כבלים לתקשורת מהירה בסביבה ימית

בכל כלי שייט כיום יש מערכות אלקטרוניות ומערכות תקשורת  רבות אשר משמשות/מנהלות את מערך הקיום של כלים אילו. מערכות התקשורת השונות הנמצאות בכלי שייט אילו מצריכות שימוש להעביר מידע גדול יותר, רוחב פס גדול במהירות גדולה יותר. מערכות תקשורת נדרשות לתמוך בכלי בודד או ברשת של כלי שייט דבר אשר מצריך קישוריות מסובכת יותר ומתחוכמת יותר לכלי הבודד או לצי כולו.

הצי האמריקאי מעדיף להשתמש במערכות תקשורת אזרחיות (COTS – Commercial Off The Shelf)“מהמדף” מאשר לתכנן מחדש מערכות אילו.

למערכות COTS  יש יתרונות רבים:

• שימוש נרחב וניסיון רב במערכות ותיקות אשר הוכיחו את יעילותן.
• ייצור בכמויות גדולות אשר מתורגם לעלויות ייצור זולות
• ריבוי ספקים מטפח תחרות ומניעה בשימוש בספק יחיד
• רמת סיכון נמוכה.

למרות האמור לעיל מערכות COTS נדרשות להיות מוקשחות ולעמוד בתנאי סביבה קשים של הצבא.

הארכיטקטורה הייחודית הסגורה למערכות ימיות אינה נותנת מענה לשדרוגים תקופתיים, כמו כן לא ניתן להתקדם בקצב של התקדמות המחשבי “קצה” בעלי יכולות מחשוב מהירות וחזקות.

לדוגמא השימוש במערכות COTS על בסיס CANES (Consilidates Afloat Networks and Enterprise Services) יוצרת תוכנית עם פלטפורמת מחשוב יחידה אשר משלבת כל בסיס תוכנה חמש מערכות שבעבר היו נפרדות.

CANES מאחדת בין פיקוד, שליטה, תקשורת, מחשבים ומערכות מודיעין אבל לא שולטת מערכות לחימה או בקרה.

התוצאה היא מערכת גמישה, מוקשחת עם יכולות כמו מערכות COTS רגילות אזרחיות.

הרשת

כמו בכל מערכת מחשב בעלת ביצועים גבוהים, החיבוריות בין המכשירים כמו רדאר והחיישנים הינה קריטית.

הEthernet הוכח כפרוטוקול מהיר והוא השולט כיום. יש לו יכולת להיות מוקשח, חזק ובעל יכולת מרשימה בקצב העברת הנתונים הגבוהה. כמוכן ניתן לשדרוג והרחבה. בגלל שימושו הנרחב של  הEthernet גם בתעשייה, ישנה זליגה של שימוש בפרוטוקלים לניהוג המכאני של הספינה באמצעות Profibus או EtherNet IP. פרוטוקולים אילו נטמעים היטב ובקלות תוך שימוש בפלטפורמת הEthernet.

הכבלים על סיפון האוניה צריכים לא רק לעמוד בדרישות החשמליות של המערכות אלא לעמוד בתנאי סביבה של ים. התנגדות למליחות, לשמן, לכימיקלים הם תנאי הכרחיים לעמידות בסביבה ימית.

בטיחות היא חשיבות עליונה

האונייה הינה סביבה סגורה, ולכן אש מהווה סיכון ראשוני במעלה. כבלים חייבים להבחר בקפידה תוך כדי שימת דגש על מאפייני הבעירה ועשן בעת שריפה שייפלטו מהכבלים. כבלי PVC רגילים מכילים הלוגנים המהווים סכנה בריאותית כאשר הם נשרפים. הלוגנים אשר מכילים פלסטיק משחררים בעת שריפה מימן כלורי, מימן פלואורי וגזים מסוכנים אחרים. כאשר מימן כלורי בא במגע עם מים הוא יוצר חומצה הידרוכלורית שהיא מסוכנת בפני עצמה. מעבר להיותה רעילה לבני אדם ובעלי חיים היא פולטת גזים שמאכלים מתכת.

