two-layer aluminium polymer screen is substantiated. It has been proven that varying the thickness and dielectric permeability of the screen film material allows optimizing the cable design to ensure lower values of the working capacity compared to an unshielded pair. On the basis of numerical calculations, it is shown that when the two-layer screen is placed with the film outwards, the working capacity increases significantly and does not differ from the capacity shielded with a solid metal screen. The validity and adequacy of the performed numerical calculations of the electrical capacity of twisted pairs is confirmed by experimental results of measurements of the attenuation coefficient in the frequency range up to 20 MHz of unshielded and shielded twisted pair with a two-layer laminated screen.
In recent years, the concept of Industry 4.0 and IioT has seen an intensive transition of industrial networks to wired data transmission based on the Ethernet family of technologies. The given chronology of the development of international standards of industrial Ethernet and corresponding cables based on twisted pairs proves the perspective of using a single twisted pair with the possibility of transmitting a power signal, which significantly reduces the number, weight and cost of cables in the network. According to international standards on cables for industrial Ethernet, shielded solutions based on a single shielded twisted pair must ensure the transmission of digital signals in the frequency range of up to 20 MHz over a distance of up to 1 kilometre. The need to use a shielded twisted pair is due to operating conditions under the influence of strong electromagnetic interference. An analytical review of scientific publications shows that shielded cable designs have increased values of electrical capacity. On the basis of numerical modelling of the electric field in the twisted pair, the value of the electrical capacity is determined depending on the design of the screen. It is shown that the shielded twisted pair has significantly larger (by 80 %), electrical capacity values compared to the unshielded one, provided the insulation, screen and protective polymer shell are of the same thickness. The effectiveness of the use of a two-layer aluminium polymer screen is substantiated. It has been proven that varying the thickness and dielectric permeability of the screen film material allows optimizing the cable design to ensure lower values of the working capacity compared to an unshielded pair. On the basis of numerical calculations, it is shown that when the two-layer screen is placed with the film outwards, the working capacity increases significantly and does not differ from the capacity shielded with a solid metal screen. The validity and adequacy of the performed numerical calculations of the electrical capacity of twisted pairs is confirmed by experimental results of measurements of the attenuation coefficient in the frequency range up to 20 MHz of unshielded and shielded twisted pair with a two-layer laminated screen.
Опис
Ключові слова
промисловий Ethernet, міжнародні стандарти, завадостійкість, одинока кручена пара, коефіцієнт згасання, робоча ємність, електричне поле, метод вторинних джерел, ефективність двошарового алюмополімерного екрану, industrial Ethernet, international standards, immunity, single twisted pair, attenuation coefficient, electric capacity, electric field, method of secondary sources, efficiency of two-layer aluminium polymer screen
Бібліографічний опис
Пушкар О. А. Шляхи забезпечення коефіцієнту згасання у межах нормованих значень кабелів на основі одинокої екранованої крученої пари для промислових мереж Ethernet / О. А. Пушкар // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". Сер. : Енергетика: надійність та енергоефективність = Bulletin of the National Technical University "KhPI". Ser. : Energy: Reliability and Energy Efficiency : зб. наук. пр. – Харків : НТУ "ХПІ", 2022. – № 2 (5). – С. 67-73.