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(jī)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(shí)需要特別注意電纜的選型和布線：設(shè)計(jì)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(xiàng)。
本文將介紹工業(yè)環(huán)境和 IIoT 帶來(lái)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(gè)關(guān)鍵指標(biāo)）。
本文將考慮兩個(gè)應(yīng)用示例：一個(gè)是工業(yè)電機(jī)用到的變頻驅(qū)動(dòng) (VFD) 電纜，另一個(gè)是工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接。之所以選擇這兩個(gè)示例，是因?yàn)樗鼈兠枋隽斯S內(nèi)的不同電纜用途：高功率運(yùn)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(yùn)輸系統(tǒng)。這些環(huán)境都會(huì)對(duì)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(dòng)（圖 1）。同時(shí)，電纜必須能夠確保信號(hào)的完整性，并最大限度地減少信號(hào)損失和 EMI 影響。
圖 1：工業(yè)級(jí)電纜面臨眾多工廠危害因素時(shí)必須保持信號(hào)的完整性。（圖片來(lái)源：Belden）
如果電纜發(fā)生故障，不但會(huì)危及操作員的安全，造成質(zhì)量問(wèn)題，而且代價(jià)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(jī)械危害包括碰撞、磨損、沖擊、張力和振動(dòng)。此外，許多工業(yè)應(yīng)用持續(xù)保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：多軸機(jī)床、機(jī)器人、風(fēng)力渦輪機(jī)、拾放機(jī)、自動(dòng)搬運(yùn)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(wàn)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(zhǎng)時(shí)間暴露在外，同時(shí)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(duì)設(shè)備進(jìn)行清潔，以滿足嚴(yán)格的衛(wèi)生要求。電纜設(shè)計(jì)不良時(shí)，液體會(huì)滲入導(dǎo)線。
無(wú)論安裝在室內(nèi)還是室外，工業(yè)電纜經(jīng)常都會(huì)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(yáng)光）、濕氣，甚至嚙齒動(dòng)物啃咬或侵入性樹根。
工業(yè)電氣環(huán)境包括強(qiáng)電流、高電壓、不充分接地以及來(lái)自弧焊機(jī)、熔爐和 HVAC 設(shè)備的電磁干擾。在工廠升級(jí)過(guò)程中，由于空間限制可能會(huì)導(dǎo)致新電纜靠近噪聲源，如電機(jī)和發(fā)電機(jī)。
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(jìn)行比較。包括辦公空間、服務(wù)器機(jī)房和家庭在內(nèi)的商業(yè)設(shè)施，通常會(huì)采用 HVAC 系統(tǒng)來(lái)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(huì)發(fā)生變動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)環(huán)境通常不含細(xì)小顆粒和液體，不會(huì)出現(xiàn)極端溫度，因此商用電纜不會(huì)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(huì)導(dǎo)致高故障率、生產(chǎn)損失、成本增加和安全性降低。通過(guò)一系列標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試對(duì)這兩類電纜進(jìn)行比較，結(jié)果表明，工業(yè)級(jí)電纜的性能更勝一籌（圖 2）。
| 測(cè)試測(cè)試概要結(jié)果：商用電纜結(jié)果：工業(yè)電纜磨損將電纜拉伸橫過(guò)磨輪，然后循環(huán)往復(fù)移動(dòng)25 次循環(huán)后失效（護(hù)套破裂，導(dǎo)線可見(jiàn)）導(dǎo)線仍受保護(hù)（鎧裝護(hù)套）冷彎 (UL 444)將電纜冷卻至一定溫度，然后將其緊繞在直徑 3" 的棒上；測(cè)試溫度包括 -80°C、-60°C 和 -40°C變脆，有明顯裂縫無(wú)可見(jiàn)損傷冷撞擊 (UL 444)落錘管：2.7 焦耳撞擊能量。逐漸降低溫度-20°C 時(shí)失效-70°C 時(shí)失效（使用適當(dāng)?shù)臏囟茸o(hù)套）壓碎將 2" x 2" 板放置在電纜段上：加力的同時(shí)監(jiān)控性能400 磅時(shí)失效2,250 磅時(shí)失效（鎧裝電纜）切通性 (CSA C22.2)將鑿尖降落到電纜上并逐漸加力，直到導(dǎo)線短路施力 92 磅時(shí)失效施力 1048 磅時(shí)失效高溫將電纜暴露在 +60°C 溫度下一段時(shí)間后，將測(cè)試性能與環(huán)境溫度 (20°C) 下的性能進(jìn)行對(duì)比+60°C 時(shí)衰減增加，無(wú)法支持 100 米的敷設(shè)距離+60°C 時(shí)可以持續(xù)支持 100 米的敷設(shè)距離耐油 (UL 1277)將電纜浸泡在油中 60 天，+125°C拉伸性能和延伸率表現(xiàn)出退化跡象未觀察到退化跡象紫外線照射 (ASTM G154)熒光燈照射 720 小時(shí)變色，出現(xiàn)退化前兆無(wú)損傷浸水六個(gè)月測(cè)試，定期測(cè)試衰減和退化現(xiàn)象逐漸增加輕微衰減，6 個(gè)月后的性能超過(guò) Cat 5e 規(guī)格 |
圖 2：當(dāng)進(jìn)行相同的測(cè)試時(shí)，工業(yè)級(jí)電纜表現(xiàn)出更卓越的性能。（圖片來(lái)源：Belden）
電纜剖析
