作者：Stephen Evanczuk

　　隨著向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的遷移，在傳感器和執(zhí)行器豐富的工業(yè)環(huán)境中提高可靠性和性能的需求給尋求強(qiáng)大連接解決方案的開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。嘈雜的電氣環(huán)境限制了無(wú)線方法，而惡劣的物理環(huán)境使傳統(tǒng)布線方法的使用變得復(fù)雜。設(shè)計(jì)人員需要更有效的連接解決方案，能夠保持可靠性和性能。

　　一種選擇是使用粘合對(duì)以太網(wǎng)布線，防止雙絞線分離，以保持信號(hào)完整性。

　　本文介紹了設(shè)計(jì)人員在考慮惡劣環(huán)境的布線選項(xiàng)時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。然后，它展示了他們?nèi)绾问褂媒壎▽?duì)以太網(wǎng)電纜解決這些挑戰(zhàn)，并使用Belden的示例 來(lái)說(shuō)明該技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)以太網(wǎng)電纜的特性和性能。

　　不斷變化的工業(yè)環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性和性能提出挑戰(zhàn)

　　不斷發(fā)展的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要更多種類和數(shù)量的傳感器和執(zhí)行器，這加劇了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)。除了對(duì)可靠連接的持續(xù)需求之外，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)還需要提供實(shí)時(shí)性能和更高的吞吐量，因?yàn)榛谝曈X(jué)的系統(tǒng)與高精度傳感器相結(jié)合，在制造過(guò)程的多個(gè)階段中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。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)可幫助設(shè)計(jì)人員滿足確定性以太網(wǎng)性能的要求，但隨著工業(yè)環(huán)境中數(shù)據(jù)量、速度和種類的增加，10 吉比特 (Gbit) 以太網(wǎng)正在成為標(biāo)準(zhǔn)。

　　由于典型工廠電氣和物理環(huán)境的性質(zhì)，確保工業(yè)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)可靠性和性能仍然具有挑戰(zhàn)性。在這種環(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) 源結(jié)合在一起，會(huì)損害通信信號(hào)的完整性。從物理上講，工廠車間面臨著重大挑戰(zhàn)，包括燃料、油、溶劑和其他化學(xué)品，以及機(jī)械操作、工業(yè)過(guò)程和焊縫飛濺造成的潮濕、高溫和快速溫度變化。

　　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僅在表面上與商業(yè)建筑中安裝的電纜有相似之處。與商業(yè)建筑中一樣，立管級(jí)電纜(稱為通信多用途電纜、立管 (CMR))用于穿過(guò)工業(yè)廠房中的立管或垂直豎井的電纜。同樣，阻燃級(jí)電纜(稱為通信多用途電纜，Plenum (CMP))是一種更高額定值的電纜，用于限制穿過(guò)地板或天花板以下空間的水平電纜中的火焰?zhèn)鞑ズ蜔熿F。

　　然而，與大多數(shù)商業(yè)建筑安裝不同，工業(yè)環(huán)境中的電纜敷設(shè)特別容易受到正常工廠運(yùn)營(yíng)中持續(xù)振動(dòng)、彎曲、磨損和擠壓產(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)一直依靠各種電纜護(hù)套絕緣材料來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)成本和性能之間所需的平衡。

　　工業(yè)電纜特點(diǎn)

　　盡管電纜絕緣材料因滿足特殊要求而有所不同，但氟化乙烯聚合物 (FEP) 和聚氯乙烯 (PVC) 是工業(yè)電纜護(hù)套中常用的兩種材料。在 CMP 級(jí)電纜中，由于其煙霧和阻燃特性，經(jīng)常使用 FEP。在通信電纜護(hù)套中使用 FEP 不僅可以減少火焰，還可以限制火災(zāi)產(chǎn)生的濃煙通過(guò)風(fēng)道蔓延。除了強(qiáng)大的耐化學(xué)性之外，F(xiàn)EP 電纜通?？梢猿惺茌^寬的環(huán)境溫度范圍。例如，Belden 的 CMP 級(jí)四對(duì) FEP 護(hù)套 DataTuff 7931A 以太網(wǎng)電纜 ( 7931A 0101000 ) 的指定工作溫度范圍為 -70 至 +150°C。

　　CMR 級(jí)電纜通常采用 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)品、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 護(hù)套 DataTuff 7953A 以太網(wǎng)電纜 ( 7953A 0101000 ) 的指定工作溫度范圍為 -40 至 75°C。

　　除了 FEP 和 PVC 之外，其他材料通常單獨(dú)或一起使用，以滿足特定要求。例如，對(duì)于其兩對(duì) DataTuff 7962A 以太網(wǎng)電纜 ( 7962A 1SW1000 )，Belden 結(jié)合了熱塑性彈性體 (TPE) 外護(hù)套、聚乙烯 (PE) 內(nèi)護(hù)套和聚烯烴 (PO) 電線絕緣層，提供堅(jiān)韌、阻燃的特性，適用于危險(xiǎn)環(huán)境的耐油電纜。

　　護(hù)套材料的選擇只是工業(yè)以太網(wǎng)電纜選擇的幾個(gè)關(guān)鍵決策點(diǎn)之一。如前所述，工業(yè)通信電纜可能會(huì)承受很大的機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)雙絞線電纜中的信號(hào)噪聲增加。這種熟悉的電纜類型依賴于將一對(duì)電線絞合在一起時(shí)發(fā)現(xiàn)的串?dāng)_和干擾敏感性的減少。然而，實(shí)際上，工業(yè)環(huán)境中的安裝壓力和典型的日常操作可能會(huì)導(dǎo)致成對(duì)電線之間的分離(圖 1)。

