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工業物聯網 (IIoT) 在很大程度上需要依賴電纜在工業機械之間以及工廠車間、IT 和云之間傳輸數據、命令和電力。然而，由于存在物理、環境和電氣危害，在車間連接電纜時需要特別注意電纜的選型和布線：設計人員必須處理一系列經常相互沖突的性能和成本優先事項。

本文將介紹工業環境和 IIoT 帶來的電纜挑戰，然后討論商業成品 (COTS) 和工業電纜解決方案之間的差異；最后介紹選擇正確的電纜如何提高性能，降低總擁有成本（TCO，IIoT 規劃中的一個關鍵指標）。

本文將考慮兩個應用示例：一個是工業電機用到的變頻驅動 (VFD) 電纜，另一個是工業以太網網絡連接。之所以選擇這兩個示例，是因為它們描述了工廠內的不同電纜用途：高功率運行和高速數據網絡連接。

工業環境是電纜的天敵

工業設施包括制造設施、油氣加工廠、煤礦、廢水處理設施，以及包括隧道和地鐵在內的運輸系統。這些環境都會對電纜產生不利影響。危害因素包括化學品、紫外 (UV) 光、濕氣侵入、碰撞、極端溫度和振動（圖 1）。同時，電纜必須能夠確保信號的完整性，并最大限度地減少信號損失和 EMI 影響。

圖 1：工業級電纜面臨眾多工廠危害因素時必須保持信號的完整性。（圖片來源：Belden）

如果電纜發生故障，不但會危及操作員的安全，造成質量問題，而且代價非常昂貴：每停產一分鐘都可能造成數千美元的損失。

工廠電纜面臨的機械危害包括碰撞、磨損、沖擊、張力和振動。此外，許多工業應用持續保持運動狀態：多軸機床、機器人、風力渦輪機、拾放機、自動搬運系統和傳送帶系統就是一些例子。這些應用中的電纜必須能夠承受數十萬次循環的重復撓曲。

侵入危害因素包括濕氣、化學品和灰塵。許多行業使用刺激性化學品，并且電纜必須能夠長時間暴露在外，同時又不能影響性能。例如，在食品和飲料加工業，必須定期使用高壓水和腐蝕性化學品對設備進行清潔，以滿足嚴格的衛生要求。電纜設計不良時，液體會滲入導線。

無論安裝在室內還是室外，工業電纜經常都會暴露于這些因素。由此產生的危害因素包括極端高溫/低溫、紫外線輻射（陽光）、濕氣，甚至嚙齒動物啃咬或侵入性樹根。

工業電氣環境包括強電流、高電壓、不充分接地以及來自弧焊機、熔爐和 HVAC 設備的電磁干擾。在工廠升級過程中，由于空間限制可能會導致新電纜靠近噪聲源，如電機和發電機。

我們將上面討論的工業危害與典型商業環境中的危害進行比較。包括辦公空間、服務器機房和家庭在內的商業設施，通常會采用 HVAC 系統來控制溫度，使電纜保持恒定的溫度和濕度水平。大量基礎設施的電纜都布置在天花板上方的空間（隔層空間）或墻內，這些位置的電纜多年都不會發生變動。標準的商業環境通常不含細小顆粒和液體，不會出現極端溫度，因此商用電纜不會暴露于灰塵、濕氣、化學品、極端溫度或紫外線輻射。

由于 COTS 電纜需要滿足其預期使用條件，因此在工業應用中使用商用電纜會導致高故障率、生產損失、成本增加和安全性降低。通過一系列標準測試對這兩類電纜進行比較，結果表明，工業級電纜的性能更勝一籌（圖 2）。

圖 2：當進行相同的測試時，工業級電纜表現出更卓越的性能。（圖片來源：Belden）

電纜剖析

電纜由幾個關鍵組件組成，這些組件會影響電纜的整體性能，如圖 3 所示；包括：

• 電纜導線

• 電纜絕緣層和電纜護套

• EMI 屏蔽

圖 3：一系列 DataTuff 工業 Cat 5e 以太網電纜顯現出一些增強可靠性和性能的設計改進。（圖片來源：Belden）

電纜導線

有兩種電線通常用于通過電纜傳輸電力或電信號：實芯線和絞合線。每種電線都有不同的特點。

顧名思義，實芯線的傳導路徑是一根電線（通常是銅線）。一般來說，實芯電纜比絞合電纜便宜，等效電流時的直徑更小。這種電纜具有較好的電氣性能及較低的電阻，但柔韌性不足，因此不太適合用于諸如機器人等移動機械裝置。

絞合電纜中的導線由多根絞合在一起的細絲組成，從而形成一股更大、更粗的電線。絞合電纜的柔韌性使其非常適合存在振動問題的環境，或者用于需要頻繁折彎電纜的應用。

導線絕緣層和電纜護套

除了提供絕緣外，用于覆蓋導線的塑料還起著電介質的作用。塑料的介電常數和耗散因數會影響信號的傳輸（圖 4）。具體而言，介電常數用于衡量電纜存儲電能的能力：它與電能穿過絕緣層的速度相關。耗散因數用于衡量電介質的電能損耗（或吸收）速率。通過減小這兩個參數中任何一個的數值，都能實現更好的信號傳輸。

