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

本文敘述設計人員針對惡劣環(huán)境考慮布線(xiàn)選項時(shí)會(huì )面臨的許多挑戰，以及如何使用黏合對以太網(wǎng)絡(luò )纜線(xiàn)來(lái)因應這些挑戰，并且舉例說(shuō)明此技術(shù)的特性和效能。

隨著(zhù)移轉至工業(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，需尋求更強大的連接解決方案。嘈雜的電氣環(huán)境會(huì )限制無(wú)線(xiàn)的運用，而惡劣的實(shí)體環(huán)境會(huì )使得傳統布線(xiàn)更復雜。設計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]采用黏合對以太網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)，能防止雙絞線(xiàn)分離，保持訊號完整性。

本文說(shuō)明設計人員針對惡劣環(huán)境考慮布線(xiàn)選項時(shí)會(huì )面臨的挑戰。接著(zhù)，介紹如何使用黏合對以太網(wǎng)絡(luò )纜線(xiàn)來(lái)因應這些挑戰，并且以Belden的產(chǎn)品為例，說(shuō)明此技術(shù)相對于傳統以太網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)的特性和效能。

不斷變化的工業(yè)環(huán)境對網(wǎng)絡(luò )可靠性和效能造成挑戰
持續發(fā)展的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要更多類(lèi)型和數量的傳感器和致動(dòng)器，加深工業(yè)網(wǎng)絡(luò )設計人員所面臨的挑戰。由于以視覺(jué)為基礎的系統與高精密度傳感器結合，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）標準等網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可協(xié)助設計人員滿(mǎn)足確定性以太網(wǎng)絡(luò )效能的要求，但隨著(zhù)工業(yè)環(huán)境中數據量、速度、種類(lèi)的增加，10 Gbit以太網(wǎng)絡(luò )已成為標準。

典型工廠(chǎng)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。在這類(lèi)環(huán)境中，機器產(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)源結合，會(huì )損害通訊訊號的完整性。實(shí)體上而言，廠(chǎng)區面臨的重大挑戰包括燃料、油、溶劑和其他化學(xué)物，以及機械操作、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(chǎng)網(wǎng)絡(luò )設計人員在建構通訊網(wǎng)絡(luò )時(shí)，所選用的通訊纜線(xiàn)僅在表面上與商業(yè)建筑中安裝的纜線(xiàn)相似。如同商業(yè)建筑，采用立管級纜線(xiàn)（或稱(chēng)立管通訊多用途纜線(xiàn)；CMR），用于穿過(guò)工業(yè)廠(chǎng)房中的立管或垂直豎井的纜線(xiàn)。同樣地，夾層級纜線(xiàn)（或稱(chēng)夾層通訊多用途纜線(xiàn)；CMP） 是一種更高等級的纜線(xiàn)，是穿過(guò)地板或天花板下空間的水平纜線(xiàn)，限制其火焰傳播和煙霧。

然而，與大多數商業(yè)建筑安裝不同的是，工業(yè)環(huán)境中的纜線(xiàn)布設非常容易在一般工廠(chǎng)作業(yè)中，受到持續振動(dòng)、彎曲、磨損和擠壓所產(chǎn)生的機械應力。工業(yè)網(wǎng)絡(luò )設計人員長(cháng)期以來(lái)一直運用各種纜線(xiàn)襯套絕緣材料，在網(wǎng)絡(luò )成本和效能之間達到所需的平衡。

工業(yè)纜線(xiàn)特點(diǎn)
纜線(xiàn)絕緣材料會(huì )因滿(mǎn)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(xiàn)襯套中常用的兩種材料。在CMP級纜線(xiàn)中，經(jīng)常使用FEP＜運用其煙霧和阻燃特性。

在通訊纜線(xiàn)襯套中使用FEP不僅可以減少火焰，還可以限制火災產(chǎn)生的濃煙沿著(zhù)風(fēng)道蔓延。FEP纜線(xiàn)除了強大的耐化學(xué)性之，通?？梢阅褪茌^寬廣的環(huán)境溫度范圍。例如，Belden的CMP級四對FEP襯套DataTuff 7931A以太網(wǎng)絡(luò )纜線(xiàn)（7931A 0101000） 的指定工作溫度范圍為-70°C至+150°C。

CMR級纜線(xiàn)通常采用PVC絕緣，成本較低，同時(shí)具有適當的耐用性以及耐化學(xué)物、耐熱和防水性。PVC通常表現出更嚴格的工作溫度，與其在立管中的典型用途一致。例如，Belden的CMR級四對PVC襯套DataTuff 7953A以太網(wǎng)絡(luò )纜線(xiàn)（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 )單獨或同時(shí)使用其他材料，以滿(mǎn)足特定要求。例如，Belden 在其兩對 DataTuff 7962A以太網(wǎng)絡(luò )纜線(xiàn)（7962A 1SW1000 ）中，結合熱塑性彈性體（TPE）外襯套、聚乙烯（PE）內襯套和聚烯烴（PO）電線(xiàn)絕緣層，可提供堅韌、阻燃、耐油的纜線(xiàn)，適用于危險環(huán)境。

