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使用黏合对乙太网路缆线在恶劣环境中维持连接
[作者 Barley Li]   2024年03月25日 星期一 浏览人次: [1379]

本文叙述设计人员针对恶劣环境考量布线选项时会面临的许多挑战,以及如何使用黏合对乙太网路缆线来因应这些挑战,并且举例说明此技术的特性和效能。


随着移转至工业物联网(IIoT),多感测器和致动器工业环境对可靠性和效能有更高的要求,开发人员因此面临更多挑战,需寻求更强大的连接解决方案。嘈杂的电气环境会限制无线的运用,而恶劣的实体环境会使得传统布线更复杂。设计人员需要更有效率的连接解决方案,以保持可靠性和效能。可考虑采用黏合对乙太网路布线,能防止双绞线分离,保持讯号完整性。


本文说明设计人员针对恶劣环境考量布线选项时会面临的挑战。接着,介绍如何使用黏合对乙太网路缆线来因应这些挑战,并且以Belden的产品为例,说明此技术相对於传统乙太网路布线的特性和效能。


不断变化的工业环境对网路可靠性和效能造成挑战

持续发展的工业物联网需要更多类型和数量的感测器和致动器,加深工业网路设计人员所面临的挑战。由於以视觉为基础的系统与高精密度感测器结合,在制造过程中的各阶段扮演关键角色,因此工业网路除了需要持续且可靠的连接之外,还需具备即时效能和更高的传输量。IEEE 802.1时效性网路(TSN)标准等网路技术可协助设计人员满足确定性乙太网路效能的要求,但随着工业环境中资料量、速度、种类的增加,10 Gbit乙太网路已成为标准。


典型工厂电气和实体环境的特性,让工业环境中的网路维持可靠性和效能依旧颇具挑战。在这类环境中,机器产生的电气杂讯和电源干扰与各种电磁干扰(EMI)和射频干扰 (RFI)来源结合,会损害通讯讯号的完整性。实体上而言,厂区面临的重大挑战包括燃料、油、溶剂和其他化学物,以及机械操作、工业制程和熔接喷溅造成的潮湿、高温和快速温度变化。


工厂网路设计人员在建构通讯网路时,所选用的通讯缆线仅在表面上与商业建筑中安装的缆线相似。如同商业建筑,采用立管级缆线(或称立管通讯多用途缆线;CMR),用於穿过工业厂房中的立管或垂直竖井的缆线。同样地,夹层级缆线(或称夹层通讯多用途缆线;CMP) 是一种更高等级的缆线,是穿过地板或天花板下空间的水平缆线,限制其火焰传播和烟雾。


然而,与大多数商业建筑安装不同的是,工业环境中的缆线布设非常容易在一般工厂作业中,受到持续振动、弯曲、磨损和挤压所产生的机械应力。工业网路设计人员长期以来一直运用各种缆线衬套绝缘材料,在网路成本和效能之间达到所需的平衡。


工业缆线特点

缆线绝缘材料会因满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)是工业缆线衬套中常用的两种材料。在CMP级缆线中,经常使用FEP<运用其烟雾和阻燃特性。


在通讯缆线衬套中使用FEP不仅可以减少火焰,还可以限制火灾产生的浓烟沿着风道蔓延。FEP缆线除了强大的耐化学性之,通常可以耐受较宽广的环境温度范围。例如,Belden的CMP级四对FEP衬套DataTuff 7931A乙太网路缆线(7931A 0101000) 的指定工作温度范围为-70。C至+150。C。


CMR级缆线通常采用PVC绝缘,成本较低,同时具有适当的耐用性以及耐化学物、耐热和防水性。PVC通常表现出更严格的工作温度,与其在立管中的典型用途一致。例如,Belden的CMR级四对PVC衬套DataTuff 7953A乙太网路缆线(7953A 0101000)的指定工作温度范围为-40。C至75。C。


除了FEP和PVC之外,通常也会单独或同时使用其他材料,以满足特定要求。例如,Belden 在其两对 DataTuff 7962A乙太网路缆线(7962A 1SW1000 )中,结合热塑性弹性体(TPE)外衬套、聚乙烯(PE)内衬套和聚烯??(PO)电线绝缘层,可提供坚韧、阻燃、耐油的缆线,适用於危险环境。


衬套材料只是选择工业乙太网路缆线的其中一个关键。如上所述,工业通讯缆线可能会承受很大的机械应力,会导致传统双绞线缆线的讯号杂讯增加。这种常见的缆线系将一对电线绞在一起,以降低串音和干扰敏感性。然而,实际上在工业环境中的安装应力和典型日常操作可能会导致成对电线分离(图一)。