圖 4：常見電纜絕緣材料的性質比較。介電常數和損耗因數越小，信號傳輸性能越好。（圖片來源：Texas Instruments）

許多工業電纜在導線周圍包裹屏蔽層，用來減少電氣噪聲和防止干擾。編織屏蔽和箔屏蔽是兩種最常見的類型。箔屏蔽可以完全覆蓋住導線，但很難端接，其電阻相對較高，因而接地路徑較差。編織銅屏蔽僅覆蓋 60% 至 85% 的導線，但其質量更大，具有更好的導電性，并且更容易端接，接地性能良好。

在惡劣的 EMI 環境中，組合屏蔽（箔/編織）可以提供最高級別的保護。例如，Alpha Wire 的電纜包括三層鋁/聚酯/鋁箔屏蔽和鍍錫銅編織屏蔽（圖 5）。

圖 5：屏蔽層可能包括箔（底部）、銅編織物（中間），或者為了獲得更好的性能，組合鋁/聚酯/鋁箔屏蔽，外加鍍錫銅編織屏蔽（頂部）。（圖片來源：Alpha Wire）

電纜護套在電纜的安裝和使用壽命期間，保護下面的導線免受機械、濕氣和化學品的損壞。護套還可以增強阻燃性，防止紫外線輻射，并且便于安裝。

帶有鎧裝護套的電纜可保護電線和屏蔽層免受擠壓；這種電纜的構造技術包括鋁制聯鎖鎧裝和鍍鋅鋼絲護套。鎧裝電纜還可能在金屬周圍包裹一層 PVC 或類似材料的護套，起到密封電纜和鎧裝的作用，使其免受腐蝕性蒸汽和濕氣的影響。

標準電纜選項包括鋁制或鋼制聯鎖鎧裝電纜，以及針對埋地或室外使用、耐汽油、高撓曲能力或高低溫運行而優化的電纜。

許多制造商在高性能電纜中加入了其他專有功能。例如，Belden 公司的 DataTuff Cat 5e 工業以太網電纜采用其獲得專利的“粘連對”導線結構，可消除導線對之間的間隙，從而實現始終如一的可靠電氣性能。

應用實例：以太網網絡

以太網已經在工廠車間使用了很多年，但最近以太網的應用已擴展到高壓（> 600 伏）機械控制應用中，此類應用的安全性是主要設計考慮因素。盡管不需要承載高壓，但面向這些應用的控制電纜仍需符合美國國家電氣規范 (NEC) 要求，因此導致對 600 伏以太網電纜的需求增加。

Molex 的 Flamar 系列電纜便是很好的例子。這些電纜專為工業自動化而設計，能夠承載 600 伏電壓，可用于一般控制應用、伺服電機控制和網絡連接等，并且具有抗焊渣和耐油性能，符合 Ecolab 食品衛生標準以及 Underwriters Laboratories (UL) II 級耐油符合標準。

電信相關電纜擁有自己的涵蓋工業廠房在內的環境標準 (ANSI/TIA-1005-A)。此項標準規定了影響電纜耐用性的四個環境分類級別，包括機械、侵入、氣候/化學品和電磁 (MICE)。每個類別根據嚴重程度進行分類評級：1、2 或 3。商業建筑的環境分類通常為 M1I1C1E1，標準中最嚴格的環境分類是 M3I3C3E3。

當選擇標稱值能夠滿足頂級要求的電纜（例如 Cat 5e 以太網）時，設計人員應仔細比較電纜的規格。通常情況下，有多種不同價位的電纜似乎都能滿足頂級應用要求，但仔細檢查會發現電纜規格存在差異。

例如，Belden 的 7928 和 7939 八芯 DataTuff 電纜均額定用于工業 Cat 5e 操作，但它們的推薦應用存在差異。原因是，結構的微妙不同使得 7928 的性能優于 7939，但也使其生產成本更高（表 1）。

表 1：Belden 的 7939 和 7928 都是 8 芯 Cat 5e DataTuff 電纜，但結構上的微妙差異使得 7928 具有一定的性能優勢。（數據來源：Belden）

7928 的 FEP 絕緣材料使其與 7939 的 PVC 相比，能夠在更高的溫度下運行。與 7939 的絞合導線相比，7928 電纜的實心銅導線每英尺可產生更好的直流電阻 (DCR)，每英尺的最大電容更低。這些電氣差異使 7928 具有更低延遲和更高傳播速度。

所有這些差異都在高頻性能規范中得到了體現。7928 電纜的規定工作頻率高達 350 兆赫 (MHz)，而 7939 僅為 100 MHz。7928 在較低頻率下也具有更好的性能。

