使用黏合對(duì)以太網(wǎng)絡(luò)纜線在惡劣環(huán)境中維持連接

本文敘述設(shè)計(jì)人員針對(duì)惡劣環(huán)境考慮布線選項(xiàng)時(shí)會(huì)面臨的許多挑戰(zhàn)，以及如何使用黏合對(duì)以太網(wǎng)絡(luò)纜線來(lái)因應(yīng)這些挑戰(zhàn)，并且舉例說(shuō)明此技術(shù)的特性和效能。

隨著移轉(zhuǎn)至工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT），多傳感器和致動(dòng)器工業(yè)環(huán)境對(duì)可靠性和效能有更高的要求，開(kāi)發(fā)人員因此面臨更多挑戰(zhàn)，需尋求更強(qiáng)大的連接解決方案。嘈雜的電氣環(huán)境會(huì)限制無(wú)線的運(yùn)用，而惡劣的實(shí)體環(huán)境會(huì)使得傳統(tǒng)布線更復(fù)雜。設(shè)計(jì)人員需要更有效率的連接解決方案，以保持可靠性和效能?？煽紤]采用黏合對(duì)以太網(wǎng)絡(luò)布線，能防止雙絞線分離，保持訊號(hào)完整性。

本文說(shuō)明設(shè)計(jì)人員針對(duì)惡劣環(huán)境考慮布線選項(xiàng)時(shí)會(huì)面臨的挑戰(zhàn)。接著，介紹如何使用黏合對(duì)以太網(wǎng)絡(luò)纜線來(lái)因應(yīng)這些挑戰(zhàn)，并且以Belden的產(chǎn)品為例，說(shuō)明此技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)布線的特性和效能。

不斷變化的工業(yè)環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性和效能造成挑戰(zhàn)
持續(xù)發(fā)展的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要更多類(lèi)型和數(shù)量的傳感器和致動(dòng)器，加深工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)。由于以視覺(jué)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)與高精密度傳感器結(jié)合，在制造過(guò)程中的各階段扮演關(guān)鍵角色，因此工業(yè)網(wǎng)絡(luò)除了需要持續(xù)且可靠的連接之外，還需具備實(shí)時(shí)效能和更高的傳輸量。IEEE 802.1時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）標(biāo)準(zhǔn)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可協(xié)助設(shè)計(jì)人員滿足確定性以太網(wǎng)絡(luò)效能的要求，但隨著工業(yè)環(huán)境中數(shù)據(jù)量、速度、種類(lèi)的增加，10 Gbit以太網(wǎng)絡(luò)已成為標(biāo)準(zhǔn)。

典型工廠電氣和實(shí)體環(huán)境的特性，讓工業(yè)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)維持可靠性和效能依舊頗具挑戰(zhàn)。在這類(lèi)環(huán)境中，機(jī)器產(chǎn)生的電氣噪聲和電源干擾與各種電磁干擾（EMI）和射頻干擾 （RFI）來(lái)源結(jié)合，會(huì)損害通訊訊號(hào)的完整性。實(shí)體上而言，廠區(qū)面臨的重大挑戰(zhàn)包括燃料、油、溶劑和其他化學(xué)物，以及機(jī)械操作、工業(yè)制程和熔接噴濺造成的潮濕、高溫和快速溫度變化。

工廠網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員在建構(gòu)通訊網(wǎng)絡(luò)時(shí)，所選用的通訊纜線僅在表面上與商業(yè)建筑中安裝的纜線相似。如同商業(yè)建筑，采用立管級(jí)纜線（或稱立管通訊多用途纜線；CMR），用于穿過(guò)工業(yè)廠房中的立管或垂直豎井的纜線。同樣地，夾層級(jí)纜線（或稱夾層通訊多用途纜線；CMP） 是一種更高等級(jí)的纜線，是穿過(guò)地板或天花板下空間的水平纜線，限制其火焰?zhèn)鞑ズ蜔熿F。

然而，與大多數(shù)商業(yè)建筑安裝不同的是，工業(yè)環(huán)境中的纜線布設(shè)非常容易在一般工廠作業(yè)中，受到持續(xù)振動(dòng)、彎曲、磨損和擠壓所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員長(zhǎng)期以來(lái)一直運(yùn)用各種纜線襯套絕緣材料，在網(wǎng)絡(luò)成本和效能之間達(dá)到所需的平衡。

