使用鍵合線對以太網(wǎng)電纜能確保惡劣環(huán)境下的連接性

作者：Stephen Evanczuk

投稿人：DigiKey 北美編輯

隨著向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的遷移，采用大量傳感器和執(zhí)行器的工業(yè)環(huán)境對提高可靠性、高性能的需求，給尋求穩(wěn)健連接解決方案的開發(fā)人員帶來了越來越大的挑戰(zhàn)。嘈雜的電氣環(huán)境制約了無線方法的使用，而惡劣的物理環(huán)境則使傳統(tǒng)布線方法的使用變得復(fù)雜多變。設(shè)計(jì)人員需要一種更有效的，能夠保持可靠性和性能的連接解決方案。

一種方法是使用鍵合線對以太網(wǎng)布線，這種布線方法可防止雙絞線對分離，從而保持信號完整性。

本文將介紹設(shè)計(jì)人員在考慮惡劣環(huán)境下的布線方案時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。然后，以 [Belden]的產(chǎn)品為例，說明設(shè)計(jì)人員如何利用鍵合線對以太網(wǎng)電纜來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，并說明該技術(shù)相對于傳統(tǒng)以太網(wǎng)布線的特性、性能。

不斷變化的工業(yè)環(huán)境對網(wǎng)絡(luò)可靠性和性能提出了更高的要求

在不斷發(fā)展的 IIoT 中，傳感器和執(zhí)行器的種類、數(shù)量在不斷增加，這使得工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員面臨更加復(fù)雜的挑戰(zhàn)。除了繼續(xù)要求可靠性外， 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)還需同時(shí)具有實(shí)時(shí)性能和更高的吞吐量，因?yàn)榛谝曈X的系統(tǒng)與高精度傳感器一起，在制造過程的多個階段將發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。雖然 IEEE 802.1 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 標(biāo)準(zhǔn)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有助于設(shè)計(jì)人員滿足對確定性以太網(wǎng)性能的要求，但隨著工業(yè)環(huán)境中數(shù)據(jù)量、速度和類型的增加，萬兆 (Gbit) 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)正逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于典型工廠的電氣和物理環(huán)境的特性，確保工業(yè)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)可靠性和性能仍具有挑戰(zhàn)性。在這種環(huán)境下，由機(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) 源混合在一起，會損害通信信號的完整性。從物理角度看，工廠車間正面臨著巨大的挑戰(zhàn)，如燃料、油、溶劑和其他化學(xué)物質(zhì)，以及潮濕、高溫和由機(jī)械運(yùn)行、工業(yè)流程和焊接飛濺產(chǎn)生的快速溫度變化。

在構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，工廠網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員所依賴的通信電纜與用于商業(yè)樓宇安裝的電纜只是表面上看起來有相似的地方。與商業(yè)建筑一樣，一種被稱為“多用途垂直走線 (CMR) 通信電纜 ”的垂直走線級電纜適用于在工業(yè)廠房中穿過立管或豎井。同樣，被稱為“多用途天花板隔層 (CMP) 電纜”的天花板隔層級電纜是一種等級更高的電纜，用于阻止穿過地板下方或天花板空間的水平走線電纜的火焰和煙霧的蔓延。

然而，與大多數(shù)商業(yè)建筑安裝不同的是，工業(yè)環(huán)境中的電纜特別容易受到持續(xù)振動、彎曲、磨損和正常的工廠運(yùn)營造成的擠壓等機(jī)械應(yīng)力的影響。長期以來，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員一直依賴各種電纜護(hù)套絕緣材料來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)成本與性能之間所需的平衡。

工業(yè)電纜的特性

雖然電纜絕緣材料會因特殊要求而不同，但氟化乙烯聚合物 (FEP) 和聚氯乙烯 (PVC) 是常用的兩種工業(yè)電纜護(hù)套材料。在 CMP 級電纜中，由于 FEP 阻煙和阻燃，因此是常用材料。在通信電纜護(hù)套中使用 FEP 不僅能減少火焰，還能限制火災(zāi)產(chǎn)生的濃煙通過通風(fēng)管道擴(kuò)散。FEP 電纜具有很強(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕性，通?？沙惺芎軐挼沫h(huán)境溫度范圍。例如，Belden 的 CMP 級四線對 FEP 護(hù)套 DataTuff 7931A 以太網(wǎng)電纜 [(7931A 0101000]) 的規(guī)定工作溫度范圍為 -70°C 至 +150°C。

CMR 級電纜通常使用聚氯乙烯 (PVC) 絕緣，這種材料不僅成本較低，而且具有適當(dāng)?shù)哪途眯院湍突瘜W(xué)性、耐熱性和耐水性。PVC 的工作溫度通常限制較多，這與它在立管中的典型用途相符。例如，Belden 的 CMR 級四線對 PVC 護(hù)套 DataTuff 7953A 以太網(wǎng)電纜 ([7953A 0101000]) 的規(guī)定工作溫度范圍為 -40°C 至 75°C。

除 FEP 和 PVC 外，還經(jīng)常單獨(dú)或配套使用其他材料來滿足特定要求。例如，在兩對 DataTuff 7962A 以太網(wǎng)電纜 ([7962A1SW1000]) 中，Belden 將熱塑性彈性體 (TPE) 外護(hù)套、聚乙烯 (PE) 內(nèi)護(hù)套和聚烯烴 (PO) 電線絕緣層結(jié)合在一起，成為一種適用于危險(xiǎn)環(huán)境的堅(jiān)韌、阻燃且耐油的電纜。

