KABELY
Pro osvětlení problematiky odolnosti kabelů v podmínkách KKI je potřebná velmi dobrá orientace v problematice kabelážních systémů, na které nejsou kladeny tak náročné požadavky odolnosti. Udělejme tedy úvodem shrnutí základních poznatků.

Terminologie a zkratky
UTP                          – nestíněný kabel s kroucenými páry
STP (S/UTP)             – celkově stíněný kabel opletením (+folií) s kroucenými páry
FTP (F/UTP)             – celkově stíněný kabel folií s kroucenými páry
U/FTP (ISTP)           – kabel s kroucenými páry – celkové stínění není, stínění párů folií
F/FTP (ISTP)            – kabel s kroucenými páry – celkové stínění folií, stínění párů folií
S/FTP (ISTP)            – kabel s kroucenými páry – celkové stínění opletením, stínění párů folií

AWG                          – American Wire Gauge – udává aproximovaný průměr vodiče bez izolace
Category                  – klasifikace materiálů pro komunikační linku/kanál – kritérium dělení – MHz
Class                         – klasifikace instalované komunikační linky/kanálu – kritérium dělení – MHz

Konstrukce symetrických kabelů

– dělení dle přenosového uspořádání vodičů:

  • párové – kroucené páry – standardně 4 páry
  • QUAD – kroucená čtveřice – obvykle 1 nebo 2 čtveřice

– dělení dle prostorového uspořádání párů:

  • kruhový průřez
    • bez prostorového oddělení párů
    • s prostorovým oddělením párů – x-kříž, e-kříž, H-kříž, separační páska atd.
  • plochý průřez

– dělení dle konstrukce páru vodičů:

  • standardní konstrukce páru – SCP (pouze zkrouceny vodiče v páru)
  • svařený pár – BP – Bonded Pair

– dělení dle zkrutu páru vodičů:

  • s konstantním kroucením páru (každý pár má jinou délku zkrutu)
  • proměnným kroucením páru – sofistikované twistování

– dělení dle konstrukce vodiče:

  • drát
  • lanko
  • speciálně upravené lanko pro CP (konsolidační body) a mobilní aplikace
  • speciální drát pro pracovní vedení (tepelně upravený materiál vodiče pro větší ohebnost)

– dělení dle materiálu vodiče:

  • Cu – čistoty vyšší než 99% – používají kvalitní výrobci
  • Cu – čistoty nižší než 99% – používají výrobci s pochybnou kvalitou výrobku
    (byly zaznamenány i případy, kdy se „měděný“ vodič při ohybu zlomil – kolik Cu asi obsahoval ?)
  • Al poměděný vodič – nepoužívat – velmi špatné přenosové i mechanické vlastnosti
  • Fe poměděný vodič – nepoužívat– velmi špatné přenosové i mechanické vlastnosti

Varianty poměděného Al a Fe nelze označit jinak, než pojmem „TECHNICKÝ ZLOČIN“.

– dělení dle konstrukce stínění:

  • nestíněné
  • stíněné opletením
  • stíněné folií
  • stíněné folií a opletením

– dělení dle počtu kabelových segmentů:

• jednoduché
• vícenásobné (duplex, triplex, sixfold)

– dělení dle konstrukce pláště:

  • jednoplášťové
  • dvou a více plášťové
  • armované
  • speciální

– dělení dle materiálů pláště:

  • PVC, NH, PE, FEP, PUR atd.

– dělení dle způsobu snížení přeslechů mezi kabely ve svazku:

  • distanční vložka pod pláštěm
  • H-spline (H-kříž)
  • silný plášť
  • alien-bariera – matrix páska nebo uzavřená bariera
  • stínění

Odolnost proti rušení a symetrie vedení

K vyzařování elektromagnetického vlnění z páru dochází především díky lokálním změnám impedance vedení tj. změnám symetrie páru. Takové místo je nejen zdrojem odrazů, ale i šumů a vyzařování. V tomto místě je vedení náchylné na rušení. Ideální (teoretický) pár nic nevyzařuje. V praxi ovšem nelze vyrobit pár s nulovou asymetrií (výrobní tolerance).

