Comment choisir le bon câble de données pour votre application industrielle?

Dans le langage courant, tous les câbles et fils qui servent d'une manière ou d'une autre à la communication sont appelés câbles de données. Il existe toutefois de grandes différences, par exemple entre les câbles en cuivre et les câbles à fibres optiques, qui ont une structure et une fonction totalement différentes. Mais même pour les câbles de données en cuivre, il existe un grand choix, allant des câbles basse fréquence aux différents systèmes Ethernet, en passant par les câbles coaxiaux, téléphoniques et BUS, ou encore les câbles à micro-ondes pour des applications spéciales de l'ordre du gigahertz. Dans la pratique, le choix d'un mauvais câble peut rapidement entraîner des perturbations et des dysfonctionnements qui peuvent parfois s'avérer très coûteux.

En principe, les câbles de données doivent présenter une faible capacité - cela signifie que le moins d'énergie électrique possible est stockée dans le câble lors de la transmission, car cela a un effet négatif sur la qualité du signal. La capacité dépend entre autres du matériau d'isolation du câble : pour les câbles BUS et Ethernet modernes, on utilise généralement des matériaux comme le PE ou le PP, car ils présentent des valeurs particulièrement bonnes. La grandeur de mesure pertinente est ici la constante diélectrique (εr). Plus celle-ci est faible, plus le matériau est isolant et plus la capacité du câble est faible. Il est donc possible d'isoler plus finement pour une même résistance diélectrique.

Toutefois, la base d'une transmission de données propre est la structure correcte du conducteur. La meilleure performance électrique est obtenue avec un fil massif qui est exactement rond et d'un diamètre régulier. Pour les câbles industriels Ethernet et BUS, il est généralement préférable d'utiliser une structure de conducteurs en AWG, car elle donne une forme ronde même dans une structure flexible. Les conducteurs métriques ne conviennent pas à ces applications, car ils sont conçus en torons torsadés et n'ont pas de structure conductrice ronde. Il en résulte des capacités fluctuantes qui perturbent considérablement la transmission de données à haute fréquence.

1. Câbles à basse fréquence pour les applications à haute fréquence

Une cause fréquente de dysfonctionnement lors de la transmission de données est le choix de câbles basse fréquence pour les connexions Ethernet haute fréquence. De tels câbles sont certes également à faible capacité, mais ils présentent une impédance caractéristique différente de celle exigée par la norme Ethernet. Il y a donc un défaut d'adaptation, appelé point de connexion. En outre, dans le cas des lignes de données à basse fréquence, toutes les paires sont câblées en occupation continue. Cela signifie que les quatre longueurs de battement sont identiques. Toutefois, pour une ligne Ethernet fonctionnant dans des plages de fréquences plus élevées, un découplage optimal est nécessaire. Celui-ci est réalisé à l'aide de quatre longueurs de battement différentes, calculées individuellement. La position des paires de fils dans l'ensemble de la construction doit également être prise en compte.

2. Câblage classique par paires au lieu de quatre étoiles

De nombreux systèmes de communication industriels tels que PROFInet, EtherCAT ou SERCOS III utilisent des câbles à deux paires torsadées en étoile pour la transmission des données. Dans ce cas, les quatre fils sont torsadés de manière à former une structure exactement ronde. L'avantage est qu'il n'y a pas de différence de temps de propagation - contrairement au câblage classique par paires, où les différentes paires de fils nécessitent deux longueurs de câble différentes en raison du découplage nécessaire. Si les utilisateurs utilisent par inadvertance des câbles câblés par paires, des problèmes de temps de propagation peuvent survenir lors de la transmission.

