工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 在很大程度上需要依賴電纜在工業(yè)機械之間以及工廠車間、IT 和云之間傳輸數(shù)據(jù)、命令和電力。然而，由于存在物理、環(huán)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(shè)計人員必須處理一系列經(jīng)常相互沖突的性能和成本優(yōu)先事項。

本文將介紹工業(yè)環(huán)境和 IIoT 帶來的電纜挑戰(zhàn)，然后討論商業(yè)成品 (COTS) 和工業(yè)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(guī)劃中的一個關(guān)鍵指標）。

本文將考慮兩個應(yīng)用示例：一個是工業(yè)電機用到的變頻驅(qū)動 (VFD) 電纜，另一個是工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接。之所以選擇這兩個示例，是因為它們描述了工廠內(nèi)的不同電纜用途：高功率運行和高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接。

工業(yè)環(huán)境是電纜的天敵

工業(yè)設(shè)施包括制造設(shè)施、油氣加工廠、煤礦、廢水處理設(shè)施，以及包括隧道和地鐵在內(nèi)的運輸系統(tǒng)。這些環(huán)境都會對電纜產(chǎn)生不利影響。危害因素包括化學(xué)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(yè)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(fā)生故障，不但會危及操作員的安全，造成質(zhì)量問題，而且代價非常昂貴：每停產(chǎn)一分鐘都可能造成數(shù)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(yè)應(yīng)用持續(xù)保持運動狀態(tài)：多軸機床、機器人、風(fēng)力渦輪機、拾放機、自動搬運系統(tǒng)和傳送帶系統(tǒng)就是一些例子。這些應(yīng)用中的電纜必須能夠承受數(shù)十萬次循環(huán)的重復(fù)撓曲。

侵入危害因素包括濕氣、化學(xué)品和灰塵。許多行業(yè)使用刺激性化學(xué)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(yè)，必須定期使用高壓水和腐蝕性化學(xué)品對設(shè)備進行清潔，以滿足嚴格的衛(wèi)生要求。電纜設(shè)計不良時，液體會滲入導(dǎo)線。

無論安裝在室內(nèi)還是室外，工業(yè)電纜經(jīng)常都會暴露于這些因素。由此產(chǎn)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(yè)電氣環(huán)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(shè)備的電磁干擾。在工廠升級過程中，由于空間限制可能會導(dǎo)致新電纜靠近噪聲源，如電機和發(fā)電機。

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

由于 COTS 電纜需要滿足其預(yù)期使用條件，因此在工業(yè)應(yīng)用中使用商用電纜會導(dǎo)致高故障率、生產(chǎn)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(jié)果表明，工業(yè)級電纜的性能更勝一籌（圖 2）。

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

電纜剖析

電纜由幾個關(guān)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(dǎo)線

• 電纜絕緣層和電纜護套

• EMI 屏蔽

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

電纜導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(huán)境，或者用于需要頻繁折彎電纜的應(yīng)用。

導(dǎo)線絕緣層和電纜護套

除了提供絕緣外，用于覆蓋導(dǎo)線的塑料還起著電介質(zhì)的作用。塑料的介電常數(shù)和耗散因數(shù)會影響信號的傳輸（圖 4）。具體而言，介電常數(shù)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(guān)。耗散因數(shù)用于衡量電介質(zhì)的電能損耗（或吸收）速率。通過減小這兩個參數(shù)中任何一個的數(shù)值，都能實現(xiàn)更好的信號傳輸。

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

許多工業(yè)電纜在導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線，但其質(zhì)量更大，具有更好的導(dǎo)電性，并且更容易端接，接地性能良好。

在惡劣的 EMI 環(huán)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(dǎo)線免受機械、濕氣和化學(xué)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(gòu)造技術(shù)包括鋁制聯(lián)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(lián)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(yōu)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(yè)以太網(wǎng)電纜采用其獲得專利的“粘連對”導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，可消除導(dǎo)線對之間的間隙，從而實現(xiàn)始終如一的可靠電氣性能。

