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进行长距离工业自动化部署时如何确保千兆位以太网信号的完整性

物联网评论

描述

双绞线以太网布线被认为是一种成熟和可靠的技术,多年来一直是进行 10Base-T 和 100Base-T 数据速率传输的可靠选择。然而,随着高速以太网流量达到每秒 1 千兆位 (Gb/s) 和更高的速度,设计者不得不面对这样的现实:信号对电缆不一致的宽容度降低,变得更容易受到干扰、串扰、阻抗损失、反射信号引起的回波损耗和衰减的影响。

随着电缆长度的增加,例如在工业自动化设施中,这些问题会变得更加严重。在设计布局以及用在像机器人和其他机械这样的应用中时,这些问题会增加以太网电缆扭曲和弯曲的复杂性。这种反复弯曲会使双绞线分离,影响电缆的电气性能。由此产生的信号衰减会带来间歇性的数据损失,并随着时间推移而恶化。这些类型的错误是出了名的难以识别和排除的,导致漫长而昂贵的系统停机时间。

本文讨论了在双绞线上发送高速数字以太网数据的挑战。它解释了如何使用粘连线对以太网电缆为长距离的高速以太网数据提供一致的性能,包括减少信号损失和承受物理滥用。然后会介绍两个来自 Belden 的粘连线对以太网电缆实例,并展示如何用它们来确保工业环境中以太网信号的完整性。

可靠地发送千兆位以太网数据

标准以太网电缆通过双绞线铜线发送数据。在过去,价格较低的电缆可能只使用两根双绞线,但现代的传统以太网电缆有四根双绞线,用于高速数据传输和以太网供电 (PoE)。由于电缆结构、电缆长度、干扰和数据速率,所有以太网电缆都在一定程度上遭受信号衰减。如果高速数据是通过 10 米 (m) 或更长的电缆发送的,则要由电缆结构负责防止过度的信号衰减。

大多数商业和低速工业以太网电缆使用绞合铜线双绞线。非常柔软,易于操作,从而使电缆可以在拐角处弯曲,在地板和安装点上贴上胶带后可以保持原位。然而,与实心铜线相比,绞合铜线对电流流动的阻力更大,尤其是在长距离传输时。这使得实心铜线更适合于高速数据,高速数据通常使用较低的信号电压,使得高速数据更容易受到信号衰减和电线电阻造成的数据损失的影响。对于 PoE 来说,与绞合铜相比,实心铜还可以承载更多的电流,产生的热量也更少,因此是更合适的选择。

实心铜线的缺点是,它不能很好地弯曲,比绞合铜线更抗弯曲,因此在铺设电缆时可能需要一些额外的努力。

双绞线以太网电缆在 RJ45 插头处对接收器和发射器呈现出一种特性阻抗。通常情况下,这个阻抗是 100 欧姆 (Ω),并且需要沿着电缆的长度保持一致。阻抗受双绞线中两根导体的中心间距的影响。重物撞击或电缆拉伸或挤压产生的应力会使双绞线分离,从而改变某些部分的中心间距。这导致了电缆阻抗的变化,使信号下降。在 10 兆位/秒 (Mb/s) (10Base-T) 或 100 兆位/秒 (100Base-T) 的速度下,这可能并不明显,但在千兆位速度下 (1000Base-T) 就可能会造成数据丢失。

串扰是造成信号衰减的另一个原因。两条高速线并联运行将导致每个导体在另一条线上感应出电流,这是串扰的最坏情况。为了尽量减少串扰和信号损失的风险,导线采用自屏蔽双绞线。然而,与阻抗损失一样,如果双绞线中的两根线被电缆上的外力推挤或移位,会增加线对之间的串扰,降低信号的可靠性。

阻抗损失与串扰的结合,加上电缆的距离电阻,会因为信号反射回其源头而造成回波损耗。虽然回波损耗是预期的,并且在终端使用回波消除进行补偿,但过多的回波损耗可能是一个严重的问题,导致间歇性的数据丢失。这个问题可能是出了名的难以诊断,并可能导致过多的停机时间。在高振动的工业环境中,这个问题会更加严重,因为以太网电缆的位置在移动,导致电气特征发生变化,从而导致数据信号问题,当振动或移动停止时,这些问题就会神秘地消失。