電纜由幾個(gè)關(guān)鍵組件組成，這些組件會(huì)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(hù)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(qiáng)可靠性和性能的設(shè)計(jì)改進(jìn)。（圖片來(lái)源：Belden）
電纜導(dǎo)線
有兩種電線通常用于通過(guò)電纜傳輸電力或電信號(hào)：實(shí)芯線和絞合線。每種電線都有不同的特點(diǎn)。
顧名思義，實(shí)芯線的傳導(dǎo)路徑是一根電線（通常是銅線）。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)芯電纜比絞合電纜便宜，等效電流時(shí)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(jī)器人等移動(dòng)機(jī)械裝置。
絞合電纜中的導(dǎo)線由多根絞合在一起的細(xì)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(dòng)問(wèn)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(hù)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(huì)影響信號(hào)的傳輸（圖 4）。具體而言，介電常數(shù)用于衡量電纜存儲(chǔ)電能的能力：它與電能穿過(guò)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(guò)減小這兩個(gè)參數(shù)中任何一個(gè)的數(shù)值，都能實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)傳輸。
| 絕緣類型比重介電常數(shù)耗散因數(shù)體積電阻率 (ohm-cm)介電強(qiáng)度（伏特/密耳）可燃性溫度范圍 (°C)PVC（標(biāo)準(zhǔn)）1.25-1.384-60.06-0.101011800-900良好-20 至 +80PVC（高級(jí)）1.383-50.080-0.0851012800-900良好-55 至 +105聚乙烯0.922.270.0002>10161200差-60 至 +80聚丙烯0.902.240.0003>1016850差-60 至 +80多孔聚乙烯0.501.50.0002–500差-60 至 +80阻燃聚乙烯1.302.50.0015>10161000一般-60 至 +80FEP（或 TFE）2.152.10.0007>10181200出色-70 至 +200（或 +260）多孔 FEP1.21.40.0007–500良好-70 至 +200 |
圖 4：常見(jiàn)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(hào)傳輸性能越好。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
許多工業(yè)電纜在導(dǎo)線周圍包裹屏蔽層，用來(lái)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(jiàn)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(duì)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(jí)別的保護(hù)。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(lái)源：Alpha Wire）
電纜護(hù)套在電纜的安裝和使用壽命期間，保護(hù)下面的導(dǎo)線免受機(jī)械、濕氣和化學(xué)品的損壞。護(hù)套還可以增強(qiáng)阻燃性，防止紫外線輻射，并且便于安裝。
帶有鎧裝護(hù)套的電纜可保護(hù)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(hù)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(hù)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(biāo)準(zhǔn)電纜選項(xiàng)包括鋁制或鋼制聯(lián)鎖鎧裝電纜，以及針對(duì)埋地或室外使用、耐汽油、高撓曲能力或高低溫運(yùn)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(duì)”導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，可消除導(dǎo)線對(duì)之間的間隙，從而實(shí)現(xiàn)始終如一的可靠電氣性能。
應(yīng)用實(shí)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(kuò)展到高壓（> 600 伏）機(jī)械控制應(yīng)用中，此類應(yīng)用的安全性是主要設(shè)計(jì)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(guó)國(guó)家電氣規(guī)范 (NEC) 要求，因此導(dǎo)致對(duì) 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(dòng)化而設(shè)計(jì)，能夠承載 600 伏電壓，可用于一般控制應(yīng)用、伺服電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)以及 Underwriters Laboratories (UL) II 級(jí)耐油符合標(biāo)準(zhǔn)。
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(biāo)準(zhǔn) (ANSI/TIA-1005-A)。此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了影響電纜耐用性的四個(gè)環(huán)境分類級(jí)別，包括機(jī)械、侵入、氣候/化學(xué)品和電磁 (MICE)。每個(gè)類別根據(jù)嚴(yán)重程度進(jìn)行分類評(píng)級(jí)：1、2 或 3。商業(yè)建筑的環(huán)境分類通常為 M1I1C1E1，標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)格的環(huán)境分類是 M3I3C3E3。
