为应用选择最佳的以太网电缆

精密的屏蔽和坚固的连接器使工业以太网电缆能够在工厂环境中生存。

工业以太网的引入彻底改变了机器的设计和操作。通过将智能组件连接在一起，机器制造商允许用户通过连接到网络立即访问机器的任何部分。车间到顶层的通信简化了供应链管理和过程控制。智能组件将诊断信息直接发送到维护人员的桌面，允许及早发现问题并在计划内进行处理停机时间与意外线路中断。当然，网络的好坏取决于它所使用的电缆，因此正确选择电缆是至关重要的。

以太网最初设计用于连接办公环境中的计算机和打印机。电缆甚至没有屏蔽——双绞线引入了一定程度的抗干扰性，通信速度足够低，噪音不是问题。今天，这一切都改变了。以太网的运行速度高达100 Gb/s，电缆长度高达100米。为了从噪声中隔离信号，制造商提供具有复杂屏蔽、结构构件、密封剂等的电缆(见图1)。

开发一种具有抗干扰性和灵活性的电缆需要一个微妙的平衡行为。典型的方法是使用双屏蔽电缆(见图2)。首先是通常用于商业环境的箔屏蔽，再加上编织屏蔽，通常是铜和不锈钢的混合。如果屏蔽箔坏了，编织可以保护导体不受损坏。结果是，电缆可以容忍周期计数从3,000,000到10,000,000弯曲，同时防止EMI。

压力夹套提供了额外的性能改进。在压力夹套中，在制造过程中，夹套在高压下通过机头挤出。保护材料压在导体内部和周围，以保持尺寸稳定，以及缓冲和保护导体。压力护套可以使电缆更坚固，从而提高终端性能——如果电缆过于柔韧，护套会在连接器受到挤压时折叠，从而为水创造一个入口。

压套还可以稳定双绞线，有助于消除噪声。在移动电缆中，双绞线可能相对滑动，不仅产生摩擦和磨损，而且产生串扰。在某些情况下，这会导致严重的问题。L-com Global Connectivity产品经理大卫·加拉格尔(David Gallagher)说:“数据缺失可能是至关重要的。“德国的一家汽车公司有一台机器，因为没有得到正确的指令，就把自己焊接在了汽车的一侧。它把底盘从装配线上拉了下来。”以太网协议包括纠错步骤，但通过正确地布线系统，设计人员可以最大限度地减少这种需要。

选择正确的量规
最初，寻求开发工业以太网电缆的电缆制造商过度设计了该产品。在一个1:1纵横比的地图的类比中，由于太大而无法在任何地方进行布局，电缆的设计可以承受极端的温度、噪音和物理变形，但结果却太大而无法使用。“大约七八年前，能够承受工业环境的电缆直径超过半英寸，”加拉格尔说。“它不适合我们用于以太网的插头。电缆比插头大。它是如此沉重，如此难以终止，所以我们离开了。”

今天，制造商和用户已经发现，更轻的电缆实际上可能为许多工业应用提供更好的解决方案。乍一看，似乎越粗越结实，工业应用可能需要最重的电缆——22号，甚至20号电缆，而不是标准办公室应用的24号电缆(规格编号与直径成反比)。事实未必如此。一个更小，更灵活的电缆，如26号，实际上可能做更好的工作，生存在一个连续运动的应用。它更轻，这意味着它在需要频繁倒车的高速操作中产生的惯性更小。它还提供了一个更小的弯曲半径。

直径较小的电缆重量也较轻。在典型的工厂应用中，地板是坚固的，重量本身往往不是问题。然而，在运动应用中，质量越大，惯性就越大，这可能会影响精度，也会使部件过早疲劳。

然而，更窄直径的电缆可以忍受更小的噪音，这可以限制它们只能在以太网电缆定义的100米运行范围的一部分。Gallagher说:“如果使用26号电缆，电缆长度最多可以缩短50%。”“这可能会非常迅速地影响安装，所以选择正确的压力表将会使世界变得不同。”