工業(yè)纜線特點(diǎn)
纜線絕緣材料會(huì)因滿足特殊要求而有所不同，氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）和聚氯乙烯 （PVC）是工業(yè)纜線襯套中常用的兩種材料。在CMP級(jí)纜線中，經(jīng)常使用FEP＜運(yùn)用其煙霧和阻燃特性。

在通訊纜線襯套中使用FEP不僅可以減少火焰，還可以限制火災(zāi)產(chǎn)生的濃煙沿著風(fēng)道蔓延。FEP纜線除了強(qiáng)大的耐化學(xué)性之，通常可以耐受較寬廣的環(huán)境溫度范圍。例如，Belden的CMP級(jí)四對(duì)FEP襯套DataTuff 7931A以太網(wǎng)絡(luò)纜線（7931A 0101000） 的指定工作溫度范圍為-70°C至+150°C。

CMR級(jí)纜線通常采用PVC絕緣，成本較低，同時(shí)具有適當(dāng)?shù)哪陀眯砸约澳突瘜W(xué)物、耐熱和防水性。PVC通常表現(xiàn)出更嚴(yán)格的工作溫度，與其在立管中的典型用途一致。例如，Belden的CMR級(jí)四對(duì)PVC襯套DataTuff 7953A以太網(wǎng)絡(luò)纜線（7953A 0101000）的指定工作溫度范圍為-40°C至75°C。

除了FEP和PVC之外，通常也會(huì)單獨(dú)或同時(shí)使用其他材料，以滿足特定要求。例如，Belden 在其兩對(duì) DataTuff 7962A以太網(wǎng)絡(luò)纜線（7962A 1SW1000 ）中，結(jié)合熱塑性彈性體（TPE）外襯套、聚乙烯（PE）內(nèi)襯套和聚烯烴（PO）電線絕緣層，可提供堅(jiān)韌、阻燃、耐油的纜線，適用于危險(xiǎn)環(huán)境。

襯套材料只是選擇工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)纜線的其中一個(gè)關(guān)鍵。如上所述，工業(yè)通訊纜線可能會(huì)承受很大的機(jī)械應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)雙絞線纜線的訊號(hào)噪聲增加。這種常見(jiàn)的纜線系將一對(duì)電線絞在一起，以降低串音和干擾敏感性。然而，實(shí)際上在工業(yè)環(huán)境中的安裝應(yīng)力和典型日常操作可能會(huì)導(dǎo)致成對(duì)電線分離（圖一）。

 
圖一 : 傳統(tǒng)雙絞線纜線可減少串音和噪聲，同時(shí)，成對(duì)導(dǎo)線也會(huì)貼近（上圖），但在反復(fù)彎折、撓曲、拉動(dòng)后，導(dǎo)線通常會(huì)分離（下圖）。（source：Belden）

隨著持續(xù)彎折、撓曲、拉動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)線間距或中心距離增加，雙絞線的降噪效果會(huì)顯著降低。隨著時(shí)間的推移，訊號(hào)完整性會(huì)受損，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴elden的傳統(tǒng)雙絞線通訊纜線替代方案即使安裝的環(huán)境嚴(yán)峻且持續(xù)使用，仍可保持訊號(hào)完整性。

黏合對(duì)技術(shù)提供抗應(yīng)力能力
Belden的專(zhuān)利黏合線對(duì)技術(shù)在每對(duì)電線之間實(shí)際黏合，以保持通訊纜線中所有雙絞線的最佳中心距離，避免可能損害訊號(hào)完整性的間隙（圖二）。

 

圖二 : 與傳統(tǒng)雙絞線技術(shù)（左）不同，Belden的黏合線對(duì)技術(shù)（右）可確保纜線中雙絞線之間的間距在彎折、撓曲、拉扯時(shí)仍維持固定。（source：Belden）

