作者：Stephen Evanczuk

　　隨著向工業物聯網 (IIoT) 的遷移，在傳感器和執行器豐富的工業環境中提高可靠性和性能的需求給尋求強大連接解決方案的開發人員帶來了越來越大的挑戰。嘈雜的電氣環境限制了無線方法，而惡劣的物理環境使傳統布線方法的使用變得復雜。設計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以太網布線，防止雙絞線分離，以保持信號完整性。

　　本文介紹了設計人員在考慮惡劣環境的布線選項時所面臨的挑戰。然后，它展示了他們如何使用綁定對以太網電纜解決這些挑戰，并使用Belden的示例 來說明該技術相對于傳統以太網電纜的特性和性能。

　　不斷變化的工業環境對網絡可靠性和性能提出挑戰

　　不斷發展的工業物聯網需要更多種類和數量的傳感器和執行器，這加劇了工業網絡設計人員面臨的挑戰。除了對可靠連接的持續需求之外，工業網絡還需要提供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相結合，在制造過程的多個階段中發揮著關鍵作用。雖然 IEEE 802.1 時間敏感網絡 (TSN) 標準等網絡技術可幫助設計人員滿足確定性以太網性能的要求，但隨著工業環境中數據量、速度和種類的增加，10 吉比特 (Gbit) 以太網正在成為標準。

　　由于典型工廠電氣和物理環境的性質，確保工業環境中的網絡可靠性和性能仍然具有挑戰性。在這種環境中，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) 源結合在一起，會損害通信信號的完整性。從物理上講，工廠車間面臨著重大挑戰，包括燃料、油、溶劑和其他化學品，以及機械操作、工業過程和焊縫飛濺造成的潮濕、高溫和快速溫度變化。

　　在構建通信網絡時，工廠網絡設計人員所依賴的通信電纜僅在表面上與商業建筑中安裝的電纜有相似之處。與商業建筑中一樣，立管級電纜(稱為通信多用途電纜、立管 (CMR))用于穿過工業廠房中的立管或垂直豎井的電纜。同樣，阻燃級電纜(稱為通信多用途電纜，Plenum (CMP))是一種更高額定值的電纜，用于限制穿過地板或天花板以下空間的水平電纜中的火焰傳播和煙霧。

　　然而，與大多數商業建筑安裝不同，工業環境中的電纜敷設特別容易受到正常工廠運營中持續振動、彎曲、磨損和擠壓產生的機械應力。工業網絡設計人員長期以來一直依靠各種電纜護套絕緣材料來實現網絡成本和性能之間所需的平衡。

　　工業電纜特點

　　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) 是工業電纜護套中常用的兩種材料。在 CMP 級電纜中，由于其煙霧和阻燃特性，經常使用 FEP。在通信電纜護套中使用 FEP 不僅可以減少火焰，還可以限制火災產生的濃煙通過風道蔓延。除了強大的耐化學性之外，FEP 電纜通常可以承受較寬的環境溫度范圍。例如，Belden 的 CMP 級四對 FEP 護套 DataTuff 7931A 以太網電纜 ( 7931A 0101000 ) 的指定工作溫度范圍為 -70 至 +150°C。

　　CMR 級電纜通常采用 PVC 絕緣，成本較低，同時具有適當的耐用性以及耐化學品、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 護套 DataTuff 7953A 以太網電纜 ( 7953A 0101000 ) 的指定工作溫度范圍為 -40 至 75°C。

　　除了 FEP 和 PVC 之外，其他材料通常單獨或一起使用，以滿足特定要求。例如，對于其兩對 DataTuff 7962A 以太網電纜 ( 7962A 1SW1000 )，Belden 結合了熱塑性彈性體 (TPE) 外護套、聚乙烯 (PE) 內護套和聚烯烴 (PO) 電線絕緣層，提供堅韌、阻燃的特性，適用于危險環境的耐油電纜。