图一 : 传统双绞线缆线可减少串音和杂讯,同时,成对导线也会贴近(上图),但在反覆弯折、挠曲、拉动後,导线通常会分离(下图)。(source:Belden)
图一 : 传统双绞线缆线可减少串音和杂讯,同时,成对导线也会贴近(上图),但在反覆弯折、挠曲、拉动後,导线通常会分离(下图)。(source:Belden)

随着持续弯折、挠曲、拉动导致导线间距或中心距离增加,双绞线的降噪效果会显着降低。随着时间的推移,讯号完整性会受损,进而影响网路传输的可靠性。Belden的传统双绞线通讯缆线替代方案即使安装的环境严峻且持续使用,仍可保持讯号完整性。


黏合对技术提供抗应力能力

Belden的专利黏合线对技术在每对电线之间实际黏合,以保持通讯缆线中所有双绞线的最隹中心距离,避免可能损害讯号完整性的间隙(图二)。


图二 : 与传统双绞线技术(左)不同,Belden的黏合线对技术(右)可确保缆线中双绞线之间的间距在弯折、挠曲、拉扯时仍维持固定。(source:Belden)
图二 : 与传统双绞线技术(左)不同,Belden的黏合线对技术(右)可确保缆线中双绞线之间的间距在弯折、挠曲、拉扯时仍维持固定。(source:Belden)

一般而言,Belden 的黏合线对技术可使缆线的抗拉伸张力比传统乙太网路缆线强 40%。同时,Belden 黏合线对缆线能以缆线外径四倍的弯曲半径安全地进行弯折或挠曲。相较之下,一般乙太网路缆线的弯曲半径通常限制为外径的十倍。


尽管在安装或正常操作过程中会因弯曲产生持续应力,但黏合对技术赋予的额外强度能保持可靠性。虽然业界缺乏衡量承受弯曲能力的标准,但 Belden 建立了一种弯曲测试,可模拟常见的工业操作条件。


Belden工程师首先将长15 ft的黏合线对缆线进行3 in的紧密弯曲,然後对其进行10 ft/s的多轴运动,每天28,800次循环。Belden工程团队持续监控受测缆线上的八个点,确认是否有短路、电压压降等问题。他们在第10,075,000次弯曲循环後停止测试,并没有侦测到任何实体或电气故障。


若将其电气效能与传统缆线进行比较,黏合对缆线的稳健效能显而易见。以链路馀裕作为衡量标准,测试显示Belden黏合线对缆线在安装前後都能保持效能(图三,左)。相较之下,在线轴上通过效能测试的传统双绞线缆线,在安装後可能会因缆线受到安装时的正常拉力、弯折和挠曲应力後导致线对分离而故障(图三,右)。



图三 : Belden黏合线对缆线,在安装前後各个资料对(蓝/黄/绿/红)维持高链路馀裕(左);而传统的双绞线在线轴上测试为良好,但随後显示安装後由於安装应力造成线对分离,其链路馀裕显着减少。(source:Belden)
图三 : Belden黏合线对缆线,在安装前後各个资料对(蓝/黄/绿/红)维持高链路馀裕(左);而传统的双绞线在线轴上测试为良好,但随後显示安装後由於安装应力造成线对分离,其链路馀裕显着减少。(source:Belden)

传统双绞线缆线相较於黏合线对缆线,会在安装和搬运时造成线对之间产生间隙,也会出现不稳定的频率相关阻抗波动(图四)。



图四 : 相较於传统工业缆线(右)因操作引起的阻抗变化,Belden 的黏合线对缆线(左)在安装前後的阻抗保持稳定。(source:Belden)
图四 : 相较於传统工业缆线(右)因操作引起的阻抗变化,Belden 的黏合线对缆线(左)在安装前後的阻抗保持稳定。(source:Belden)

在正常操作中,非屏蔽黏合对缆线可以维持杂讯防护,而且成本通常低於传统屏蔽缆线。对於工业网路设计人员来说,与传统屏蔽工业缆线相比,黏合线对缆线的杂讯保护有助於缓解布线限制。例如,ODVA(前身为 Open DeviceNet Vendors Association)的指南建议,传统屏蔽缆线的布线距离电磁源应不超过5 ft,以避免干扰。相较之下,非屏蔽黏合对缆线的杂讯保护功能使网路设计人员可以在距离来源6 ft或更小的范围内布线,而不会影响讯号完整性。


结论

工业物联网的资料传输速率不断增加,恶劣的电气和实体工业环境造成更难以选择能够保持所需讯号完整性的缆线。如上所述,Belden的专利黏合线对技术提供一个有效的解决方案,能比传统工业乙太网路缆线更有效地保持连接效能。


(本文作者Barley Li为DigiKey Electronics亚太区技术内容部门应用工程经理)


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