这是一个权衡的问题。22或20号电缆可以提供更长的运行时间，但屏蔽可能会带来问题。电缆也可能太粗，不允许使用标准的RJ-45连接器。屏蔽也增加了电缆开裂的脆弱性。Quabbin Wire & cable公司的销售和市场总监Kevin Drummond说:“在过去，很难找到一种能够经受住挠性冲击的屏蔽电缆，因为首先开始损坏的是屏蔽层。它会互相摩擦，也会摩擦双绞线。它会开始开裂和撕裂，然后会有锋利的边缘，并开始切入电缆的内芯，最终导致故障。”在整个运动范围内进行适当的测试可以使制造商更好地了解屏蔽磨损以及每种应用需要哪种电缆(见图3)。

量规的选择不是一刀切的解决方案。有时用户可能需要跑100米来获取数据。为了降低噪音，他们可以使用绞合电缆而不是实心水平电缆。典型的方法是使用较粗的电缆，如22号线，甚至光纤电缆，连接到自动化岛;在这一点上，设计切换到24甚至26号，以达到仪器的移动元件。

建立联系
所有的电缆都需要用连接器连接。最常见的以太网连接器是RJ-45插头/插孔组合。该设计的特点是一侧有弹簧触点，另一侧有实心销。这是经济的，可以简化故障排除，因为大多数笔记本电脑都有一个RJ-45端口。

问题是RJ-45最初是为办公环境中的扁平电缆设计的。最近，针对圆形电缆的版本已经开发出来，但应用范围有限。Gallagher说:“用于办公环境的商业级连接器在连接器的背面没有强度。”相反，设计师转向了屏蔽RJ-45设计，其特点是金属外壳带一个夹子，完全包围电缆，并在护套的外面压紧。“你会得到一个很棒的结局。你不必担心电缆从连接器上松动。”

IEC 61076标准定义了M-12连接器，坚固的四针dimm风格设计。M-12连接器在面对电缆上的压力和应变时非常坚固。插脚可能会在插座里晃动，但它们会维持连接。相比之下，施加的应变可能会动摇RJ-45设备插孔内的连接器，潜在地影响连接。在这种情况下，系统要么需要应变缓解，要么需要切换到不同的设备。Gallagher说:“如果在进入端口之前需要对电缆进行应变缓解，那么RJ-45非常适合。”“如果电缆要直接拉在连接上，那么m系列连接器是正确的选择。”

冲击和振动是运动控制的长期问题，特别是在工业环境中。弹簧加载RJ-45连接器不能容忍这种机械干扰。Gallagher说:“如果你震动连接器，你也会震动插孔。“这种插头非常坚固，在振动环境下，它们会把插孔里的光打出来，所以在高振动环境下，我会避免使用RJ-45连接器，而是使用m系列。”

工厂终止最终产生最佳性能。楼层终止涉及使用手工工具的技术人员，因此卷曲因人而异。德拉蒙德说:“我见过一些人只是因为喜欢指挥的样子，就把指挥扭曲了一点。”“这样的变化会影响比赛表现。”

此外，由于工具随着时间的推移而磨损，它们产生的终止效果较差。加拉格尔说:“人们总是问我是否应该校准我的手动工具，我说的第一件事是，‘可能是时候更换工具了，因为你问我这个问题的可能性是，你有一个糟糕的卷边，你有一个糟糕的工具。“对于技术人员来说，有时最好的解决方案是在他们的办公室设置一个小箱子，里面放几袋他们最常用长度的工厂端接电缆。”

获得工业以太网的全部好处需要合适的网络硬件。今天，机器制造商有广泛的电缆和连接器选择在指尖。电缆和连接器的选择不是一个瞬间就能做出的决定，但通过仔细考虑所涉及的应用需求的权衡，原始设备制造商可以在他们负担得起的价格标签上提供他们所需的性能。