【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】在選擇工業(yè)以太網(wǎng)和總線電纜時(shí)，用戶并不總是十分了解所有事情。本文重點(diǎn)介紹了四個(gè)常見錯(cuò)誤以及和最佳實(shí)踐。
 

　　下一代制造業(yè)的革命已經(jīng)來臨，為了在這場(chǎng)工業(yè)革命中實(shí)現(xiàn)更大的投資回報(bào)和競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者們需要規(guī)劃如何進(jìn)行戰(zhàn)略擴(kuò)張，最重要的是如何處理好他們的數(shù)據(jù)。
 

　　并非所有數(shù)據(jù)電纜都是一樣的。許多用戶直到在工業(yè)應(yīng)用中遇到中斷或數(shù)據(jù)傳輸問題時(shí)，才會(huì)意識(shí)到這一點(diǎn)。了解用戶在選擇工業(yè)以太網(wǎng)或總線電纜時(shí)最常見的問題以及如何避免這些問題非常重要。
 

　　所有以任何方式實(shí)現(xiàn)通信的電纜和電線，通常都可以被稱為數(shù)據(jù)電纜。但是，它們之間存在顯著差異，例如包括銅和光纖在內(nèi)的多種結(jié)構(gòu)。銅質(zhì)數(shù)據(jù)電纜有多種類型：低頻電纜、同軸電纜、電話電纜和總線電纜、各種以太網(wǎng)系統(tǒng)或用于需要千兆赫茲傳輸速率的特殊應(yīng)用的微波電纜。選擇錯(cuò)誤的電纜會(huì)很快導(dǎo)致代價(jià)高昂的中斷和錯(cuò)誤。
 

　　一般來說，數(shù)據(jù)電纜是低容量電纜。這意味著由于電纜對(duì)信號(hào)質(zhì)量的負(fù)面影響，在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)電纜中積累的電能需要盡可能的少。容量部分取決于電纜的絕緣材料。
 

▲圖1：電纜絕緣材料的比較。圖片來源: Helukabel
 

　　現(xiàn)代總線和以太網(wǎng)電纜主要使用聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)等材料，由于這些材料的介電常數(shù)具有特別好的絕緣性。該值越低，材料的絕緣性能越好，電纜的容量越低。這就是為什么相同的介電強(qiáng)度，可以使用更薄的絕緣材料。
 

　　適合的電纜結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)傳輸。圓形且直徑一致的實(shí)心導(dǎo)線具有最佳的電氣性能。對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)和總線電纜而言，最好采用美國線規(guī)(AWG)電纜，因?yàn)檫@種靈活的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生圓形導(dǎo)體。公制電纜不適合這種應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兪鞘鵂罱Y(jié)構(gòu)，不是圓形的。這會(huì)導(dǎo)致容量不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響高頻數(shù)據(jù)傳輸。
 

　　01  為工業(yè)應(yīng)用選擇電纜時(shí)的四個(gè)常見錯(cuò)誤
 

　　1  在高頻應(yīng)用中使用低頻電纜
 

　　為高頻以太網(wǎng)連接選擇低頻電纜是造成數(shù)據(jù)傳輸故障的一個(gè)常見原因。這些高頻電纜的容量也很低，但表現(xiàn)出與以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求不同的特性阻抗。這會(huì)導(dǎo)致不匹配或不連續(xù)。在低頻數(shù)據(jù)電纜中，所有電纜對(duì)都平行鋪設(shè)。這意味著所有四個(gè)敷設(shè)長度都是相同的。高頻應(yīng)用中使用的以太網(wǎng)電纜，必須進(jìn)行最佳解耦。這是通過四種不同的敷設(shè)長度來實(shí)現(xiàn)的，這些長度是單獨(dú)測(cè)量的。還必須考慮雙絞線在整體結(jié)構(gòu)中的位置。
 

　　2  傳統(tǒng)雙絞線而不是星形四絞線
 

　　許多工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，如Profinet、EtherCAT或SERCOS III，都使用雙絞線電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，雙絞線對(duì)被絞合成所謂的星形四絞線。在這里，所有四根導(dǎo)線都絞合成完美的圓形。這樣做的好處是它不會(huì)導(dǎo)致傳輸時(shí)間的差異。這與傳統(tǒng)的雙絞線不同，由于需要解耦，單個(gè)雙絞線必須具有不同的絞合線長度。如果使用了不合適的雙絞線，可能會(huì)導(dǎo)致傳輸以及傳輸時(shí)間問題。
 