Většina počítačových komunikačních systémů (i EtherNet) pracuje v tzv. diferenciálním režimu. Na páru se tedy posuzuje rozdíl napětí mezi jeho vodiči. Rušení se chová jako souhlasný signál naindukovaný na oba vodiče páru a má pro oba vodiče stejnou polaritu, amplitudu i fázi.

Z uvedeného obrázku je patrné, že indukce jakéhokoliv souhlasného napětí na oba vodiče v páru nemá na diferenci napětí žádný vliv. To platí ovšem pouze teoreticky.

V reálných podmínkách tuto skutečnost ovlivňuje právě fáze. Místo rušení na vedení je shodné fyzicky, ale ne elektricky (díky nesymetrii vedení). Nesymetrie vedení způsobuje určitý fázový posun těchto indukovaných napětí. Čím větší bude asymetrie – tím větší bude tento fázový posun a tím větší výsledné rušení. U teoretického vedení (matematický model) bude fázový posun roven 0 a nevznikne žádné rušení přenášeného signálu bez ohledu na velikost indukovaného napětí. Velikost tohoto fázového posunu určuje velikost dvou pulzů rušení vznikajících při rozdílu z každého indukovaného napětí. Následující obrázek ukazuje vliv nesymetrie páru na velikost těchto rušivých pulzů.

Mnozí lidé se domnívají, že problém rušení vyřeší stínění. Není to tak. Stínění má negativní vliv na stabilitu impedance a degraduje ji.

Důkaz:

ZSR (zdravý selský rozum) nám říká, že je logické použít stínění k tomu, aby kabel nevyzařoval do prostoru. To je primární účel stínění. Samozřejmě, že na zdrojích rušení (převážně silové rozvody) to z cenových důvodů nikdo nepoužívá.

Podélnou stabilitu impedance primárně ovlivňuje symetrie páru. Negativně vliv má nejen nedokonalost této symetrie, ale i lokální destrukce symetrie při ostrém ohybu páru nebo v místě připojení konektoru. Dalším vlivem je stínění kabelu nebo páru. Při výrobě prakticky nelze zajistit konstantní vzdálenost stínění od páru – tento problém přináší již prostorová dimenze krouceného páru. Stejná konstrukce kabelu v nestíněné verzi vykazuje lepší přenosové vlastnosti ve srovnání se stíněnou variantou. Pro zlepšení přenosových parametrů a jejich stability u kabelů s kroucenými páry přišli konstruktéři kabelů s technologií svařeného krouceného páru, který vykazuje výrazně lepší symetrii páru než pouze kroucený. Velkou předností je i zachování konstantních prostorových dimenzí páru při ohybu, zkrutu či dalších mechanických namáháních.

 

PŘESLECHY mezi páry kabelu

Pro omezení interferencí vyzařovaného vlnění mezi páry a tím omezení přeslechů jsou v konstrukci kabelu použity následující prvky:

  • každý pár má jinou výšku závitu zkroucení. Důsledkem je ovšem odlišná elektrická délka jednotlivých párů – příčina vzniku rozdílového zpoždění.   Toto opatření dostačuje pro kabely po Cat.5 – šířka pásma do 100MHz.Pro vyšší kmitočty a kategorie je nutné provést některé z dalších opatření:
  • zvětšení vzdálenosti párů kabelu od sebe – vložením kříže nebo separační pásky (Cat.6 a 6A)
  • jiné prostorové uspořádání párů než do kruhového průřezu např. plochý kabel s komůrkami pro uložení jednotlivých párů (Cat.6 a 6A)
  • stínění jednotlivých párů (Cat.6A, Cat.7 , pro kmitočty nad 400MHz )

Pro vzdálení jednotlivých párů od sebe (snížení přeslechů mezi páry kabelu) se používá kříž nazývaný x-spline nebo prodloužený kříž e-spline (Elongated Spline).

Kabely se symetrickým křížem x-spline mají vždy dva páry, které si „více povídají“, čímž více ovlivňují přeslechovou charakteristiku kabelu. Kříž e-spline tyto dva páry více vzdaluje od sebe a tím eliminuje uvedený jev. Tato konstrukce má lepší přeslechovou charakteristiku proti kabelům s křížem x-spline.