粘连线对以太网电缆

如上所述,阻抗损耗、串扰和回波损耗都受到电缆长度上双绞线中心间距不一致的严重影响。对于在恶劣环境中进行高速以太网连接布线的设计者来说,Belden 已经通过其用于千兆位以太网的 10GX CAT6 和 CAT5E 粘连线对模块化以太网电缆解决了这个问题。

粘连线对通过将双绞线物理粘接在一起,在双绞线导体之间保持固定的导体中心间距,甚至可防止临时分离(图 1)。这大大减少了阻抗损失和串扰的风险。

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图 1:左边的非粘连双绞线由于扭曲或弯曲,造成了双绞线间隙而失去了导体与导体的中心性。尽管有外力作用,右边的粘连双绞线仍能保持其中心性。(图片来源:Belden)

Belden 粘连线对以太网电缆还使用实心铜导体作为双绞线,以减少电阻。此外,与 PoE 应用中的绞合铜线相比,实心铜线可传输更大的功率且损失更少。这也通过减少电缆电阻引起的热量而提高了安全性。

综合来看,降低电缆的电阻,减少阻抗损失,最大限度地减少串扰,使千兆位以太网的数据完整性得到明显改善,即使是在恶劣的环境中也是如此。

对于千兆位以太网接插线,Belden 提供了 C601106010 10 英尺粘连线对以太网电缆组件(图 2)。这是一根 CAT6+ 电缆组件,有四个由 24 AWG 实心铜线组成的粘连双绞线对。两端用 RJ45 插头端接,其弹性护套模压在聚氯乙烯 (PVC) 外护套上,形成一个强大的应力消除装置,防止分离。它还可以防止 RJ45 端接处的双绞线扭曲或分离,并提供防水和防尘保护。

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图 2:Belden C601106010 以太网线采用两个 RJ45 插头进行端接,在 PVC 护套上模压了一个弹性护套应力消除装置,以保护电缆端接免受灰尘和湿气的影响。(图片来源:Belden)

蓝色以太网电缆的直径为 5.715 毫米 (mm),是典型的以太网电缆直径。C601106010 采用粘连线对和实心线结构,不会给电缆组件增加任何额外的体积,因此适用于任何需要铺设商业电缆的应用。

该电缆组件每个触点的额定电流为 1.500 安培 (A)。结合千兆位的速度等级,因此 C601106010 适用于工业 PoE 应用,如机器人和工业物联网 (IIoT) 端点。最大接触电阻为 0.020 Ω,在 1.500 A 条件下仅产生 0.300 瓦的热量,对于工业应用来说是可以接受的。

这种 CAT6+ 电缆组件的额定值适合 1000Base-T 应用,工作温度为 -10°C 至 +60°C,因此适用于温度极端性较高的高速工业自动化应用。

为实现更长的距离,Belden 制造了 CA21106025 25 英尺粘连线对以太网电缆组件。这是一个 CAT6a 电缆组件,其基本电气规格与 Belden C601106010 相同,并且与图 2 中的端接方式相同。然而,由于 CA21106025 电缆较长,它更容易受到外部干扰:25 英尺电缆上的千兆速度就像一个天线,可能会接收周围电子产品的电磁辐射。为了确保信号的完整性,CA21106025 有一个铝箔外屏蔽层。这导致直径达 6.731 毫米,比商业电缆略粗,但完全在电缆导向器和普通布线方法的公差范围内。

有了这种屏蔽,Belden CA21106025 电缆组件的额定速率为 10GBase-T (10 Gb/s),使其适用于非常高端的工业自动化应用,以及在整个设施中传输高清视频。

结语

千兆位以太网正在为工业自动化设施带来更高的数据速率。随着这些数据速率的增加,干扰、串扰和回波损耗的风险也随之增加,这可能导致数据连接的中断。这在工业应用中尤其如此,因为电缆可能会被反复弯曲,造成电缆电气性能的损失。

使用确保中心间距固定的粘合双绞线以太网电缆,设计者可以在更远的距离上舒适地使用更高的速度,同时满足网络升级和新部署的 PoE 要求。

审核编辑:符乾江

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