　　護套材料的選擇只是工業以太網電纜選擇的幾個關鍵決策點之一。如前所述，工業通信電纜可能會承受很大的機械應力，從而導致傳統雙絞線電纜中的信號噪聲增加。這種熟悉的電纜類型依賴于將一對電線絞合在一起時發現的串擾和干擾敏感性的減少。然而，實際上，工業環境中的安裝壓力和典型的日常操作可能會導致成對電線之間的分離(圖 1)。

　　圖 1：傳統的雙絞線電纜可減少串擾和噪聲，同時成對的電線保持靠近(頂部)，但電線在反復彎曲、彎曲和拉動后通常會分離(底部)。 (圖片來源：百通)

　　隨著持續彎曲、撓曲或拉動導致導體間間距或中心度增加，雙絞線的降噪效果會顯著降低。隨著時間的推移，信號完整性會受到損害，從而影響網絡傳輸的可靠性。百通的傳統雙絞線通信電纜替代方案旨在保持信號完整性，盡管安裝和持續使用非常嚴格。

　　鍵合對技術可提供抗應力能力

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

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

　　Belden 的粘合線對技術使電纜的抗拉張力通常比傳統以太網電纜強 40%。同時，百通粘合線對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，常規以太網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程中因彎曲而產生持續壓力，但粘合對技術賦予的額外強度意味著能夠保持可靠性。盡管行業缺乏衡量承受彎曲能力的標準，但百通創建了一種彎曲測試，旨在模擬常見的工業操作條件。

　　Belden 工程師首先將 15 英尺 (ft.) 長的粘合線對電纜進行 3 英寸 (in.) 的緊彎曲，然后對其進行每秒 10 英尺 (ft./s) 的多軸運動，每次 28,800 次循環。天。百通工程團隊持續監控被測電纜沿其長度的八個點是否存在短路、電壓降和其他問題。他們在 10,075,000 次彎曲循環后停止了測試，沒有檢測到任何物理或電氣故障。

　　當將其電氣性能與傳統電纜進行比較時，粘合對電纜的穩健性能變得顯而易見。使用鏈路余量作為衡量標準，測試表明 Belden 粘合線對電纜在安裝前后都能保持性能(圖 3，左)。相比之下，在卷軸上通過性能測試的傳統雙絞線電纜在安裝后可能會因電纜受到安裝時的正常拉力、彎曲和撓曲應力后線對分離而出現故障(圖 3，右)。

　　圖 3：在 Belden 粘合對電纜中，安裝前后(左)各個數據對(藍/黃/綠/紅)的鏈路裕量仍然很高，而傳統雙絞線電纜隨后在卷軸上測試良好由于安裝應力引起的線對分離，安裝后顯示出顯著的減少。 (圖片來源：百通)

　　與粘合線對電纜相比，由于安裝和搬運過程中線對之間產生的間隙，傳統雙絞線電纜還會出現不穩定的頻率相關阻抗波動(圖 4)。

　　圖 4：與傳統工業電纜(右)因操作引起的阻抗變化相比，百通粘合對電纜(左)的阻抗在安裝前后保持穩定。 (圖片來源：百通)

　　在正常操作中，非屏蔽粘合對電纜可以保持噪聲防護，而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，與傳統屏蔽工業電纜相比，粘合線對電纜的噪聲保護有助于緩解布線限制。例如，ODVA(前身為開放設備網絡供應商協會)的指南建議傳統屏蔽電纜的布線距離電磁源不超過 5 英尺，以避免干擾。相比之下，非屏蔽粘合對電纜的噪聲保護功能使網絡設計人員可以在距離源 6 英寸或更小的范圍內布線，而不會影響信號完整性。

　　結論

　　隨著工業物聯網數據速率的增加，惡劣的電氣和物理工業環境使選擇能夠保持所需信號完整性的電纜變得更加復雜。如圖所示，百通的專利粘合線對技術提供了一種有效的解決方案，能夠比傳統工業以太網電纜更有效地保持連接性能。