Dans une paire en étoile, ce sont toujours les conducteurs diagonalement opposés qui forment la paire électrique. Si cette règle n'est pas respectée lors du raccordement, cela modifie l'impédance caractéristique et l'atténuation de la diaphonie (NEXT) du câble, ce qui peut également nuire à la qualité de la transmission. Les câbles de capteur blindés à quatre conducteurs ne sont pas non plus adaptés à une utilisation comme câbles Ethernet ou câbles BUS à haute fréquence, même si leur structure semble comparable à première vue. Cependant, l'épaisseur de l'isolation des fils n'est pas conçue pour Ethernet et le câblage n'est pas exactement rond. Cela entraîne notamment une impédance caractéristique et un NEXT inadaptés ainsi qu'une atténuation du câble et donc une fonctionnalité insuffisante.

3. Câble trop long ou section trop petite

Un autre exemple classique est la longueur excessive des segments. La norme Ethernet prévoit qu'après une longueur maximale de 100 mètres, un amplificateur de puissance (répéteur) doit être utilisé. Celui-ci absorbe le signal faible et le retransmet à pleine puissance. Dans la pratique, on réalise parfois des segments de plus de 100 mètres de long - mais cela ne correspond plus à la norme en vigueur. Dans de tels cas, la hausse des températures, le vieillissement et d'autres influences peuvent rapidement entraîner des erreurs ou des pannes. Pour les câbles plus fins d'une section de 26 AWG, la limite est déjà de 60 à 70 mètres. Il faut également tenir compte du fait que chaque connecteur assure une perte (atténuation) et un point de choc (réflexion) et limite la portée.

4. Mauvais connecteurs

Dans la pratique, des connecteurs non conformes aux normes et non testés sont souvent utilisés pour Ethernet, par exemple Sub-D ou M12 a-codé en version 8 pôles. Certes, une transmission a également lieu avec ces connecteurs, mais la qualité est nettement moins bonne en raison de la faible atténuation de la diaphonie (NEXT). La raison en est la disposition de la broche centrale, ce qui rend ces variantes de connecteurs inadaptées à la transmission de données conforme aux normes.

Les faces de connexion autorisées et mentionnées dans les normes Ethernet pour le câblage de données pur sont les connecteurs/prises blindés:

• RJ45 4-pôles (100 Mbit 4-pôles)
• RJ45 8-pôles (Gbit 8-pôles)
• M8 & M12 d-codé (100 Mbit)
• M8 a-codé 4 PIN (100 Mbit)
• M12 p-codé (100 Mbit)
• M12 x-codé (Gbit)
• Ix Industrial (Gbit)
• Mini-IO
• SPE (Single Pair Ethernet)

En outre, il existe dans les différents standards tels que PROFInet, EtherCAT ou SPE (Single-Pair-Ethernet) divers connecteurs hybrides qui combinent la transmission de données et d'énergie. Ceux-ci sont soit normalisés CEI, soit évalués par l'organisation concernée, soit en cours de standardisation.

Connecteurs Ethernet hybrides normalisés:

• M8 SPE selon IEC 63171-6
• M12 SPE selon IEC 63171-7
• M12 y-codé selon IEC 61076-2-113
• M23 selon IEC 61076-2-117
• RJ45 Hybrid selon IEC 61076-3-106
• Ix Industrial selon IEC 61076-3-124

Certains fabricants de connecteurs ont dans leur portefeuille leurs propres solutions hybrides qui ne sont pas normalisées, mais qui ont été testées et évaluées pour leur conformité à Ethernet. En principe, il est toutefois conseillé de toujours s'en tenir aux connecteurs normalisés et évalués pour Ethernet.

Conclusion:

Lors du choix de câbles de données pour des applications industrielles, les utilisateurs devraient toujours tenir compte des normes en vigueur afin d'éviter les perturbations et les dysfonctionnements. Il faut notamment tenir compte de la longueur des différents segments, du nombre de connecteurs et des différentes sections des câbles de pose et de raccordement. En outre, le vieillissement de certains composants peut entraîner à long terme une moins bonne qualité de transmission et des pannes. En tant qu'expert en connectique électrique avec plus de 45 ans d'expérience, HELUKABEL aide volontiers les utilisateurs à trouver le câble Ethernet ou câble BUS parfait pour leur application industrielle.