Dalším konstrukčním řešením je H-spline, který ještě více vzdaluje od sebe všechny čtyři páry. Používá se u UTP kabelů Cat.6A

Mezi odlišné alternativy řešení snížení přeslechů patří vložení jiného typu elementu mezi páry. Příkladem je separační páska mezi páry.

Velmi dobrých výsledků lze dosáhnout i změnou tvaru kabelu a prostorového uspořádání párů.

Mnozí řeší tento problém použitím stíněných kabelů, ale to přináší další výše zmiňované problémy.

 

ALIEN PŘESLECHY – mezi páry sousedních kabelu

Alien přeslechy můžeme snížit následujícími způsoby:

  • vzdálením kabelů od sebe (ve svazku v trase):
    • pomocí vhodných organizérů kabelů v trase
    •  větší tloušťkou pláště kabelu nebo vhodným tvarem průřezu (plochý kroucený kabel)

    • distančním segmentem pod pláštěm kabelu – nahrazuje větší tloušťku pláště
    • H-spline potřebných rozměrů – nahrazuje větší tloušťku plášt
  • vložením prvku, který omezuje přenos rušivého vlnění
    • Matrix-páska nebo plná uzavřená alien bariera (UTP kabely)

    • stínění kabelu nebo párů

ODOLNOST nejčastěji používaných materiálů plášťů kabelů

PVC (polyvinylchlorid) – nejčastěji používaný materiál, mírně porézní – není tedy plně vodě odolný, při hoření vznikají jedovaté zplodiny. Není vhodný do prostor s velkou koncentrací osob v místech, kde by byl problém s jejich evakuací při požáru. Díky poréznosti není vhodný do vnějšího prostředí. Obvyklý rozsah pracovních teplot -20° až 60°C, rozsah teplot pro instalaci 0° až 50°C. Existují i průmyslové verze odolné vodě, olejům, chemikáliím, UV stabilní a s vyšším rozsahem pracovních teplot (-40° až 75°C).

NH materiály – bezhalogenové materiály – označováno také jako FRNC/LSZH (LS0H) – používají se v místech se zvýšenou koncentrací osob, nemocnicích, školách, letištních halách, nádražích, krytých stadionech, divadlech atd.

FRNC – Flame Retardant Non-Corrosive
LSOH – Low Smoke Zero Halogen

Při hoření nevznikají jedovaté zplodiny a je sníženo vyvíjení kouře. Existují i verze se zvýšenou odolností proti vodě, olejům, chemikáliím, UV stabilní, zvýšený rozsah pracovních teplot atd.
Poznámka: uvedená označení nespecifikují konkrétní materiál, ale jeho vlastnosti.

PE (polyethylen) – neporézní materiál, bezhalogenový, vysoce hořlavý, vhodný do vnějšího prostředí, nevhodný do budov

HDPE (vysokohustotní PE) – vlastnostmi je vhodný pro přímé uložení do země. Kabely s pláštěm HDPE není vhodné přesto ukládat do země přímo, ale instalovat je v HDPE chráničkách. Pokud by došlo k poruše, kabel z chráničky vytáhneme a zatáhneme tam nový. V případě přímého uložení do země by následovaly výkopově práce, tedy nejdražší část opravy.

FCP (fluorokopolymery) – skupina materiálů – různé verze teflonů např. FEP, TFE, ETFE, PTFE, atd. Materiály jsou odolné vyšším teplotám (některé až 260°C), chemikáliím atd., některé nelze použít v radiačním prostředí

PUR (polyuretan) – nově používaný a velmi perspektivní bezhalogenový materiál s vysokou odolností proti vodě, olejům, chemikáliím, UV stabilní, mimořádně odolný proti oděru, velmi houževnatý, dobrá kluznost, pracovní teploty -25° až 80°C.

EPDM (ethylen-propylen-dienový elastomer) – je elastomer s vynikající flexibilitou při nízkých a vysokých teplotách (-55 ° C až 150 °). Má vynikající odolnost proti oděru a mechanické vlastnosti.

