作者：Stephen Evanczuk

　　随着向工业物联网 (IIoT) 的迁移，在传感器和执行器丰富的工业环境中提高可靠性和性能的需求给寻求强大连接解决方案的开发人员带来了越来越大的挑战。嘈杂的电气环境限制了无线方法，而恶劣的物理环境使传统布线方法的使用变得复杂。设计人员需要更有效的连接解决方案，能够保持可靠性和性能。

　　一种选择是使用粘合对以太网布线，防止双绞线分离，以保持信号完整性。

　　本文介绍了设计人员在考虑恶劣环境的布线选项时所面临的挑战。然后，它展示了他们如何使用绑定对以太网电缆解决这些挑战，并使用Belden的示例 来说明该技术相对于传统以太网电缆的特性和性能。

　　不断变化的工业环境对网络可靠性和性能提出挑战

　　不断发展的工业物联网需要更多种类和数量的传感器和执行器，这加剧了工业网络设计人员面临的挑战。除了对可靠连接的持续需求之外，工业网络还需要提供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相结合，在制造过程的多个阶段中发挥着关键作用。虽然 IEEE 802.1 时间敏感网络 (TSN) 标准等网络技术可帮助设计人员满足确定性以太网性能的要求，但随着工业环境中数据量、速度和种类的增加，10 吉比特 (Gbit) 以太网正在成为标准。

　　由于典型工厂电气和物理环境的性质，确保工业环境中的网络可靠性和性能仍然具有挑战性。在这种环境中，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) 源结合在一起，会损害通信信号的完整性。从物理上讲，工厂车间面临着重大挑战，包括燃料、油、溶剂和其他化学品，以及机械操作、工业过程和焊缝飞溅造成的潮湿、高温和快速温度变化。

　　在构建通信网络时，工厂网络设计人员所依赖的通信电缆仅在表面上与商业建筑中安装的电缆有相似之处。与商业建筑中一样，立管级电缆(称为通信多用途电缆、立管 (CMR))用于穿过工业厂房中的立管或垂直竖井的电缆。同样，阻燃级电缆(称为通信多用途电缆，Plenum (CMP))是一种更高额定值的电缆，用于限制穿过地板或天花板以下空间的水平电缆中的火焰传播和烟雾。

　　然而，与大多数商业建筑安装不同，工业环境中的电缆敷设特别容易受到正常工厂运营中持续振动、弯曲、磨损和挤压产生的机械应力。工业网络设计人员长期以来一直依靠各种电缆护套绝缘材料来实现网络成本和性能之间所需的平衡。

　　工业电缆特点

　　尽管电缆绝缘材料因满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) 是工业电缆护套中常用的两种材料。在 CMP 级电缆中，由于其烟雾和阻燃特性，经常使用 FEP。在通信电缆护套中使用 FEP 不仅可以减少火焰，还可以限制火灾产生的浓烟通过风道蔓延。除了强大的耐化学性之外，FEP 电缆通常可以承受较宽的环境温度范围。例如，Belden 的 CMP 级四对 FEP 护套 DataTuff 7931A 以太网电缆 ( 7931A 0101000 ) 的指定工作温度范围为 -70 至 +150°C。

　　CMR 级电缆通常采用 PVC 绝缘，成本较低，同时具有适当的耐用性以及耐化学品、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 护套 DataTuff 7953A 以太网电缆 ( 7953A 0101000 ) 的指定工作温度范围为 -40 至 75°C。

　　除了 FEP 和 PVC 之外，其他材料通常单独或一起使用，以满足特定要求。例如，对于其两对 DataTuff 7962A 以太网电缆 ( 7962A 1SW1000 )，Belden 结合了热塑性弹性体 (TPE) 外护套、聚乙烯 (PE) 内护套和聚烯烃 (PO) 电线绝缘层，提供坚韧、阻燃的特性，适用于危险环境的耐油电缆。