　　圖 1：傳統(tǒng)的雙絞線電纜可減少串?dāng)_和噪聲，同時(shí)成對(duì)的電線保持靠近(頂部)，但電線在反復(fù)彎曲、彎曲和拉動(dòng)后通常會(huì)分離(底部)。 (圖片來(lái)源：百通)

　　隨著持續(xù)彎曲、撓曲或拉動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)體間間距或中心度增加，雙絞線的降噪效果會(huì)顯著降低。隨著時(shí)間的推移，信號(hào)完整性會(huì)受到損害，從而影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。百通的傳統(tǒng)雙絞線通信電纜替代方案旨在保持信號(hào)完整性，盡管安裝和持續(xù)使用非常嚴(yán)格。

　　鍵合對(duì)技術(shù)可提供抗應(yīng)力能力

　　Belden 的專利粘合線對(duì)技術(shù)在每對(duì)電線之間創(chuàng)建了實(shí)際粘合，以保持通信電纜中所有雙絞線的最佳中心度，避免出現(xiàn)可能損害信號(hào)完整性的間隙(圖 2)。

　　圖 2：與傳統(tǒng)的雙絞線技術(shù)(左)不同，百通的粘合線對(duì)技術(shù)(右)可確保電纜中的成對(duì)電線之間的間距在彎曲、撓曲或拉扯時(shí)仍保持固定。 (圖片來(lái)源：百通)

　　Belden 的粘合線對(duì)技術(shù)使電纜的抗拉張力通常比傳統(tǒng)以太網(wǎng)電纜強(qiáng) 40%。同時(shí)，百通粘合線對(duì)電纜可以沿著電纜外徑四倍的彎曲半徑安全地彎曲或彎曲。相比之下，常規(guī)以太網(wǎng)電纜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)程中因彎曲而產(chǎn)生持續(xù)壓力，但粘合對(duì)技術(shù)賦予的額外強(qiáng)度意味著能夠保持可靠性。盡管行業(yè)缺乏衡量承受彎曲能力的標(biāo)準(zhǔn)，但百通創(chuàng)建了一種彎曲測(cè)試，旨在模擬常見(jiàn)的工業(yè)操作條件。

　　Belden 工程師首先將 15 英尺 (ft.) 長(zhǎng)的粘合線對(duì)電纜進(jìn)行 3 英寸 (in.) 的緊彎曲，然后對(duì)其進(jìn)行每秒 10 英尺 (ft./s) 的多軸運(yùn)動(dòng)，每次 28,800 次循環(huán)。天。百通工程團(tuán)隊(duì)持續(xù)監(jiān)控被測(cè)電纜沿其長(zhǎng)度的八個(gè)點(diǎn)是否存在短路、電壓降和其他問(wèn)題。他們?cè)?10,075,000 次彎曲循環(huán)后停止了測(cè)試，沒(méi)有檢測(cè)到任何物理或電氣故障。

　　當(dāng)將其電氣性能與傳統(tǒng)電纜進(jìn)行比較時(shí)，粘合對(duì)電纜的穩(wěn)健性能變得顯而易見(jiàn)。使用鏈路余量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試表明 Belden 粘合線對(duì)電纜在安裝前后都能保持性能(圖 3，左)。相比之下，在卷軸上通過(guò)性能測(cè)試的傳統(tǒng)雙絞線電纜在安裝后可能會(huì)因電纜受到安裝時(shí)的正常拉力、彎曲和撓曲應(yīng)力后線對(duì)分離而出現(xiàn)故障(圖 3，右)。

　　圖 3：在 Belden 粘合對(duì)電纜中，安裝前后(左)各個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)(藍(lán)/黃/綠/紅)的鏈路裕量仍然很高，而傳統(tǒng)雙絞線電纜隨后在卷軸上測(cè)試良好由于安裝應(yīng)力引起的線對(duì)分離，安裝后顯示出顯著的減少。 (圖片來(lái)源：百通)

　　與粘合線對(duì)電纜相比，由于安裝和搬運(yùn)過(guò)程中線對(duì)之間產(chǎn)生的間隙，傳統(tǒng)雙絞線電纜還會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的頻率相關(guān)阻抗波動(dòng)(圖 4)。

　　圖 4：與傳統(tǒng)工業(yè)電纜(右)因操作引起的阻抗變化相比，百通粘合對(duì)電纜(左)的阻抗在安裝前后保持穩(wěn)定。 (圖片來(lái)源：百通)

　　在正常操作中，非屏蔽粘合對(duì)電纜可以保持噪聲防護(hù)，而且成本通常低于傳統(tǒng)屏蔽電纜。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)電纜相比，粘合線對(duì)電纜的噪聲保護(hù)有助于緩解布線限制。例如，ODVA(前身為開(kāi)放設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商協(xié)會(huì))的指南建議傳統(tǒng)屏蔽電纜的布線距離電磁源不超過(guò) 5 英尺，以避免干擾。相比之下，非屏蔽粘合對(duì)電纜的噪聲保護(hù)功能使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員可以在距離源 6 英寸或更小的范圍內(nèi)布線，而不會(huì)影響信號(hào)完整性。

　　結(jié)論

　　隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)速率的增加，惡劣的電氣和物理工業(yè)環(huán)境使選擇能夠保持所需信號(hào)完整性的電纜變得更加復(fù)雜。如圖所示，百通的專利粘合線對(duì)技術(shù)提供了一種有效的解決方案，能夠比傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)電纜更有效地保持連接性能。