רמות גבוהות של עשן אם מכילים גזים רעילים ואם לאו הם מפגע. שאיפת עשן היא המקור העיקרי לגרימת מוות בעת שריפות. העשן גורם לראות מוגבלת אשר מקשה על עבודתם של מכבי האש בפינוי פצועים בעת שריפה.

כתוצאה מכך שימוש בכבלים low smoke, zero Halogen (LSZH) מגבירים את הבטיחות בספינה. Zero Halogen מכיל פחות מ0.2 אחוז הלוגן מה שמכונה כhalogen free.

איור מספר 1 מראה את היחסות בין צפיפות העשן הנפלט ביחס לזמן. כבלים רגילים כPVC או פלסטיק פולטים עשן רב מהר מאד אשר מקשים על הראות. לעומתם שימוש בכבלים עם LSZH שומרים על ראות לאורך כל הזמן.

Figure 1. LSZH materials do not create sufficient smoke to deter visibility (Source: TE Connectivity)

LSZH אינם מציעים את אותה התנגדות ללחות כמו שאר החומרים. כבלי נתונים תומכי מהירות גבוהה (ETHERNET) מסוג LSZH  אשר עוברים דרך תאי מים לא רק שאסור שהם יעבירו מים מתא לתא אלא אסור גם שתתפתח לחות בתוך הכבל – מה שיגרום להורדת בביצועים של העברת המידע דרך הכבל כפונקציה של זמן.

גודל פיזי ומשקל של כבלים הם חלק חשוב בבחירה של כבל. כבלים עם קוטר מופחת יעילים יותר בתכנון שטח הסיפון האונייה היקר (בשל חוסר מקום על הסיפון). חומרים מקושרים (Cross linked materials) כגון ETFE מאפשרים מבנה דק יותר של הכבל שיוריד את קוטר ומשקל הכבל עד 30% ואפילו 40%. פולימרים מכילים פלואור כמו ETFE הם לא Zero Halogen אבל יכולים לשמש כבידוד במקומות שאינם מצריכים LSZH.

תאימות אלקטרומגנטית

תאימות אלקטרומגנטית גם היא קרטריון קריטי לאפשר לכבל לפעול כראוי בסביבה האלקטרומגנטית בספינה. במיוחד מעניין לעמוד בפולסים אלקטרומגנטיים “וספייקים” (spikes) הנוצרים מחוץ לכבל. נדרש 120dB להגנה מפולסים חשמליים. חצי מזה יסופק ממבנה הספינה ועוד חצי על ידי הכבל עצמו. באופן מסורתי נהגו להשתמש בצינור מתכת על מנת להשיג את ה60dB הנדרשים להגנה. הכבל מספק הגנה מינימאלית בלבד. היום מקובל שהכבל יספק הגנה זו על ידי שימוש בכבל מסוכך בעל סיכוך כפול ורדיד פנימי (foil).

מפרט צבאי

רוב הכבלים על גבי ספינות נדרשים לעמוד בתקן צבאי MIL-DTL-24640 or MIL-DTL-24643. כבלי M2460 יישתמשו לרוב בJackets מLSZH אבל יאפשרו בידוד על גבי המוליכים בחומרים שאינם LSZH. כבלים אילו לרוב לא ישמשו בהתקנה של כבלי נתונים בעלי קצה העברה גבוה אלא ליישומי אספקות חשמל או לבקרה. כבלי M24643 לעומתם ישתמשו בLSZH בכבל. המפרט כולל מבנה ושימוש בכבלי “רשת” (Cat 5E) וEthernet אשר מציעים עמידה במים, תאימות מגנטית-סיכוך ועוד. המפרט של Cat6a ייתן מענה להעברת קבצים מהירים של עד 10Gbps.