▲圖2：解耦性差(左)和解耦性好(右)的示例。
 

　　在星形四絞線中，彼此對(duì)角位置的導(dǎo)體形成電纜對(duì)。在連接電纜時(shí)，如果忽略此規(guī)則，電纜的特性阻抗和近端串?dāng)_也會(huì)發(fā)生變化，這也可能會(huì)降低傳輸質(zhì)量。即使是屏蔽的四芯電纜也不適合用作高頻工業(yè)以太網(wǎng)或總線電纜，盡管乍一看它們的結(jié)構(gòu)相似。不同之處在于，導(dǎo)體絕緣強(qiáng)度不是為以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的，絞合在結(jié)構(gòu)上也不是完美的圓形。由于特性阻抗、近端串?dāng)_和電纜衰減不合適，這會(huì)導(dǎo)致電纜功能不足。
 

　　3  電纜太長或直徑太小
 

　　另一個(gè)典型的例子是電纜段太長。根據(jù)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，必須使用中繼器之前的最大電纜長度為328英尺(100米)。該設(shè)備接收較弱的信號(hào)經(jīng)增強(qiáng)后繼續(xù)傳輸。在實(shí)踐中，可以找到長度超過328英尺的通信段，但這不符合適用標(biāo)準(zhǔn)。在這些情況下，溫度升高、老化和其它因素可能會(huì)迅速導(dǎo)致缺陷或故障。
 

　　AWG 26等較細(xì)的電纜，長度需要限制在197至230英尺(60至70米)之間。重要的是要記住，每個(gè)連接器都是一個(gè)接頭，會(huì)通過衰減和反射造成損耗，從而縮小范圍。
 

　　4  使用了錯(cuò)誤的連接器
 

　　以太網(wǎng)應(yīng)用中經(jīng)常使用非標(biāo)準(zhǔn)和未經(jīng)測(cè)試的連接器，如D-Sub或M12插頭，這些插頭采用8針設(shè)計(jì)進(jìn)行A 編碼。這些連接器確實(shí)能夠傳輸數(shù)據(jù)，但由于近端串?dāng)_較低，質(zhì)量顯著下降。原因是中間引腳的定位不符合標(biāo)準(zhǔn)，影響了數(shù)據(jù)傳輸。
 

　　▲圖3：從左到右依次為X編碼的M12連接器、D-sub連接器、A編碼的M12連接器。
 

　　根據(jù)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，最佳數(shù)據(jù)布線所允許的插接面是屏蔽連接器(公插頭/母插座)：
 

　　■ RJ45 4 針(100 Mbit 4針)
 

　　■ RJ45 8 針(Gbit 8針)
 

　　■ D 編碼 M8 和 M12(100 Mbit)
 

　　■ A 編碼 M8 4針(100 Mbit)
 

　　■ P 編碼 M12(100 Mbit)
 

　　■ X 編碼 M12(Gbit)
 

　　■ ix工業(yè)(Gbit)
 

　　■ 迷你 I/O
 

　　■ 單對(duì)以太網(wǎng)(SPE)。
 

　　此外，還有一些標(biāo)準(zhǔn)，如Profinet、EtherCAT或SPE，可以在一個(gè)混合插頭中傳輸數(shù)據(jù)和電源。這些要么遵守IEC規(guī)范，要么已經(jīng)經(jīng)過某些組織的評(píng)估，要么正在實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化的混合以太網(wǎng)插頭包括：
 

　　■ 符合IEC 63171-6標(biāo)準(zhǔn)的 M8 SPE
 

　　■ 符合IEC 63171-7標(biāo)準(zhǔn)的 M12 SPE
 

　　■ 符合IEC 61076-2-11標(biāo)準(zhǔn)的 Y 編碼 M12
 

　　■ 符合IEC 61076-2-117標(biāo)準(zhǔn)的 M23
 

　　■ 符合IEC 61076-3-106標(biāo)準(zhǔn)的 RJ45混合
 

　　■ 符合IEC 61076-3-124標(biāo)準(zhǔn)的 ix工業(yè)
 

　　某些連接器制造商在其產(chǎn)品組合中使用了自己的混合解決方案，這些解決方案沒有標(biāo)準(zhǔn)化，但已經(jīng)經(jīng)過以太網(wǎng)合規(guī)性測(cè)試和評(píng)估。作為一個(gè)基本原則，建議堅(jiān)持使用標(biāo)準(zhǔn)化和經(jīng)過評(píng)估的以太網(wǎng)連接器。
 

　　在為工業(yè)應(yīng)用選擇數(shù)據(jù)電纜時(shí)，用戶應(yīng)遵守適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，以防止故障和失效。用戶還必須注意單個(gè)網(wǎng)段的長度、連接器的數(shù)量以及安裝和接插電纜的不同直徑。此外，從長期來看，單個(gè)組件的老化也會(huì)導(dǎo)致傳輸質(zhì)量下降和中斷。 圖片來源：Helukabel(和柔)