使用键合线对以太网电缆能确保恶劣环境下的连接性

作者：Stephen Evanczuk

投稿人：DigiKey 北美编辑

随着向工业物联网 (IIoT) 的迁移，采用大量传感器和执行器的工业环境对提高可靠性、高性能的需求，给寻求稳健连接解决方案的开发人员带来了越来越大的挑战。嘈杂的电气环境制约了无线方法的使用，而恶劣的物理环境则使传统布线方法的使用变得复杂多变。设计人员需要一种更有效的，能够保持可靠性和性能的连接解决方案。

一种方法是使用键合线对以太网布线，这种布线方法可防止双绞线对分离，从而保持信号完整性。

本文将介绍设计人员在考虑恶劣环境下的布线方案时所面临的挑战。然后，以 [Belden]的产品为例，说明设计人员如何利用键合线对以太网电缆来应对这些挑战，并说明该技术相对于传统以太网布线的特性、性能。

不断变化的工业环境对网络可靠性和性能提出了更高的要求

在不断发展的 IIoT 中，传感器和执行器的种类、数量在不断增加，这使得工业网络设计人员面临更加复杂的挑战。除了继续要求可靠性外， 工业网络还需同时具有实时性能和更高的吞吐量，因为基于视觉的系统与高精度传感器一起，在制造过程的多个阶段将发挥着至关重要的作用。虽然 IEEE 802.1 时间敏感网络 (TSN) 标准等网络技术有助于设计人员满足对确定性以太网性能的要求，但随着工业环境中数据量、速度和类型的增加，万兆 (Gbit) 以太网网络正逐渐成为标准。

鉴于典型工厂的电气和物理环境的特性，确保工业环境中的网络可靠性和性能仍具有挑战性。在这种环境下，由机器产生的电气噪声和电源干扰与各种电磁干扰 (EMI) 和射频干扰 (RFI) 源混合在一起，会损害通信信号的完整性。从物理角度看，工厂车间正面临着巨大的挑战，如燃料、油、溶剂和其他化学物质，以及潮湿、高温和由机械运行、工业流程和焊接飞溅产生的快速温度变化。

在构建通信网络时，工厂网络设计人员所依赖的通信电缆与用于商业楼宇安装的电缆只是表面上看起来有相似的地方。与商业建筑一样，一种被称为“多用途垂直走线 (CMR) 通信电缆 ”的垂直走线级电缆适用于在工业厂房中穿过立管或竖井。同样，被称为“多用途天花板隔层 (CMP) 电缆”的天花板隔层级电缆是一种等级更高的电缆，用于阻止穿过地板下方或天花板空间的水平走线电缆的火焰和烟雾的蔓延。

然而，与大多数商业建筑安装不同的是，工业环境中的电缆特别容易受到持续振动、弯曲、磨损和正常的工厂运营造成的挤压等机械应力的影响。长期以来，工业网络设计人员一直依赖各种电缆护套绝缘材料来实现网络成本与性能之间所需的平衡。

工业电缆的特性

虽然电缆绝缘材料会因特殊要求而不同，但氟化乙烯聚合物 (FEP) 和聚氯乙烯 (PVC) 是常用的两种工业电缆护套材料。在 CMP 级电缆中，由于 FEP 阻烟和阻燃，因此是常用材料。在通信电缆护套中使用 FEP 不仅能减少火焰，还能限制火灾产生的浓烟通过通风管道扩散。FEP 电缆具有很强的耐化学腐蚀性，通常可承受很宽的环境温度范围。例如，Belden 的 CMP 级四线对 FEP 护套 DataTuff 7931A 以太网电缆 [(7931A 0101000]) 的规定工作温度范围为 -70°C 至 +150°C。

CMR 级电缆通常使用聚氯乙烯 (PVC) 绝缘，这种材料不仅成本较低，而且具有适当的耐久性和耐化学性、耐热性和耐水性。PVC 的工作温度通常限制较多，这与它在立管中的典型用途相符。例如，Belden 的 CMR 级四线对 PVC 护套 DataTuff 7953A 以太网电缆 ([7953A 0101000]) 的规定工作温度范围为 -40°C 至 75°C。

除 FEP 和 PVC 外，还经常单独或配套使用其他材料来满足特定要求。例如，在两对 DataTuff 7962A 以太网电缆 ([7962A1SW1000]) 中，Belden 将热塑性弹性体 (TPE) 外护套、聚乙烯 (PE) 内护套和聚烯烃 (PO) 电线绝缘层结合在一起，成为一种适用于危险环境的坚韧、阻燃且耐油的电缆。

