工業以太網和總線電纜選型四大常見錯誤
發布時間：2025-02-25 作者：Horst Messerer
圖片來源：Helukabel（和柔）
在選擇工業以太網和總線電纜時，用戶并不總是十分了解所有事情。本文重點介紹了四個常見錯誤以及和最佳實踐。
下一代制造業的革命已經來臨，為了在這場工業革命中實現更大的投資回報和競爭優勢，企業領導者們需要規劃如何進行戰略擴張，最重要的是如何處理好他們的數據。
并非所有數據電纜都是一樣的。許多用戶直到在工業應用中遇到中斷或數據傳輸問題時，才會意識到這一點。了解用戶在選擇工業以太網或總線電纜時最常見的問題以及如何避免這些問題非常重要。
所有以任何方式實現通信的電纜和電線，通常都可以被稱為數據電纜。但是，它們之間存在顯著差異，例如包括銅和光纖在內的多種結構。銅質數據電纜有多種類型：低頻電纜、同軸電纜、電話電纜和總線電纜、各種以太網系統或用于需要千兆赫茲傳輸速率的特殊應用的微波電纜。選擇錯誤的電纜會很快導致代價高昂的中斷和錯誤。
一般來說，數據電纜是低容量電纜。這意味著由于電纜對信號質量的負面影響，在傳輸數據時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
現代總線和以太網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度，可以使用更薄的絕緣材料。
適合的電纜結構可實現良好的數據傳輸。圓形且直徑一致的實心導線具有最佳的電氣性能。對于工業以太網和總線電纜而言，最好采用美國線規（AWG）電纜，因為這種靈活的結構會產生圓形導體。公制電纜不適合這種應用，因為它們是束狀結構，不是圓形的。這會導致容量不穩定，嚴重影響高頻數據傳輸。
01 為工業應用選擇電纜時的四個常見錯誤
1 在高頻應用中使用低頻電纜
為高頻以太網連接選擇低頻電纜是造成數據傳輸故障的一個常見原因。這些高頻電纜的容量也很低，但表現出與以太網標準要求不同的特性阻抗。這會導致不匹配或不連續。在低頻數據電纜中，所有電纜對都平行鋪設。這意味著所有四個敷設長度都是相同的。高頻應用中使用的以太網電纜，必須進行最佳解耦。這是通過四種不同的敷設長度來實現的，這些長度是單獨測量的。還必須考慮雙絞線在整體結構中的位置。
2 傳統雙絞線而不是星形四絞線
許多工業通信標準，如Profinet、EtherCAT或SERCOS III，都使用雙絞線電纜進行數據傳輸，雙絞線對被絞合成所謂的星形四絞線。在這里，所有四根導線都絞合成完美的圓形。這樣做的好處是它不會導致傳輸時間的差異。這與傳統的雙絞線不同，由于需要解耦，單個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，可能會導致傳輸以及傳輸時間問題。
▲圖2：解耦性差（左）和解耦性好（右）的示例。
在星形四絞線中，彼此對角位置的導體形成電纜對。在連接電纜時，如果忽略此規則，電纜的特性阻抗和近端串擾也會發生變化，這也可能會降低傳輸質量。即使是屏蔽的四芯電纜也不適合用作高頻工業以太網或總線電纜，盡管乍一看它們的結構相似。不同之處在于，導體絕緣強度不是為以太網設計的，絞合在結構上也不是完美的圓形。由于特性阻抗、近端串擾和電纜衰減不合適，這會導致電纜功能不足。
3 電纜太長或直徑太小
另一個典型的例子是電纜段太長。根據以太網標準，必須使用中繼器之前的最大電纜長度為328英尺（100米）。該設備接收較弱的信號經增強后繼續傳輸。在實踐中，可以找到長度超過328英尺的通信段，但這不符合適用標準。在這些情況下，溫度升高、老化和其它因素可能會迅速導致缺陷或故障。
AWG 26等較細的電纜，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，每個連接器都是一個接頭，會通過衰減和反射造成損耗，從而縮小范圍。
4 使用了錯誤的連接器
以太網應用中經常使用非標準和未經測試的連接器，如D-Sub或M12插頭，這些插頭采用8針設計進行A 編碼。這些連接器確實能夠傳輸數據，但由于近端串擾較低，質量顯著下降。原因是中間引腳的定位不符合標準，影響了數據傳輸。
▲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。
根據以太網標準，最佳數據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（Gbit）
■ 迷你 I/O
■ 單對以太網（SPE）。
此外，還有一些標準，如Profinet、EtherCAT或SPE，可以在一個混合插頭中傳輸數據和電源。這些要么遵守IEC規范，要么已經經過某些組織的評估，要么正在實現標準化。標準化的混合以太網插頭包括：
■ 符合IEC 63171-6標準的 M8 SPE
■ 符合IEC 63171-7標準的 M12 SPE
■ 符合IEC 61076-2-11標準的 Y 編碼 M12
■ 符合IEC 61076-2-117標準的 M23
■ 符合IEC 61076-3-106標準的 RJ45混合
■ 符合IEC 61076-3-124標準的 ix工業
某些連接器制造商在其產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準化，但已經經過以太網合規性測試和評估。作為一個基本原則，建議堅持使用標準化和經過評估的以太網連接器。
在為工業應用選擇數據電纜時，用戶應遵守適當的標準，以防止故障和失效。用戶還必須注意單個網段的長度、連接器的數量以及安裝和接插電纜的不同直徑。此外，從長期來看，單個組件的老化也會導致傳輸質量下降和中斷。
關鍵概念：
■ 將低頻電纜用于高頻以太網會因阻抗不匹配和解耦不良而造成中斷。
■ 合適的電纜絕緣材料可確保數據傳輸中的低電容和更好的信號質量。
思考一下：
您的工廠在選擇數據電纜時遇到哪些問題？