應(yīng)用實例：以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)已經(jīng)在工廠車間使用了很多年，但最近以太網(wǎng)的應(yīng)用已擴展到高壓（> 600 伏）機械控制應(yīng)用中，此類應(yīng)用的安全性是主要設(shè)計考慮因素。盡管不需要承載高壓，但面向這些應(yīng)用的控制電纜仍需符合美國國家電氣規(guī)范 (NEC) 要求，因此導(dǎo)致對 600 伏以太網(wǎng)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(yè)自動化而設(shè)計，能夠承載 600 伏電壓，可用于一般控制應(yīng)用、伺服電機控制和網(wǎng)絡(luò)連接等，并且具有抗焊渣和耐油性能，符合 Ecolab 食品衛(wèi)生標準以及 Underwriters Laboratories (UL) II 級耐油符合標準。

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

當(dāng)選擇標稱值能夠滿足頂級要求的電纜（例如 Cat 5e 以太網(wǎng)）時，設(shè)計人員應(yīng)仔細比較電纜的規(guī)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(yīng)用要求，但仔細檢查會發(fā)現(xiàn)電纜規(guī)格存在差異。

例如，Belden 的 7928 和 7939 八芯 DataTuff 電纜均額定用于工業(yè) Cat 5e 操作，但它們的推薦應(yīng)用存在差異。原因是，結(jié)構(gòu)的微妙不同使得 7928 的性能優(yōu)于 7939，但也使其生產(chǎn)成本更高（表 1）。

表 1：Belden 的 7939 和 7928 都是 8 芯 Cat 5e DataTuff 電纜，但結(jié)構(gòu)上的微妙差異使得 7928 具有一定的性能優(yōu)勢。（數(shù)據(jù)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(dǎo)線相比，7928 電纜的實心銅導(dǎo)線每英尺可產(chǎn)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(guī)范中得到了體現(xiàn)。7928 電纜的規(guī)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(yīng)用的基本規(guī)范，但較高質(zhì)量的電纜性能裕量更高，并且運行更放心。

應(yīng)用實例：VFD 電纜

電機可將電能轉(zhuǎn)化為機械運動，幾十年來，電機一直是工業(yè)作業(yè)中的關(guān)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(qū)動特性。

VFD 脈沖串的特性

VFD 通過脈寬調(diào)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(guān)驅(qū)動信號的特性使得選擇合適的電纜變得至關(guān)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(dāng) 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(dǎo)致絕緣性能下降，最終引發(fā)故障。

• 電暈放電：導(dǎo)線周圍的強電場可使導(dǎo)線之間的空氣發(fā)生電離，導(dǎo)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(qū)動電子設(shè)備，浪費電力，甚至產(chǎn)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(shù)（諧波）的能量，從而導(dǎo)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(fā)熱。

• 涌流：電機在啟動時可消耗極高的電流。大多數(shù) 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(shè)計為能夠處理初始浪涌。

• EMI：數(shù)字脈沖的快速切換會產(chǎn)生電磁干擾。這種能量可能轉(zhuǎn)移到其他電路，導(dǎo)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(qū)動系統(tǒng)和所需的電流容量至關(guān)重要（可能還需考慮未來的電流擴容）。高性能 VFD 電纜具有優(yōu)于建筑級電纜的接地和屏蔽能力，可提供更可靠和更穩(wěn)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(tǒng)應(yīng)設(shè)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(shè)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(qū)動裝置，且不會產(chǎn)生不利影響。

• 選擇專為高頻操作設(shè)計的導(dǎo)線（鍍錫銅導(dǎo)線）以防止腐蝕，高導(dǎo)線股數(shù)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(yōu)質(zhì)導(dǎo)線絕緣強度的三分之一，而優(yōu)質(zhì)導(dǎo)線配備的是熱固絕緣材料，如交聯(lián)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(tǒng)的可靠性。相反，非屏蔽電纜可以充當(dāng)天線，并成為輻射發(fā)射源。屏蔽層應(yīng)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(fù)或連續(xù)移動的機器上的高性能 VFD 應(yīng)用而設(shè)計。該系列電纜具有七種設(shè)計，配有 4 AWG 至 16 AWG 不等的多股鍍錫銅導(dǎo)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(yīng)用而設(shè)計。這種電纜的每根導(dǎo)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(qū)動裝置，每根導(dǎo)線的滿載電流為 52 安培。

結(jié)論

對于給定的應(yīng)用，設(shè)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(guī)范。然而，商用和工業(yè)運行環(huán)境卻大不相同。本文介紹了商用和工業(yè)電纜之間的結(jié)構(gòu)差異，并研究了兩種常見工業(yè)應(yīng)用的電纜要求。

如本文所示，工業(yè)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(nèi)，這種改進帶來的效果絕對物超所值。