在為工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)選擇電纜時(shí)，護(hù)套材料的選擇只是關(guān)鍵決策點(diǎn)之一。如前所述，工業(yè)通信電纜會承受巨大的機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)雙絞線的信號噪聲增加。這種耳熟能詳?shù)碾娎|類型依靠的是通過一對電線絞合來降低串?dāng)_和干擾敏感性。但實(shí)際上，工業(yè)環(huán)境中的安裝應(yīng)力和典型的日常運(yùn)行會導(dǎo)致導(dǎo)線對分離（圖 1）。

圖 1：傳統(tǒng)的雙絞線對電纜在成對導(dǎo)線保持緊密纏繞時(shí)時(shí)可減少串?dāng)_和噪聲（上圖），但在反復(fù)彎折、彎曲和拉扯后，導(dǎo)線通常會分離（下圖）。（圖片來源：Belden）

由于持續(xù)的彎曲、彎折或拉扯，導(dǎo)線之間的的間距或中心度會增大，使得雙絞線的降噪效果會明顯降低。隨著時(shí)間的推移，信號完整性就會受到破壞，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。Belden 的傳統(tǒng)雙絞線通信電纜的替代設(shè)計(jì)的目的是，在嚴(yán)格的安裝條件和持續(xù)使用條件下保持信號完整性。

鍵合線對技術(shù)能夠抵抗應(yīng)力

Belden 獲得專利的鍵合線對技術(shù)可在每對導(dǎo)線之間建立真正的鍵合，從而使通信電纜中的所有雙絞線對都保持最佳同心度，避免出現(xiàn)可能影響信號完整性的間隙（圖 2）。

圖 2：與傳統(tǒng)的雙絞線技術(shù)（左）不同，Belden 的鍵合線對技術(shù)（右）可確保電纜中成對導(dǎo)線之間的間距在發(fā)生彎曲、彎折或拉扯時(shí)保持不變。（圖片來源：Belden）

Belden 的鍵合線對技術(shù)使得電纜的抗拉伸能力通常比傳統(tǒng)以太網(wǎng)電纜強(qiáng) 40%。同時(shí)，Belden 鍵合線對可沿彎曲半徑安全地彎曲或彎折，彎曲半徑可小至電纜外徑的四倍。相比之下，普通以太網(wǎng)電纜的彎曲半徑通常只能是外徑的十倍。

鍵合線對技術(shù)所帶來的額外強(qiáng)度，使電纜能夠在安裝或正常運(yùn)行過程中因彎曲而持續(xù)受力的情況下，仍能保持其可靠性。盡管業(yè)界缺乏衡量抗彎曲能力的標(biāo)準(zhǔn)，但 Belden 創(chuàng)建了一種旨在模擬常見工業(yè)運(yùn)行條件的彎曲測試。

Belden 工程師首先將 15 英尺長的鍵合線對電纜進(jìn)行 3 英寸小半徑彎曲，然后將其置于每秒 10 英尺 (ft./s) 的多軸運(yùn)動狀態(tài)下，每天進(jìn)行 28,800 次循環(huán)。Belden 工程團(tuán)隊(duì)在沿待測電纜長度方向上的八個點(diǎn)持續(xù)監(jiān)控短路、電壓下降和其他問題。在進(jìn)行了 10,075,000 次彎曲循環(huán)后停止測試，他們沒有檢測到任何物理或電氣故障。

將鍵合線對電纜的電氣性能與傳統(tǒng)電纜進(jìn)行比較，就能明顯看出其強(qiáng)大的性能。使用鏈路裕量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，測試表明 Belden 鍵合線對在安裝前后都能保持其性能（圖 3，左）。與此相反，在卷軸上通過性能測試的傳統(tǒng)雙絞線在安裝后會因電纜在安裝過程中受到正常的拉扯、彎曲和彎折應(yīng)力導(dǎo)致線對分離而失效（圖 3，右）。

圖 3：在 Belden 鍵合線對中，單獨(dú)的數(shù)據(jù)線對（藍(lán)/黃/綠/紅）在安裝前后（左圖）的鏈路余量都很高，而在卷軸上測試良好的傳統(tǒng)雙絞線在安裝后由于安裝應(yīng)力導(dǎo)致了線對分離，導(dǎo)致鏈路余量急劇下降。（圖片來源：Belden）

與鍵合線對相比，傳統(tǒng)雙絞線在安裝和搬運(yùn)過程中，由于線對之間會產(chǎn)生間隙，因此還會出現(xiàn)隨頻率變化的不穩(wěn)定阻抗波動（圖 4）。

圖 4：Belden 鍵合線對電纜（左）的阻抗在安裝前后保持穩(wěn)定，而傳統(tǒng)工業(yè)電纜（右）的阻抗會因搬運(yùn)而發(fā)生變化。（圖片來源：Belden）

在正常運(yùn)行中，非屏蔽鍵合線對可以保持噪聲防護(hù)性能，且成本通常低于傳統(tǒng)屏蔽電纜。對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員來說，與傳統(tǒng)的屏蔽工業(yè)電纜相比，鍵合線對的防噪功能有助于緩解布線方面的限制。例如，ODVA（之前為開放式 DeviceNet 供應(yīng)商協(xié)會）的指導(dǎo)原則建議將傳統(tǒng)屏蔽電纜布設(shè)在距離電磁源不超過 5 英尺的地方，以避免干擾。相比之下，非屏蔽鍵合線對電纜的噪聲保護(hù)功能可讓網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員在距離電磁源 6 英寸或更小的范圍內(nèi)布線，而不會影響信號完整性。

結(jié)束語

隨著 IIoT 數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，惡劣的電氣和物理工業(yè)環(huán)境使得能保持所需信號完整性的電纜選型變得更加復(fù)雜。如圖所示，Belden 獲得專利的鍵合線對技術(shù)提供了一種有效的解決方案，能比傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)電纜更有效地保持連接性能。