Neopren – teplotní rozsah tohoto materiálu se může měnit od -55 ° C do 90 ° C. Aktuální rozsah závisí na použité variantě. Neopren je odolný vůči oleji i proti slunečnímu záření, takže je vhodný pro mnoho venkovních aplikací.

PP – Polypropylen (pevný a pěnový) – podobné v elektrické vlastnosti jako polyethylen. Je primárně používán jako materiál izolací. Maximální jmenovitá teplota může být 60°C, 80°C nebo105°C – dle verze.

RUBBER (pryž) – obvykle zahrnuje přírodní kaučuk s přidáním dalších sloučenin. Existuje mnoho variant těchto základních materiálů a každá je určena pro konkrétní aplikaci. Některé varianty jsou vhodné pro -55°C (minimum), zatímco jiné jsou vhodné pro max. 75°C.

Silikon – jedná se o velmi měkký materiál s teplotním rozsahem od -80°C do 200°C. Má vynikající elektrické vlastnosti a odolnost vůči ozonu, nízkou absorpci vlhkosti, odolnost vůči povětrnostním vlivům a odolnost proti záření Obvykle má horší mechanické vlastnosti – pevnost a špatná odolnost proti oděru.

Přehled vlastností materiálů plášťů kabelů (zdroj: BELDEN)

 

Zvyšování odolnosti plášťů kabelů

Další zvýšení odolnosti plášťů kabelů může být provedeno dvojím způsobem:

– pomocí vícenásobného pláště (někdy i z různých materiálů)

– pomocí armování řešeného opletením ocelovými dráty nebo vlnovcem, popř. jiným řešením

Flexibilní odolné pláště kabelů

V mnoha aplikacích KKI (převážně průmyslových) potřebujeme flexibilní a současně mechanicky vysoce odolný kabel. Z hlediska pružnosti je na tom nejlépe silikon, ovšem jeho mechanická odolnost je na tom výrazně hůře. Navíc datové kabely se silikonovým pláštěm prakticky nikdo nevyrábí. Někteří špičkoví výrobci dokáží vyrobit flexibilní plášť kabelu z PVC tak, že laik nepozná rozdíl od silikonu. Ovšem ani toto řešení nemusí být vyhovující. Za nejvhodnější variantu považuji plášť z PUR. Ten umí špičkoví výrobci vyrobit pružný, měkký a k nerozeznání od silikonu (aniž by ztratil svou mechanickou odolnost) nebo naopak velmi tuhý a tvrdý – téměř jako PE. V tomto provedení pláště se vyrábí právě datové kabely pro průmyslové prostředí tj. kabely ProfiNet a Industrial EtherNet.

 

Kabely ProfiNet:

ProfiNet – typ A
Vodič drát AWG22, Cat.5, konstrukce QUAD, plášť Ind. PVC / Ind. NH/ PUR
http://kassex.cz/produkt/70006E.R0500

ProfiNet – typ B
Vodič lanko AWG22/7, Cat.5, konstrukce QUAD, plášť Ind. PVC / Ind. NH/ PUR
http://kassex.cz/produkt/70007NH.R0305

ProfiNet – typ C – HiFlex
Vodič lanko AWG22/19, Cat.5, konstrukce QUAD, plášť PUR
http://kassex.cz/produkt/70008PU.R0305

 

Kabely Industrial EtherNet – dvoupárové Cat.5

Stacionární aplikace
Vodič drát AWG24, Cat.5, konstrukce párová (2páry) , plášť Ind. PVC / Ind. NH/ PUR

 

Flexibilní aplikace
Vodič drát AWG26/7, Cat.5, konstrukce párová (2páry) , plášť Ind. PVC / Ind. NH/ PUR

 

Kabely Industrial EtherNet – čtyřpárové Cat.5

Stacionární aplikace
Vodič drát AWG24, Cat.5, konstrukce párová (4páry) , plášť Ind. PVC / Ind. NH/ PUR
http://kassex.cz/produkt/74001E.R0305