　　护套材料的选择只是工业以太网电缆选择的几个关键决策点之一。如前所述，工业通信电缆可能会承受很大的机械应力，从而导致传统双绞线电缆中的信号噪声增加。这种熟悉的电缆类型依赖于将一对电线绞合在一起时发现的串扰和干扰敏感性的减少。然而，实际上，工业环境中的安装压力和典型的日常操作可能会导致成对电线之间的分离(图 1)。

　　图 1：传统的双绞线电缆可减少串扰和噪声，同时成对的电线保持靠近(顶部)，但电线在反复弯曲、弯曲和拉动后通常会分离(底部)。 (图片来源：百通)

　　随着持续弯曲、挠曲或拉动导致导体间间距或中心度增加，双绞线的降噪效果会显着降低。随着时间的推移，信号完整性会受到损害，从而影响网络传输的可靠性。百通的传统双绞线通信电缆替代方案旨在保持信号完整性，尽管安装和持续使用非常严格。

　　键合对技术可提供抗应力能力

　　Belden 的专利粘合线对技术在每对电线之间创建了实际粘合，以保持通信电缆中所有双绞线的最佳中心度，避免出现可能损害信号完整性的间隙(图 2)。

　　图 2：与传统的双绞线技术(左)不同，百通的粘合线对技术(右)可确保电缆中的成对电线之间的间距在弯曲、挠曲或拉扯时仍保持固定。 (图片来源：百通)

　　Belden 的粘合线对技术使电缆的抗拉张力通常比传统以太网电缆强 40%。同时，百通粘合线对电缆可以沿着电缆外径四倍的弯曲半径安全地弯曲或弯曲。相比之下，常规以太网电缆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因弯曲而产生持续压力，但粘合对技术赋予的额外强度意味着能够保持可靠性。尽管行业缺乏衡量承受弯曲能力的标准，但百通创建了一种弯曲测试，旨在模拟常见的工业操作条件。

　　Belden 工程师首先将 15 英尺 (ft.) 长的粘合线对电缆进行 3 英寸 (in.) 的紧弯曲，然后对其进行每秒 10 英尺 (ft./s) 的多轴运动，每次 28,800 次循环。天。百通工程团队持续监控被测电缆沿其长度的八个点是否存在短路、电压降和其他问题。他们在 10,075,000 次弯曲循环后停止了测试，没有检测到任何物理或电气故障。

　　当将其电气性能与传统电缆进行比较时，粘合对电缆的稳健性能变得显而易见。使用链路余量作为衡量标准，测试表明 Belden 粘合线对电缆在安装前后都能保持性能(图 3，左)。相比之下，在卷轴上通过性能测试的传统双绞线电缆在安装后可能会因电缆受到安装时的正常拉力、弯曲和挠曲应力后线对分离而出现故障(图 3，右)。

　　图 3：在 Belden 粘合对电缆中，安装前后(左)各个数据对(蓝/黄/绿/红)的链路裕量仍然很高，而传统双绞线电缆随后在卷轴上测试良好由于安装应力引起的线对分离，安装后显示出显着的减少。 (图片来源：百通)

　　与粘合线对电缆相比，由于安装和搬运过程中线对之间产生的间隙，传统双绞线电缆还会出现不稳定的频率相关阻抗波动(图 4)。

　　图 4：与传统工业电缆(右)因操作引起的阻抗变化相比，百通粘合对电缆(左)的阻抗在安装前后保持稳定。 (图片来源：百通)

　　在正常操作中，非屏蔽粘合对电缆可以保持噪声防护，而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，与传统屏蔽工业电缆相比，粘合线对电缆的噪声保护有助于缓解布线限制。例如，ODVA(前身为开放设备网络供应商协会)的指南建议传统屏蔽电缆的布线距离电磁源不超过 5 英尺，以避免干扰。相比之下，非屏蔽粘合对电缆的噪声保护功能使网络设计人员可以在距离源 6 英寸或更小的范围内布线，而不会影响信号完整性。

　　结论

　　随着工业物联网数据速率的增加，恶劣的电气和物理工业环境使选择能够保持所需信号完整性的电缆变得更加复杂。如图所示，百通的专利粘合线对技术提供了一种有效的解决方案，能够比传统工业以太网电缆更有效地保持连接性能。