一般而言，Belden 的黏合線對(duì)技術(shù)可使纜線的抗拉伸張力比傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)纜線強(qiáng) 40%。同時(shí)，Belden 黏合線對(duì)纜線能以纜線外徑四倍的彎曲半徑安全地進(jìn)行彎折或撓曲。相較之下，一般以太網(wǎng)絡(luò)纜線的彎曲半徑通常限制為外徑的十倍。

盡管在安裝或正常操作過(guò)程中會(huì)因彎曲產(chǎn)生持續(xù)應(yīng)力，但黏合對(duì)技術(shù)賦予的額外強(qiáng)度能保持可靠性。雖然業(yè)界缺乏衡量承受彎曲能力的標(biāo)準(zhǔn)，但 Belden 建立了一種彎曲測(cè)試，可模擬常見(jiàn)的工業(yè)操作條件。

Belden工程師首先將長(zhǎng)15 ft的黏合線對(duì)纜線進(jìn)行3 in的緊密彎曲，然后對(duì)其進(jìn)行10 ft/s的多軸運(yùn)動(dòng)，每天28,800次循環(huán)。Belden工程團(tuán)隊(duì)持續(xù)監(jiān)控受測(cè)纜在線的八個(gè)點(diǎn)，確認(rèn)是否有短路、電壓壓降等問(wèn)題。他們?cè)诘?0,075,000次彎曲循環(huán)后停止測(cè)試，并沒(méi)有偵測(cè)到任何實(shí)體或電氣故障。

若將其電氣效能與傳統(tǒng)纜線進(jìn)行比較，黏合對(duì)纜線的穩(wěn)健效能顯而易見(jiàn)。以鏈路余裕作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試顯示Belden黏合線對(duì)纜線在安裝前后都能保持效能（圖三，左）。相較之下，在線軸上通過(guò)效能測(cè)試的傳統(tǒng)雙絞線纜線，在安裝后可能會(huì)因纜線受到安裝時(shí)的正常拉力、彎折和撓曲應(yīng)力后導(dǎo)致線對(duì)分離而故障（圖三，右）。


圖三 : Belden黏合線對(duì)纜線，在安裝前后各個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)（藍(lán)／黃／綠／紅）維持高鏈路余裕（左）；而傳統(tǒng)的雙絞線在線軸上測(cè)試為良好，但隨后顯示安裝后由于安裝應(yīng)力造成線對(duì)分離，其鏈路余裕顯著減少。（source：Belden）

傳統(tǒng)雙絞線纜線相較于黏合線對(duì)纜線，會(huì)在安裝和搬運(yùn)時(shí)造成線對(duì)之間產(chǎn)生間隙，也會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的頻率相關(guān)阻抗波動(dòng)（圖四）。

 
圖四 : 相較于傳統(tǒng)工業(yè)纜線（右）因操作引起的阻抗變化，Belden 的黏合線對(duì)纜線（左）在安裝前后的阻抗保持穩(wěn)定。（source：Belden）

在正常操作中，非屏蔽黏合對(duì)纜線可以維持噪聲防護(hù)，而且成本通常低于傳統(tǒng)屏蔽纜線。對(duì)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，與傳統(tǒng)屏蔽工業(yè)纜線相比，黏合線對(duì)纜線的噪聲保護(hù)有助于緩解布線限制。例如，ODVA（前身為 Open DeviceNet Vendors Association）的指南建議，傳統(tǒng)屏蔽纜線的布線距離電磁源應(yīng)不超過(guò)5 ft，以避免干擾。相較之下，非屏蔽黏合對(duì)纜線的噪聲保護(hù)功能使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員可以在距離來(lái)源6 ft或更小的范圍內(nèi)布線，而不會(huì)影響訊號(hào)完整性。

結(jié)論
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率不斷增加，惡劣的電氣和實(shí)體工業(yè)環(huán)境造成更難以選擇能夠保持所需訊號(hào)完整性的纜線。如上所述，Belden的專(zhuān)利黏合線對(duì)技術(shù)提供一個(gè)有效的解決方案，能比傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)纜線更有效地保持連接效能。

（本文作者Barley Li為DigiKey Electronics亞太區(qū)技術(shù)內(nèi)容部門(mén)應(yīng)用工程經(jīng)理）