在为工业以太网网络选择电缆时，护套材料的选择只是关键决策点之一。如前所述，工业通信电缆会承受巨大的机械应力，从而导致传统双绞线的信号噪声增加。这种耳熟能详的电缆类型依靠的是通过一对电线绞合来降低串扰和干扰敏感性。但实际上，工业环境中的安装应力和典型的日常运行会导致导线对分离（图 1）。

图 1：传统的双绞线对电缆在成对导线保持紧密缠绕时时可减少串扰和噪声（上图），但在反复弯折、弯曲和拉扯后，导线通常会分离（下图）。（图片来源：Belden）

由于持续的弯曲、弯折或拉扯，导线之间的的间距或中心度会增大，使得双绞线的降噪效果会明显降低。随着时间的推移，信号完整性就会受到破坏，进而影响网络传输的可靠性。Belden 的传统双绞线通信电缆的替代设计的目的是，在严格的安装条件和持续使用条件下保持信号完整性。

键合线对技术能够抵抗应力

Belden 获得专利的键合线对技术可在每对导线之间建立真正的键合，从而使通信电缆中的所有双绞线对都保持最佳同心度，避免出现可能影响信号完整性的间隙（图 2）。

图 2：与传统的双绞线技术（左）不同，Belden 的键合线对技术（右）可确保电缆中成对导线之间的间距在发生弯曲、弯折或拉扯时保持不变。（图片来源：Belden）

Belden 的键合线对技术使得电缆的抗拉伸能力通常比传统以太网电缆强 40%。同时，Belden 键合线对可沿弯曲半径安全地弯曲或弯折，弯曲半径可小至电缆外径的四倍。相比之下，普通以太网电缆的弯曲半径通常只能是外径的十倍。

键合线对技术所带来的额外强度，使电缆能够在安装或正常运行过程中因弯曲而持续受力的情况下，仍能保持其可靠性。尽管业界缺乏衡量抗弯曲能力的标准，但 Belden 创建了一种旨在模拟常见工业运行条件的弯曲测试。

Belden 工程师首先将 15 英尺长的键合线对电缆进行 3 英寸小半径弯曲，然后将其置于每秒 10 英尺 (ft./s) 的多轴运动状态下，每天进行 28,800 次循环。Belden 工程团队在沿待测电缆长度方向上的八个点持续监控短路、电压下降和其他问题。在进行了 10,075,000 次弯曲循环后停止测试，他们没有检测到任何物理或电气故障。

将键合线对电缆的电气性能与传统电缆进行比较，就能明显看出其强大的性能。使用链路裕量作为衡量标准，测试表明 Belden 键合线对在安装前后都能保持其性能（图 3，左）。与此相反，在卷轴上通过性能测试的传统双绞线在安装后会因电缆在安装过程中受到正常的拉扯、弯曲和弯折应力导致线对分离而失效（图 3，右）。

图 3：在 Belden 键合线对中，单独的数据线对（蓝/黄/绿/红）在安装前后（左图）的链路余量都很高，而在卷轴上测试良好的传统双绞线在安装后由于安装应力导致了线对分离，导致链路余量急剧下降。（图片来源：Belden）

与键合线对相比，传统双绞线在安装和搬运过程中，由于线对之间会产生间隙，因此还会出现随频率变化的不稳定阻抗波动（图 4）。

图 4：Belden 键合线对电缆（左）的阻抗在安装前后保持稳定，而传统工业电缆（右）的阻抗会因搬运而发生变化。（图片来源：Belden）

在正常运行中，非屏蔽键合线对可以保持噪声防护性能，且成本通常低于传统屏蔽电缆。对于工业网络设计人员来说，与传统的屏蔽工业电缆相比，键合线对的防噪功能有助于缓解布线方面的限制。例如，ODVA（之前为开放式 DeviceNet 供应商协会）的指导原则建议将传统屏蔽电缆布设在距离电磁源不超过 5 英尺的地方，以避免干扰。相比之下，非屏蔽键合线对电缆的噪声保护功能可让网络设计人员在距离电磁源 6 英寸或更小的范围内布线，而不会影响信号完整性。

结束语

随着 IIoT 数据传输速率的提高，恶劣的电气和物理工业环境使得能保持所需信号完整性的电缆选型变得更加复杂。如图所示，Belden 获得专利的键合线对技术提供了一种有效的解决方案，能比传统的工业以太网电缆更有效地保持连接性能。