Согласно определению европейского стандарта EN 50173, разъемный штекерный соединитель RJ45 является важнейшей составной частью «универсальной информационной кабельной системы». Его форма, специфицированная стандартами серии DIN EN 60603-7-x, остается неизменной на протяжении трех десятков лет. Область использования соединителя весьма разнообразна: офисные информационные системы, промышленное оборудование и системы автоматизации. Столь широкие возможности применения привели к изменению предъявляемых к нему исходных требований.
До самого последнего времени стандартом де-факто отрасли ИТ было подключение конечного устройства к линейной розетке. Профильные нормативные документы на кабельные системы исходят из такого же положения. В частности, стандарты DIN EN 50173 и DIN EN 50174 определяют пользовательскую информационную розетку как конечную точку структурированной кабельной системы, причем, согласно DIN EN IEC 60603-7-x, в случае медной проводки должна устанавливаться 8-контактная розетка модульного разъема. Указанные нормы носят открытый характер, так что в качестве конечной точки структурированной кабельной системы здания можно использовать вилку RJ45. Для подключения устройств системы автоматизации, местоположение которых не меняется в процессе эксплуатации, не нужны ни розетки, ни соединительный шнур — вилка устанавливается непосредственно на линейный кабель. Такая возможность предусмотрена, например, в стандарте EN 50173-3 для промышленных приложений.
Аналогичные условия складываются при установке точек доступа беспроводной сети: развертывая сеть WLAN, техник определяет оптимальное место расположения точки доступа в соответствии с критерием доступности радиоканала для пользовательских устройств. Если прямое подключение к локальной сети невозможно, то к точке доступа следует проложить дополнительный линейный кабель. Таким образом, в описываемой ситуации речь идет о постоянном подключении, для реализации которого вилка RJ45 монтируется на линейный кабель.
Похожая картина наблюдается в области систем автоматизации зданий. Различные устройства, исполнительные механизмы и датчики, отвечающие за автоматическое управление вентиляцией, контроль и регулирование кондиционирования, освещения и штор, а также обеспечивающие централизованный контроль доступа, являются стационарными устройствами и располагаются в недоступном для пользователя месте за стенами, фальшпотолком или под фальшполом. Обмен информацией между этими устройствами в большинстве случаев происходит по шинам LON, BACnet или EIB/KNX.
В настоящее время многие производители наряду с шинным интерфейсом снабжают свои устройства приборной частью разъема RJ45 для подключения к сети Ethernet. Данный интерфейс задействуется для дистанционного контроля через Internet или подключения ПК, что облегчает управление, регулирование и визуализацию различных процессов. Кроме того, он может использоваться для перевода информационного обмена между отдельными устройствами системы на TCP/IP при полном отказе от полевых шин. В таких структурах различные устройства всегда устанавливаются стационарно, а их местоположение определяется назначением конкретного прибора. При подключении устройства к локальной сети к нему подводят кабель и оконцовывают его вилкой RJ45, которую затем вставляют в розетку штатного разъема.
Стесненные условия для установки, характерные, например, для кораблей или самолетов, предопределяют необходимость изменения привычных для офисных сетей принципов монтажа: разработчик информационной системы вынужден отказаться не только от розеток, но и от коммутационных панелей, так что инсталляционный кабель по необходимости подключается непосредственно к коммутатору (см. Рисунок 1). Это не только экономит место, но и снижает общий вес оборудования. В данном контексте принципиально важно, что количество стационарных устройств в локальной сети значительно превышает количество обычных пользовательских устройств.
ОПТИМИЗАЦИЯ
С учетом условий установки конструкцию вилки модульного разъема необходимо оптимизировать. Обычная вилка RJ45 предназначена для установки на кабель с максимальным диаметром проводника примерно 1 мм. Инсталляционный кабель часто имеет проводники диаметром 1,6 мм. В вилку должно поместиться восемь проводников. Между тем, согласно стандарту DIN EN 60603-7-1, ширина вилки всего 11,63 мм. Таким образом, провода физически не могут располагаться в один ряд. Оптимальный способ — двухрядное расположение проводов оконцовываемого кабеля, т.е. в каждой плоскости находится четыре провода. Сигналы от оконцевателя к контактам передаются с помощью печатной платы, которая представляет собой один из элементов конструкции вилки. Хвостовая часть вилки содержит направляющие, существенно упрощающие монтаж в полевых условиях (см. Рисунок 2).