當(dāng)選擇標(biāo)稱值能夠滿足頂級(jí)要求的電纜（例如 Cat 5e 以太網(wǎng)）時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)仔細(xì)比較電纜的規(guī)格。通常情況下，有多種不同價(jià)位的電纜似乎都能滿足頂級(jí)應(yīng)用要求，但仔細(xì)檢查會(huì)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）。
| 規(guī)格79397928導(dǎo)線7x32 絞合銅線0.02 英寸實(shí)心銅線絕緣材料聚氯乙烯 (PVC)氟化乙烯 (FEP)外屏蔽材料鋁箔聚酯膠帶無(wú) |
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(shì)。（數(shù)據(jù)來(lái)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(yùn)行。與 7939 的絞合導(dǎo)線相比，7928 電纜的實(shí)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(dá) 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(yùn)行更放心。
應(yīng)用實(shí)例：VFD 電纜
電機(jī)可將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，幾十年來(lái)，電機(jī)一直是工業(yè)作業(yè)中的關(guān)鍵部件。電機(jī)類型包括有刷直流電機(jī)、無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)、交流 (AC) 電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，每種電機(jī)都有各自的性能特性和驅(qū)動(dòng)特性。
VFD 脈沖串的特性
VFD 通過(guò)脈寬調(diào)制 (PWM) 對(duì) AC 電機(jī)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(zhǎng)使用壽命，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jī)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(jī)阻抗時(shí)，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(qiáng)電場(chǎng)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(huì)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(dòng)電子設(shè)備，浪費(fèi)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(hào)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(huì)增加電纜中的焦耳損耗，并引起發(fā)熱。
涌流：電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)可消耗極高的電流。大多數(shù) VFD 控制器可通過(guò)緩慢提高電機(jī)速度來(lái)限制最大啟動(dòng)電流，但電纜仍必須設(shè)計(jì)為能夠處理初始浪涌。
EMI：數(shù)字脈沖的快速切換會(huì)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(hào)衰減、錯(cuò)誤信號(hào)和其他問(wèn)題。
選擇 VFD 電纜時(shí)，了解整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和所需的電流容量至關(guān)重要（可能還需考慮未來(lái)的電流擴(kuò)容）。高性能 VFD 電纜具有優(yōu)于建筑級(jí)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(jì)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(jì)），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(dòng)裝置，且不會(huì)產(chǎn)生不利影響。
選擇專為高頻操作設(shè)計(jì)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(qiáng)度的電纜。熱塑性高耐熱尼龍涂層 (THHN) 建筑級(jí) 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(qiáng)度約為優(yōu)質(zhì)導(dǎo)線絕緣強(qiáng)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(duì)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(jī)器人、傳送帶和其他需要重復(fù)或連續(xù)移動(dòng)的機(jī)器上的高性能 VFD 應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該系列電纜具有七種設(shè)計(jì)，配有 4 AWG 至 16 AWG 不等的多股鍍錫銅導(dǎo)線和 TPE 護(hù)套，并且柔韌性得到了增強(qiáng)，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(jì)。這種電纜的每根導(dǎo)線可承載高達(dá) 52 安培的電流，并且使用箔/編織屏蔽。（圖片來(lái)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(dá) 50 馬力 (HP) 的驅(qū)動(dòng)裝置，每根導(dǎo)線的滿載電流為 52 安培。
結(jié)論
對(duì)于給定的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員通常可以選擇幾種不同價(jià)位的電纜，這些電纜似乎都能滿足頂級(jí)規(guī)范。然而，商用和工業(yè)運(yùn)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(jiàn)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(jìn)，在工廠車間使用期內(nèi)，這種改進(jìn)帶來(lái)的效果絕對(duì)物超所值。
