作者：Stephen Evanczuk

投稿人：DigiKey 北美編輯

隨著向工業物聯網 (IIoT) 的遷移，采用大量傳感器和執行器的工業環境對提高可靠性、高性能的需求，給尋求穩健連接解決方案的開發人員帶來了越來越大的挑戰。嘈雜的電氣環境制約了無線方法的使用，而惡劣的物理環境則使傳統布線方法的使用變得復雜多變。設計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。

本文將介紹設計人員在考慮惡劣環境下的布線方案時所面臨的挑戰。然后，以 [Belden]的產品為例，說明設計人員如何利用鍵合線對以太網電纜來應對這些挑戰，并說明該技術相對于傳統以太網布線的特性、性能。

不斷變化的工業環境對網絡可靠性和性能提出了更高的要求

在不斷發展的 IIoT 中，傳感器和執行器的種類、數量在不斷增加，這使得工業網絡設計人員面臨更加復雜的挑戰。除了繼續要求可靠性外， 工業網絡還需同時具有實時性能和更高的吞吐量，因為基于視覺的系統與高精度傳感器一起，在制造過程的多個階段將發揮著至關重要的作用。雖然 IEEE 802.1 時間敏感網絡 (TSN) 標準等網絡技術有助于設計人員滿足對確定性以太網性能的要求，但隨著工業環境中數據量、速度和類型的增加，萬兆 (Gbit) 以太網網絡正逐漸成為標準。

鑒于典型工廠的電氣和物理環境的特性，確保工業環境中的網絡可靠性和性能仍具有挑戰性。在這種環境下，由機器產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，如燃料、油、溶劑和其他化學物質，以及潮濕、高溫和由機械運行、工業流程和焊接飛濺產生的快速溫度變化。

在構建通信網絡時，工廠網絡設計人員所依賴的通信電纜與用于商業樓宇安裝的電纜只是表面上看起來有相似的地方。與商業建筑一樣，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，與大多數商業建筑安裝不同的是，工業環境中的電纜特別容易受到持續振動、彎曲、磨損和正常的工廠運營造成的擠壓等機械應力的影響。長期以來，工業網絡設計人員一直依賴各種電纜護套絕緣材料來實現網絡成本與性能之間所需的平衡。

工業電纜的特性

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) 是常用的兩種工業電纜護套材料。在 CMP 級電纜中，由于 FEP 阻煙和阻燃，因此是常用材料。在通信電纜護套中使用 FEP 不僅能減少火焰，還能限制火災產生的濃煙通過通風管道擴散。FEP 電纜具有很強的耐化學腐蝕性，通常可承受很寬的環境溫度范圍。例如，Belden 的 CMP 級四線對 FEP 護套 DataTuff 7931A 以太網電纜 [(7931A 0101000]) 的規定工作溫度范圍為 -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，而且具有適當的耐久性和耐化學性、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 護套 DataTuff 7953A 以太網電纜 ([7953A 0101000]) 的規定工作溫度范圍為 -40°C 至 75°C。

除 FEP 和 PVC 外，還經常單獨或配套使用其他材料來滿足特定要求。例如，在兩對 DataTuff 7962A 以太網電纜 ([7962A1SW1000]) 中，Belden 將熱塑性彈性體 (TPE) 外護套、聚乙烯 (PE) 內護套和聚烯烴 (PO) 電線絕緣層結合在一起，成為一種適用于危險環境的堅韌、阻燃且耐油的電纜。

在為工業以太網網絡選擇電纜時，護套材料的選擇只是關鍵決策點之一。如前所述，工業通信電纜會承受巨大的機械應力，從而導致傳統雙絞線的信號噪聲增加。這種耳熟能詳的電纜類型依靠的是通過一對電線絞合來降低串擾和干擾敏感性。但實際上，工業環境中的安裝應力和典型的日常運行會導致導線對分離（圖 1）。

圖 1：傳統的雙絞線對電纜在成對導線保持緊密纏繞時時可減少串擾和噪聲（上圖），但在反復彎折、彎曲和拉扯后，導線通常會分離（下圖）。（圖片來源：Belden）

由于持續的彎曲、彎折或拉扯，導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。隨著時間的推移，信號完整性就會受到破壞，進而影響網絡傳輸的可靠性。Belden 的傳統雙絞線通信電纜的替代設計的目的是，在嚴格的安裝條件和持續使用條件下保持信號完整性。

鍵合線對技術能夠抵抗應力

Belden 獲得專利的鍵合線對技術可在每對導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，避免出現可能影響信號完整性的間隙（圖 2）。

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

Belden 的鍵合線對技術使得電纜的抗拉伸能力通常比傳統以太網電纜強 40%。同時，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，普通以太網電纜的彎曲半徑通常只能是外徑的十倍。

鍵合線對技術所帶來的額外強度，使電纜能夠在安裝或正常運行過程中因彎曲而持續受力的情況下，仍能保持其可靠性。盡管業界缺乏衡量抗彎曲能力的標準，但 Belden 創建了一種旨在模擬常見工業運行條件的彎曲測試。

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) 的多軸運動狀態下，每天進行 28,800 次循環。Belden 工程團隊在沿待測電纜長度方向上的八個點持續監控短路、電壓下降和其他問題。在進行了 10,075,000 次彎曲循環后停止測試，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電纜進行比較，就能明顯看出其強大的性能。使用鏈路裕量作為衡量標準，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、彎曲和彎折應力導致線對分離而失效（圖 3，右）。

圖 3：在 Belden 鍵合線對中，單獨的數據線對（藍/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雙絞線在安裝后由于安裝應力導致了線對分離，導致鏈路余量急劇下降。（圖片來源：Belden）

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

圖 4：Belden 鍵合線對電纜（左）的阻抗在安裝前后保持穩定，而傳統工業電纜（右）的阻抗會因搬運而發生變化。（圖片來源：Belden）

在正常運行中，非屏蔽鍵合線對可以保持噪聲防護性能，且成本通常低于傳統屏蔽電纜。對于工業網絡設計人員來說，與傳統的屏蔽工業電纜相比，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 供應商協會）的指導原則建議將傳統屏蔽電纜布設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功能可讓網絡設計人員在距離電磁源 6 英寸或更小的范圍內布線，而不會影響信號完整性。

結束語

隨著 IIoT 數據傳輸速率的提高，惡劣的電氣和物理工業環境使得能保持所需信號完整性的電纜選型變得更加復雜。如圖所示，Belden 獲得專利的鍵合線對技術提供了一種有效的解決方案，能比傳統的工業以太網電纜更有效地保持連接性能。