ניהול סיכונים בתכנון כבילה

דרישות עמידות במים, פליטת עשן נמוכה, סיכון שריפה, גודל ומשקל ועמידה בתאימות מגנטית מתחרים ומתנגשים זה בזה. היות וישנה התנגשות בין הדרישות חייבים לתכנן בהתאמה את הדרישות על מנת לקבל תוצאה מתפשרת הטובה ביותר ל תכנון המיועד. לדוגמא שימוש בסיכוך פנימי של הכבל גורם ךעלייה בקוטר הכבל ולמשקלו. בנוסף הוא נדרש לעמוד בדרישות להולכה של תדרים גבוהים.

איור מספר 2 מראה שאם תכנון מדוקדק ושימוש בחומרים מיוחדים ניתן לייצר כבל עם עמידה במפרט של כבל Ethernet ולהקטין את המשקל והגודל של הכבל מבלי לפגוע בעמידה במפרט לעומת כבל רגיל “מסחרי” שגודלו ומשקלו רבים יותר. (TE Connectivity).

בחירה של חומרים מחייבת איזון של השיקולים לעומת מאפייני הביצועים הנדרשים, כמובן גם עלות. התפקיד העיקרי של הJacket  הוא להגן ולבודד. הוא יכול להיווצר מחומרים אשר הרכיבים עצמם אינם דיאלקטריים. לדוגמא שימוש בjacket  עבור כבל תקשורת מסוג Ethernet יכול להיות על בסיס חומר מוקצף כדי לחסוך במשקל, לעומת זאת הjacket לכבלי LSZH מחייב שימוש בחומר מוצק ומוקשח.

חומרים המרכיבים את הjacket יכולים להיות שונים כדי להדגיש תכונות מסוימות לצורך אתרגרים מיוחדים. TE Connectivity לדוגמא משתמשים בנוסחאות ייחודיות על מנת להשיג תכונות מיוחדות מאשר להסתמך על פולימרים רגילים “מהמדף”. הייחוד שלנו הוא במדעי החומר מאפשר לנו ליצור חומרים בעלי תכונות מיוחדות ומשופרות כדי להשיג יתרונות מכאניים, סביבתיים וחשמליים.

כבלי Ethernet מורכבים מכבלים מפותלים (twisted pairs) בעלי עכבה מתואמת של 100ῼ אשר עוזרים/תומכים באתגרים ספציפיים. העכבה האופיינית נקבעת על ידי הגאומטריה של הכבל והחומר הדיאלקטרי של הבידוד והjacket. שינויים במערך החומר,עובי בידוד, גודל המוליך והקשר המרחבי של זוגות אילו משפיעים על עכבה אופיינית ופרמטרים  כגון ערבוב תדרים (cross talk). עיצוב ותכנון של כבלים נעשה תוך כדי התחשבות באיזון כל הפרמטרים. איור מספר 2 מראה שאם תכנון מדוקדק ושימוש בחומרים מיוחדים ניתן לייצר כבל עם עמידה במפרט של כבל  Ethernet ולהקטין את המשקל והגודל של הכבל מבלי לפגוע בעמידה במפרט לעומת כבל רגיל “מסחרי” שגודלו ומשקלו רבים יותר.

צבא ארה”ב מאד שמרן ונזהר מלאמץ טכנולוגיות חדשות, כבל 1Gbps Ethernet-CAT5e עדיין נפוץ מאד בכלי שייט ימיים. ביישומים אזרחיים התעשיה התקדמה לשימוש נרחב בכבלי CAT6E אשר יכולים לתמוך בתקשורת בקצב 10Gbps. כבל CAT6 עוד לא אומץ על ידי הצבא במלואו. ישנו MIL spec לכבל CAT6 עבור שימוש ביישומים אויריים אבל ביישומים ימיים הוא עדיין נמצא בשלבי אימוץ.

היום כבלי LSZH בטוחים יותר בסביבה של סיפון האוניה על ידי הקטנת הדליקות של הכבל, יכולת יצור low smoke. במקביל, הם ממשיכים לשפר את התכונות החשמליות ושיפור קצב העברת נתונים מהירה תוך כדי שמירה על התכונות המכאניות כדי לעמוד בדרישות של הקטנת גודל ומשקל ללא פגיעה בקשיחות של הכבל.