 

Flexibilní aplikace
Vodič drát AWG26/7, Cat.5, konstrukce párová (4páry) , plášť Ind. PVC / Ind. NH/ PUR

 

Vysoce flexibilní aplikace
Vodič drát AWG26/19, Cat.5, konstrukce párová (4páry) , plášť PUR
http://kassex.cz/produkt/74003PU.R0305

 

Kabely Industrial EtherNet – čtyřpárové Cat.7

Stacionární aplikace
Vodič drát AWG23, Cat.7, konstrukce párová (4páry) , plášť Ind. PVC / Ind. NH/ PUR

 

Flexibilní aplikace
Vodič drát AWG26/7, Cat.7, konstrukce párová (4páry) , plášť PUR
http://kassex.cz/produkt/74005PU.R0305

 

Rizika výběru a kvality

Při výběru kabelů pro systémy KKI musíme být velmi obezřetní. Jestli bude primárním kritériem výběru cena, je to cesta do pekla. Výše byly zmíněny datové kabely s hliníkovými nebo železnými vodiči. To má vliv na přenosové parametry. Ještě větší problém je s kvalitou materiálů plášťů a izolací. To má vliv na odolnost. Nekvalitní materiály ztrácí časem pružnost, praskají, lámou se a v některých případech se i začnou drolit. Nízká cena vždy doprovází spatnou kvalitu materiálu. Bohužel vyšší cena není vždy zárukou dobré kvality. Jedinou cestou je tedy použití kabelů od špičkových výrobců pořízené výhradně cestou autorizovaného prodejního kanálů (přes distribuci příslušného výrobce). Autorizovaný prodejní kanál zdůrazňuji z toho důvodu, že se na našem trhu objevuje již mnoho let neuvěřitelné množství padělků značkových výrobků. Popíši jeden konkrétní případ z mnoha.

Charakteristika originálního kabelu:
SF/UTP, Cat.6, svařený pár, AWG23, LSZH/FRNC, barva šedá, balení výhradně na cívce

Charakteristika padělku:

SF/UTP – velmi řídké opletení (sem tam drátek), folie pouze Al bez nosné podložky, spirálovitě s mezerami ovinuto kolem párů (toto řešení originální výrobce nikdy nepoužíval)
Cat.6 – měřením na lince 90m neprošla, centrální kříž 2/3 velikost proti originálu
BP – pár nebyl svařený
AWG23 – po odstranění izolace naměřen průměr vodiče 0,39mm, při ostrém ohybu se zlomil
LSZH/FRNC – při zapálení pláště snadno hořel (tudíž neobsahoval ani Flame Retardant), výrazná kouřivost černého kouře se vznikem černých mastných sazí. Závěr – hodně mizerné PVC ne-li ještě něco horšího
Barva – krémově bílá (v té ji originální výrobce nikdy nevyráběl)
balení – v papírovém boxu (UnReal), barva boxu i logo, které výrobce v době nákupu již minimálně 12 let nepoužíval
Cena – na pultu maloobchodu byla 1/3 ceny, že kterou tento typ nakoupil autorizovaný distributor od originálního výrobce.

Závěr hodnocení padělku:
Naprosto nevyhovující přenosové parametry jsou problémem podstatným, ale odhalitelným při prvním měření parametrů linky. Daleko větším problémem, je deklarace materiálu pláště jako LSZH/FRNC. Běžný uživatel ani instalační technik to nemá šanci rozeznat.
Představme si situaci, kdy bude takový kabel nainstalován např. do nemocnice. V případě zahoření je ohroženo zdraví i životy pacientů i personálu. A takové případy se již opravdu staly.

Obdobných příkladů na téma nekvalitních materiálů může najít min. stovky, spíše tisíce.
Všechny mají společný atribut – původ na východě.

Logická dedukce – důvěřovat dokumentaci o vlastnostech těchto materiálů je stejné, jako věřit předvolebním slibům našich politiků (nelze jim věřit ani dobrý den).

Doporučení – pokud si nevíte rady a nemáte možnost sami posoudit příslušný materiál, obraťte se na nás.