使用黏合對以太網絡纜線在惡劣環(huán)境中維持連接

本文敘述設計人員針對惡劣環(huán)境考慮布線選項時會面臨的許多挑戰(zhàn)，以及如何使用黏合對以太網絡纜線來因應這些挑戰(zhàn)，并且舉例說明此技術的特性和效能。

隨著移轉至工業(yè)物聯(lián)網（IIoT），多傳感器和致動器工業(yè)環(huán)境對可靠性和效能有更高的要求，開發(fā)人員因此面臨更多挑戰(zhàn)，需尋求更強大的連接解決方案。嘈雜的電氣環(huán)境會限制無線的運用，而惡劣的實體環(huán)境會使得傳統(tǒng)布線更復雜。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。可考慮采用黏合對以太網絡布線，能防止雙絞線分離，保持訊號完整性。

本文說明設計人員針對惡劣環(huán)境考慮布線選項時會面臨的挑戰(zhàn)。接著，介紹如何使用黏合對以太網絡纜線來因應這些挑戰(zhàn)，并且以Belden的產品為例，說明此技術相對于傳統(tǒng)以太網絡布線的特性和效能。

不斷變化的工業(yè)環(huán)境對網絡可靠性和效能造成挑戰(zhàn)
持續(xù)發(fā)展的工業(yè)物聯(lián)網需要更多類型和數量的傳感器和致動器，加深工業(yè)網絡設計人員所面臨的挑戰(zhàn)。由于以視覺為基礎的系統(tǒng)與高精密度傳感器結合，在制造過程中的各階段扮演關鍵角色，因此工業(yè)網絡除了需要持續(xù)且可靠的連接之外，還需具備實時效能和更高的傳輸量。IEEE 802.1時效性網絡（TSN）標準等網絡技術可協(xié)助設計人員滿足確定性以太網絡效能的要求，但隨著工業(yè)環(huán)境中數據量、速度、種類的增加，10 Gbit以太網絡已成為標準。

典型工廠電氣和實體環(huán)境的特性，讓工業(yè)環(huán)境中的網絡維持可靠性和效能依舊頗具挑戰(zhàn)。在這類環(huán)境中，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）來源結合，會損害通訊訊號的完整性。實體上而言，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。

工廠網絡設計人員在建構通訊網絡時，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，采用立管級纜線（或稱立管通訊多用途纜線；CMR），用于穿過工業(yè)廠房中的立管或垂直豎井的纜線。同樣地，夾層級纜線（或稱夾層通訊多用途纜線；CMP） 是一種更高等級的纜線，是穿過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，與大多數商業(yè)建筑安裝不同的是，工業(yè)環(huán)境中的纜線布設非常容易在一般工廠作業(yè)中，受到持續(xù)振動、彎曲、磨損和擠壓所產生的機械應力。工業(yè)網絡設計人員長期以來一直運用各種纜線襯套絕緣材料，在網絡成本和效能之間達到所需的平衡。

工業(yè)纜線特點
纜線絕緣材料會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級纜線中，經常使用FEP＜運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，還可以限制火災產生的濃煙沿著風道蔓延。FEP纜線除了強大的耐化學性之，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以太網絡纜線（7931A 0101000） 的指定工作溫度范圍為-70°C至+150°C。

CMR級纜線通常采用PVC絕緣，成本較低，同時具有適當的耐用性以及耐化學物、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以太網絡纜線（7953A 0101000）的指定工作溫度范圍為-40°C至75°C。

除了FEP和PVC之外，通常也會單獨或同時使用其他材料，以滿足特定要求。例如，Belden 在其兩對 DataTuff 7962A以太網絡纜線（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）電線絕緣層，可提供堅韌、阻燃、耐油的纜線，適用于危險環(huán)境。

襯套材料只是選擇工業(yè)以太網絡纜線的其中一個關鍵。如上所述，工業(yè)通訊纜線可能會承受很大的機械應力，會導致傳統(tǒng)雙絞線纜線的訊號噪聲增加。這種常見的纜線系將一對電線絞在一起，以降低串音和干擾敏感性。然而，實際上在工業(yè)環(huán)境中的安裝應力和典型日常操作可能會導致成對電線分離（圖一）。

 
圖一 : 傳統(tǒng)雙絞線纜線可減少串音和噪聲，同時，成對導線也會貼近（上圖），但在反復彎折、撓曲、拉動后，導線通常會分離（下圖）。（source：Belden）

隨著持續(xù)彎折、撓曲、拉動導致導線間距或中心距離增加，雙絞線的降噪效果會顯著降低。隨著時間的推移，訊號完整性會受損，進而影響網絡傳輸的可靠性。Belden的傳統(tǒng)雙絞線通訊纜線替代方案即使安裝的環(huán)境嚴峻且持續(xù)使用，仍可保持訊號完整性。

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

 

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

一般而言，Belden 的黏合線對技術可使纜線的抗拉伸張力比傳統(tǒng)以太網絡纜線強 40%。同時，Belden 黏合線對纜線能以纜線外徑四倍的彎曲半徑安全地進行彎折或撓曲。相較之下，一般以太網絡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程中會因彎曲產生持續(xù)應力，但黏合對技術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，可模擬常見的工業(yè)操作條件。

Belden工程師首先將長15 ft的黏合線對纜線進行3 in的緊密彎曲，然后對其進行10 ft/s的多軸運動，每天28,800次循環(huán)。Belden工程團隊持續(xù)監(jiān)控受測纜在線的八個點，確認是否有短路、電壓壓降等問題。他們在第10,075,000次彎曲循環(huán)后停止測試，并沒有偵測到任何實體或電氣故障。

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


圖三 : Belden黏合線對纜線，在安裝前后各個數據對（藍／黃／綠／紅）維持高鏈路余裕（左）；而傳統(tǒng)的雙絞線在線軸上測試為良好，但隨后顯示安裝后由于安裝應力造成線對分離，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纜線，會在安裝和搬運時造成線對之間產生間隙，也會出現不穩(wěn)定的頻率相關阻抗波動（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，非屏蔽黏合對纜線可以維持噪聲防護，而且成本通常低于傳統(tǒng)屏蔽纜線。對于工業(yè)網絡設計人員來說，與傳統(tǒng)屏蔽工業(yè)纜線相比，黏合線對纜線的噪聲保護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不超過5 ft，以避免干擾。相較之下，非屏蔽黏合對纜線的噪聲保護功能使網絡設計人員可以在距離來源6 ft或更小的范圍內布線，而不會影響訊號完整性。

結論
工業(yè)物聯(lián)網的數據傳輸速率不斷增加，惡劣的電氣和實體工業(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。如上所述，Belden的專利黏合線對技術提供一個有效的解決方案，能比傳統(tǒng)工業(yè)以太網絡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)技術內容部門應用工程經理）