襯套材料只是選擇工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )纜線(xiàn)的其中一個(gè)關(guān)鍵。如上所述，工業(yè)通訊纜線(xiàn)可能會(huì )承受很大的機械應力，會(huì )導致傳統雙絞線(xiàn)纜線(xiàn)的訊號噪聲增加。這種常見(jiàn)的纜線(xiàn)系將一對電線(xiàn)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)境中的安裝應力和典型日常操作可能會(huì )導致成對電線(xiàn)分離（圖一）。

 
圖一 : 傳統雙絞線(xiàn)纜線(xiàn)可減少串音和噪聲，同時(shí)，成對導線(xiàn)也會(huì )貼近（上圖），但在反復彎折、撓曲、拉動(dòng)后，導線(xiàn)通常會(huì )分離（下圖）。（source：Belden）

隨著(zhù)持續彎折、撓曲、拉動(dòng)導致導線(xiàn)間距或中心距離增加，雙絞線(xiàn)的降噪效果會(huì )顯著(zhù)降低。隨著(zhù)時(shí)間的推移，訊號完整性會(huì )受損，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò )傳輸的可靠性。Belden的傳統雙絞線(xiàn)通訊纜線(xiàn)替代方案即使安裝的環(huán)境嚴峻且持續使用，仍可保持訊號完整性。

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

 

圖二 : 與傳統雙絞線(xiàn)技術(shù)（左）不同，Belden的黏合線(xiàn)對技術(shù)（右）可確保纜線(xiàn)中雙絞線(xiàn)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(xiàn)對技術(shù)可使纜線(xiàn)的抗拉伸張力比傳統以太網(wǎng)絡(luò )纜線(xiàn)強 40%。同時(shí)，Belden 黏合線(xiàn)對纜線(xiàn)能以纜線(xiàn)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(xiàn)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)生持續應力，但黏合對技術(shù)賦予的額外強度能保持可靠性。雖然業(yè)界缺乏衡量承受彎曲能力的標準，但 Belden 建立了一種彎曲測試，可模擬常見(jiàn)的工業(yè)操作條件。

Belden工程師首先將長(cháng)15 ft的黏合線(xiàn)對纜線(xiàn)進(jìn)行3 in的緊密彎曲，然后對其進(jìn)行10 ft/s的多軸運動(dòng)，每天28,800次循環(huán)。Belden工程團隊持續監控受測纜在線(xiàn)的八個(gè)點(diǎn)，確認是否有短路、電壓壓降等問(wèn)題。他們在第10,075,000次彎曲循環(huán)后停止測試，并沒(méi)有偵測到任何實(shí)體或電氣故障。

若將其電氣效能與傳統纜線(xiàn)進(jìn)行比較，黏合對纜線(xiàn)的穩健效能顯而易見(jiàn)。以鏈路余裕作為衡量標準，測試顯示Belden黏合線(xiàn)對纜線(xiàn)在安裝前后都能保持效能（圖三，左）。相較之下，在線(xiàn)軸上通過(guò)效能測試的傳統雙絞線(xiàn)纜線(xiàn)，在安裝后可能會(huì )因纜線(xiàn)受到安裝時(shí)的正常拉力、彎折和撓曲應力后導致線(xiàn)對分離而故障（圖三，右）。


圖三 : Belden黏合線(xiàn)對纜線(xiàn)，在安裝前后各個(gè)數據對（藍／黃／綠／紅）維持高鏈路余裕（左）；而傳統的雙絞線(xiàn)在線(xiàn)軸上測試為良好，但隨后顯示安裝后由于安裝應力造成線(xiàn)對分離，其鏈路余裕顯著(zhù)減少。（source：Belden）

傳統雙絞線(xiàn)纜線(xiàn)相較于黏合線(xiàn)對纜線(xiàn)，會(huì )在安裝和搬運時(shí)造成線(xiàn)對之間產(chǎn)生間隙，也會(huì )出現不穩定的頻率相關(guān)阻抗波動(dòng)（圖四）。

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

在正常操作中，非屏蔽黏合對纜線(xiàn)可以維持噪聲防護，而且成本通常低于傳統屏蔽纜線(xiàn)。對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò )設計人員來(lái)說(shuō)，與傳統屏蔽工業(yè)纜線(xiàn)相比，黏合線(xiàn)對纜線(xiàn)的噪聲保護有助于緩解布線(xiàn)限制。例如，ODVA（前身為 Open DeviceNet Vendors Association）的指南建議，傳統屏蔽纜線(xiàn)的布線(xiàn)距離電磁源應不超過(guò)5 ft，以避免干擾。相較之下，非屏蔽黏合對纜線(xiàn)的噪聲保護功能使網(wǎng)絡(luò )設計人員可以在距離來(lái)源6 ft或更小的范圍內布線(xiàn)，而不會(huì )影響訊號完整性。

結論
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數據傳輸速率不斷增加，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完整性的纜線(xiàn)。如上所述，Belden的專(zhuān)利黏合線(xiàn)對技術(shù)提供一個(gè)有效的解決方案，能比傳統工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )纜線(xiàn)更有效地保持連接效能。

（本文作者Barley Li為DigiKey Electronics亞太區技術(shù)內容部門(mén)應用工程經(jīng)理）