不但性能存在明顯差異，成本同樣存在差異。兩種電纜均可滿足特定應用的基本規范，但較高質量的電纜性能裕量更高，并且運行更放心。

應用實例：VFD 電纜

電機可將電能轉化為機械運動，幾十年來，電機一直是工業作業中的關鍵部件。電機類型包括有刷直流電機、無刷直流 (BLDC) 電機、交流 (AC) 電機和步進電機，每種電機都有各自的性能特性和驅動特性。

VFD 脈沖串的特性

VFD 通過脈寬調制 (PWM) 對 AC 電機提供精確的速度和扭矩控制。VFD 廣泛用于制造工藝，但要獲得最佳性能和更長使用壽命，開關驅動信號的特性使得選擇合適的電纜變得至關重要。其中一些特性包括：

• 駐波：VFD 電纜的阻抗約為 85 至 120 歐姆 (?)。VFD 電機的阻抗更高，通常為幾百歐姆。當 PWM 脈沖串滿足更高的電機阻抗時，很大一部分能量被反射。這種駐波可使電纜上的電壓增加兩到三倍，從而導致絕緣性能下降，最終引發故障。

• 電暈放電：導線周圍的強電場可使導線之間的空氣發生電離，導致能量釋放。電暈放電會使電纜的絕緣材料退化并損壞屏蔽層。這種放電還可能損壞驅動電子設備，浪費電力，甚至產生足以使絕緣層熔化的熱量。

• 諧波失真：任何信號都含有工作頻率下的能量以及該頻率倍數（諧波）的能量，從而導致波形失真。較高諧波下的能量會增加電纜中的焦耳損耗，并引起發熱。

• 涌流：電機在啟動時可消耗極高的電流。大多數 VFD 控制器可通過緩慢提高電機速度來限制最大啟動電流，但電纜仍必須設計為能夠處理初始浪涌。

• EMI：數字脈沖的快速切換會產生電磁干擾。這種能量可能轉移到其他電路，導致信號衰減、錯誤信號和其他問題。

選擇 VFD 電纜時，了解整個驅動系統和所需的電流容量至關重要（可能還需考慮未來的電流擴容）。高性能 VFD 電纜具有優于建筑級電纜的接地和屏蔽能力，可提供更可靠和更穩定的連接。以下是改善 VFD 性能的一些提示和主要建議：

• 接地系統應設計為具有盡可能低的接地路徑阻抗。接地路徑中的電纜帶有額外銅線（稱為 300% 接地設計），可確保潛在的有害共模電流 (CMC) 受到牽制，并將這種電流返回到驅動裝置，且不會產生不利影響。

• 選擇專為高頻操作設計的導線（鍍錫銅導線）以防止腐蝕，高導線股數可增加表面積。

• 選擇具有低電容和高介電強度的電纜。熱塑性高耐熱尼龍涂層 (THHN) 建筑級 VFD 電纜具有更高的電纜充電損耗，并且可更快地建立反射波電壓。此類電纜的絕緣強度約為優質導線絕緣強度的三分之一，而優質導線配備的是熱固絕緣材料，如交聯聚乙烯 (XLP)：與 THHN 相比，XLP 還具有更好的耐電暈放電性能。

• 屏蔽材料對噪聲性能的影響很大。低阻抗屏蔽材料可降低電流反射，提高系統的可靠性。相反，非屏蔽電纜可以充當天線，并成為輻射發射源。屏蔽層應具有最大的表面積，以獲得最佳的高頻性能。如前所述，雙銅帶或編織帶可提供最佳屏蔽性能。

Alpha Wire 的 V-Flex 電纜專為機器人、傳送帶和其他需要重復或連續移動的機器上的高性能 VFD 應用而設計。該系列電纜具有七種設計，配有 4 AWG 至 16 AWG 不等的多股鍍錫銅導線和 TPE 護套，并且柔韌性得到了增強，可使布線和處理更加輕松。例如，VF16006 BK005 電纜是一種四芯電纜，配備 6 AWG 電線和箔/編織屏蔽層（圖 6）。

圖 6：Alpha Wire 的 VF16006 BK005 電纜專為 VFD 應用而設計。這種電纜的每根導線可承載高達 52 安培的電流，并且使用箔/編織屏蔽。（圖片來源：Alpha Wire）

該電纜具有耐油和抗紫外線功能，工作溫度為 -40°C 至 +90°C，可處理高達 50 馬力 (HP) 的驅動裝置，每根導線的滿載電流為 52 安培。

結論

對于給定的應用，設計人員通常可以選擇幾種不同價位的電纜，這些電纜似乎都能滿足頂級規范。然而，商用和工業運行環境卻大不相同。本文介紹了商用和工業電纜之間的結構差異，并研究了兩種常見工業應用的電纜要求。

如本文所示，工業電纜相比商用電纜而言有著明顯及不那么明顯的性能改進，在工廠車間使用期內，這種改進帶來的效果絕對物超所值。