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使用黏合對乙太網路纜線在惡劣環境中維持連接
[作者 Barley Li]   2024年03月25日 星期一 瀏覽人次: [1307]

本文敘述設計人員針對惡劣環境考量佈線選項時會面臨的許多挑戰,以及如何使用黏合對乙太網路纜線來因應這些挑戰,並且舉例說明此技術的特性和效能。


隨著移轉至工業物聯網(IIoT),多感測器和致動器工業環境對可靠性和效能有更高的要求,開發人員因此面臨更多挑戰,需尋求更強大的連接解決方案。嘈雜的電氣環境會限制無線的運用,而惡劣的實體環境會使得傳統佈線更複雜。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。可考慮採用黏合對乙太網路佈線,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境考量佈線選項時會面臨的挑戰。接著,介紹如何使用黏合對乙太網路纜線來因應這些挑戰,並且以Belden的產品為例,說明此技術相對於傳統乙太網路佈線的特性和效能。


不斷變化的工業環境對網路可靠性和效能造成挑戰

持續發展的工業物聯網需要更多類型和數量的感測器和致動器,加深工業網路設計人員所面臨的挑戰。由於以視覺為基礎的系統與高精密度感測器結合,在製造過程中的各階段扮演關鍵角色,因此工業網路除了需要持續且可靠的連接之外,還需具備即時效能和更高的傳輸量。IEEE 802.1時效性網路(TSN)標準等網路技術可協助設計人員滿足確定性乙太網路效能的要求,但隨著工業環境中資料量、速度、種類的增加,10 Gbit乙太網路已成為標準。


典型工廠電氣和實體環境的特性,讓工業環境中的網路維持可靠性和效能依舊頗具挑戰。在這類環境中,機器產生的電氣雜訊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,廠區面臨的重大挑戰包括燃料、油、溶劑和其他化學物,以及機械操作、工業製程和熔接噴濺造成的潮濕、高溫和快速溫度變化。


工廠網路設計人員在建構通訊網路時,所選用的通訊纜線僅在表面上與商業建築中安裝的纜線相似。如同商業建築,採用立管級纜線(或稱立管通訊多用途纜線;CMR),用於穿過工業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,限制其火焰傳播和煙霧。


然而,與大多數商業建築安裝不同的是,工業環境中的纜線佈設非常容易在一般工廠作業中,受到持續振動、彎曲、磨損和擠壓所產生的機械應力。工業網路設計人員長期以來一直運用各種纜線襯套絕緣材料,在網路成本和效能之間達到所需的平衡。


工業纜線特點

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,通常可以耐受較寬廣的環境溫度範圍。例如,Belden的CMP級四對FEP襯套DataTuff 7931A乙太網路纜線(7931A 0101000) 的指定工作溫度範圍為-70°C至+150°C。


CMR級纜線通常採用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乙太網路纜線(7953A 0101000)的指定工作溫度範圍為-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乙太網路纜線(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,適用於危險環境。


襯套材料只是選擇工業乙太網路纜線的其中一個關鍵。如上所述,工業通訊纜線可能會承受很大的機械應力,會導致傳統雙絞線纜線的訊號雜訊增加。這種常見的纜線係將一對電線絞在一起,以降低串音和干擾敏感性。然而,實際上在工業環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 : 傳統雙絞線纜線可減少串音和雜訊,同時,成對導線也會貼近(上圖),但在反覆彎折、撓曲、拉動後,導線通常會分離(下圖)。(source:Belden)
圖一 : 傳統雙絞線纜線可減少串音和雜訊,同時,成對導線也會貼近(上圖),但在反覆彎折、撓曲、拉動後,導線通常會分離(下圖)。(source:Belden)

隨著持續彎折、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,進而影響網路傳輸的可靠性。Belden的傳統雙絞線通訊纜線替代方案即使安裝的環境嚴峻且持續使用,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)
圖二 : 與傳統雙絞線技術(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乙太網路纜線強 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,一般乙太網路纜線的彎曲半徑通常限制為外徑的十倍。


儘管在安裝或正常操作過程中會因彎曲產生持續應力,但黏合對技術賦予的額外強度能保持可靠性。雖然業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,然後對其進行10 ft/s的多軸運動,每天28,800次循環。Belden工程團隊持續監控受測纜線上的八個點,確認是否有短路、電壓壓降等問題。他們在第10,075,000次彎曲循環後停止測試,並沒有偵測到任何實體或電氣故障。


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



圖三 : Belden黏合線對纜線,在安裝前後各個資料對(藍/黃/綠/紅)維持高鏈路餘裕(左);而傳統的雙絞線在線軸上測試為良好,但隨後顯示安裝後由於安裝應力造成線對分離,其鏈路餘裕顯著減少。(source:Belden)
圖三 : Belden黏合線對纜線,在安裝前後各個資料對(藍/黃/綠/紅)維持高鏈路餘裕(左);而傳統的雙絞線在線軸上測試為良好,但隨後顯示安裝後由於安裝應力造成線對分離,其鏈路餘裕顯著減少。(source:Belden)

傳統雙絞線纜線相較於黏合線對纜線,會在安裝和搬運時造成線對之間產生間隙,也會出現不穩定的頻率相關阻抗波動(圖四)。



圖四 : 相較於傳統工業纜線(右)因操作引起的阻抗變化,Belden 的黏合線對纜線(左)在安裝前後的阻抗保持穩定。(source:Belden)
圖四 : 相較於傳統工業纜線(右)因操作引起的阻抗變化,Belden 的黏合線對纜線(左)在安裝前後的阻抗保持穩定。(source:Belden)

在正常操作中,非屏蔽黏合對纜線可以維持雜訊防護,而且成本通常低於傳統屏蔽纜線。對於工業網路設計人員來說,與傳統屏蔽工業纜線相比,黏合線對纜線的雜訊保護有助於緩解佈線限制。例如,ODVA(前身為 Open DeviceNet Vendors Association)的指南建議,傳統屏蔽纜線的佈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雜訊保護功能使網路設計人員可以在距離來源6 ft或更小的範圍內佈線,而不會影響訊號完整性。


結論

工業物聯網的資料傳輸速率不斷增加,惡劣的電氣和實體工業環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,能比傳統工業乙太網路纜線更有效地保持連接效能。


(本文作者Barley Li為DigiKey Electronics亞太區技術內容部門應用工程經理)


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