ЖЕСТКИЕ УСЛОВИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
В особо суровых условиях окружающей среды выдвигаются специальные требования к надежности всего кабеля. Его типовой внешний диаметр составляет 8,5 мм, а в отдельных случаях достигает 10 мм. Кроме того, кабель, оснащенный вилкой, должен допускать рядное подключение (Harmonica Jack). Это означает, что в случае отказа от применения коммутационной панели и прямого подключения инсталляционного кабеля к коммутатору вилки должны располагаться рядом – как по горизонтали, так и по вертикали. Для выполнения этого требования производитель обязан обеспечить минимальные внешние габариты вилки.
В довершение всего постоянно растут требования к поддерживаемой скорости передачи информации. Применительно к Industrial Ethernet все чаще высказываются пожелания о поддержке оборудования 1GbE или даже 10GbE. Для работы с ним вилка должна отвечать требованиям разрабатываемого стандарта DIN EN IEC 60603-7-51. Документ специфицирует экранированный штекерный соединитель, для которого максимальная верхняя граничная частота рабочего диапазона составляет 500 МГц. Для того чтобы вилка соответствовала требованиям стандарта, необходимо обеспечить абсолютную надежность контакта, а также минимизировать не только потери ввода и отражения сигнала, но и переходные влияния.
Наиболее трудная задача — достижение требуемых параметров по переходному затуханию на ближнем конце. Данный эффект подавляется в кабеле за счет симметричной скрутки отдельных проводников и их экранирования. В вилке подобные возможности отсутствуют, поэтому производители стараются до минимума сократить протяженность нескрученной и неэкранированной части проводников.
Проблема усугубляется малыми геометрическими размерами вилки и очень небольшим пространственным разносом контактов. Предусмотренная стандартами раскладка проводников тоже не способствует сокращению переходных помех, так как с точки зрения минимизации перекрестных влияний пары 3-6 и 4-5 расположены крайне неудачно, что приводит к сильной емкостной и индуктивной связи цепей передачи сигналов, подавляемой за счет применения хитроумных компенсационных схем внутри корпуса вилки.
Однако даже самая тщательная компенсация и подбор наиболее подходящих геометрических параметров теряют всякий смысл, если не удается добиться правильного и надежного соединения между кабелем и вилкой. При промышленном изготовлении монтаж вилки на гибкий кабель представляет собой тщательно отработанный процесс, находящийся под постоянным контролем качества.
ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЛУБИНЫ ЗАПРЕССОВКИ
В полевых условиях вилку на кабель приходится устанавливать вручную. Для этого в большинстве случаев применяется специальный инструмент, выполненный в виде зажимных клещей. Однако вилки и клещи различных производителей далеко не всегда идеально совместимы. Требуемая глубина подачи проводников в контакты обеспечивается только в том случае, если при запрессовке применяется нужный тип клещей. При недостаточной глубине запрессовки контакт будет плохим, а при слишком сильной подаче он вообще может быть потерян — этот процесс весьма плохо поддается контролю, к тому же негативное влияние оказывают теснота на рабочем месте и различные загрязнения.
Для обеспечения надежного контакта монтаж должен быть максимально упрощен и выполняться без специального инструмента. Разработчики учли эти требования и создали вилку с оптимизированными IDC-контактами, предназначенную для монтажа в полевых условиях. При выполнении данной операции проводник закладывается в контакт, а его перевод в рабочее положение осуществляется путем сжатия разрезного корпуса с помощью пальцев или клещей. Сжимать следует до упора, что гарантирует подачу жил в контакт на нужную глубину.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вилка RJ45 успешно адаптирована для автоматизации зданий и промышленной автоматизации (Industrial Ethernet). В случае Категории 6 и 7 теперь могут быть задействованы все четыре пары. Для поддержки скорости передачи 10 Гбит/с разработчику приходится оптимизировать конструкцию контактов вилки и применять сложные схемы внутренней индуктивной и емкостной компенсации. Процедура монтажа новых изделий модифицирована таким образом, чтобы даже на частоте 500 МГц оставались резервы для обеспечения надежной передачи, что заметно облегчает работу монтажника.
Спустя 30 лет после своего появления на свет вилка RJ45 продолжает оставаться востребованным контактным элементом.
Рональд Долд — менеджер по продуктам компании BTR Netcom, кроме того, председатель рабочей группы GAK 715.3.4 «Универсальные кабельные системы для промышленного применения», а также член ряда других национальных и международных комитетов по нормированию.
© AWi Verlag