工業(yè)環(huán)境對于元器件和設(shè)備來說可能非常惡劣。通常，在采購耐用的元器件和電子系統(tǒng)方面需要花費(fèi)很多精力，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員不太關(guān)注布線和接線選擇。但是，看似相同的兩根電纜在惡劣的工業(yè)環(huán)境中表現(xiàn)可能截然不同。
本文將簡要概述電纜選擇不善的影響，然后再介紹適合工業(yè)應(yīng)用的電纜構(gòu)造。最后會(huì)提供幾個(gè)可解決惡劣環(huán)境中信號高效、可靠傳輸問題的創(chuàng)新型電纜解決方案實(shí)例。
為什么電纜選擇如此重要
布線選擇不當(dāng)可能最初不會(huì)露出端倪，但實(shí)際上從一開始就可能導(dǎo)致信號衰減和功率損耗。隨著時(shí)間的推移，它們還會(huì)帶來間歇性連接故障，這類故障相當(dāng)棘手，很難排除，導(dǎo)致代價(jià)高昂的系統(tǒng)停機(jī)。這在高振動(dòng)環(huán)境中尤其麻煩。此外，如果電纜沒有采用合適的外護(hù)套材料，暴露于化學(xué)品或極端溫度和物理損壞之下，可能會(huì)使電線裸露，造成短路，迸發(fā)火花。
理想的解決方案是選擇適合此類應(yīng)用的 IP67 或 IP68 工業(yè)級電纜。工業(yè)電纜是結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固的高品質(zhì)電纜，通常采用比常規(guī)家用電纜更高品質(zhì)的材料。雖然兩種類型的電纜看起來很相似，但工業(yè)級電纜更耐用，能夠耐受高溫、溶劑和液體，性能遠(yuǎn)勝于外觀類似的普通商用電纜。此外，工業(yè)電纜還能夠更好地耐受彎曲、扭曲和拉伸，而堅(jiān)韌性欠佳的電纜則可能無法承受此類情形。
從電子角度來看，選擇合適的工業(yè)電纜還可以最大限度地減少任何電纜長度上的功率和信號損失。而且，它們的抗電磁干擾 (EMI) 能力也更強(qiáng)。
選擇高品質(zhì)的工業(yè)級電纜時(shí)，了解電纜的構(gòu)造非常有用。
中心導(dǎo)體電線
首先了解中心導(dǎo)體的材料和直徑。電線直徑越大，電纜可以承載的電流越多，同時(shí)最大程度地減少因距離導(dǎo)致的信號損失。銅是電線最好的導(dǎo)電材料。品質(zhì)較低的電纜可能使用鋁，與銅相比，鋁是較差的導(dǎo)體。確保從像 Digi-Key 這樣的授權(quán)分銷商處購買品牌電纜，因?yàn)橛行╇娎|看起來與品牌電纜類似，實(shí)際上可能采用的是鍍銅鋁質(zhì)導(dǎo)線。雖然實(shí)芯線比多股絞線傳導(dǎo)性更好，但實(shí)芯線不易彎曲，這使得它們在許多情況下并不實(shí)用。多股絞線柔性更好，更容易布置和走線。
外層護(hù)套
外層護(hù)套材料和厚度對于工業(yè)電纜的壽命長短至關(guān)重要。外層護(hù)套越厚，對電纜的保護(hù)越好。
工業(yè)環(huán)境中的電纜外護(hù)套需要應(yīng)對多種形式的嚴(yán)重不當(dāng)使用，否則可能迅速降低電纜的性能。陽光，特別是紫外線 (UV)，會(huì)導(dǎo)致外護(hù)套褪色或開裂。包括油、汽油和清潔化學(xué)品在內(nèi)的溶劑也會(huì)溶解外護(hù)套，從而導(dǎo)致故障。高溫會(huì)導(dǎo)致電纜壽命縮短，這對于較長的電纜來說更加不利。極低溫度會(huì)導(dǎo)致外護(hù)套變脆，導(dǎo)致可見的開裂，進(jìn)而可能造成外護(hù)套剝離和脫落。
外護(hù)套還必須能夠應(yīng)對物理損壞，例如在銳角處拉動(dòng)電纜的磨損影響。錯(cuò)誤的外護(hù)套會(huì)導(dǎo)致電纜開口，露出屏蔽層或?qū)Ь€。厚聚氨酯因具有耐磨性，是高品質(zhì)電纜外護(hù)套材料的可靠選擇。聚氨酯還可以耐受溶劑、極端溫度、光照和各種不當(dāng)使用。
人們通常將防水性視為理所當(dāng)然。雖然幾乎每根電纜都可以防水，但實(shí)際上長時(shí)間暴露在潮濕環(huán)境中也會(huì)導(dǎo)致電纜壽命縮短。這可能很難診斷，特別是如果技術(shù)人員沒有意識到此類錯(cuò)誤，而繼續(xù)使用相同的商用電纜來進(jìn)行更替時(shí)。為防止此類情況，建議在大多數(shù)潮濕環(huán)境中使用 IP67 工業(yè)級電纜。
即使采用最堅(jiān)固的工業(yè)電纜，布線也應(yīng)遠(yuǎn)離鋒利的邊緣。為避免拉伸電纜，應(yīng)考慮使用足夠的電纜布線長度。在工廠和辦公樓中，需求變更是常事，因此需要重新布線。
對于電纜可能被水浸沒的極端環(huán)境，應(yīng)選擇 IP68 級電纜，例如 Amphenol Sine Systems 的 CA0162C22315012 四芯圓形電纜（圖 1）。該電纜及連接器系統(tǒng)能夠承受 -25 至 +100°C 的極端工業(yè)溫度范圍。該電纜的四根導(dǎo)線使用絞合的 14 AWG 電線。
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圓形連接器電纜的圖片" src="http://www.digikey.com.cn/-/media/Images/Article Library/TechZone Articles/2018/August/How Industrial Strength Cables Improve Efficiency Reliability Cost Ownership/article-2018august-how-industrial-strength-fig1.jpg?ts=757260b3-2dae-434f-9e55-678763bf5d6f&la=zh-CN-RMB" title="Amphenol Sine Systems CA0162C22315012 circular co<em></em>nnector cables" height="300" width="300"/>
圖 1：Amphenol Sine Systems CA0162C22315012 圓形連接器電纜使用 24 AWG 粗電線，以實(shí)現(xiàn)出色的導(dǎo)電性。連接器防拉線扣直接熱成型到電纜外護(hù)套上，以實(shí)現(xiàn)最大程度的保護(hù)。（圖片來源：Amphenol Sine Systems）
電纜連接器和觸頭
電纜與連接器的連接可能是組件中遭不當(dāng)使用最嚴(yán)重的部分。從插座上拔下電纜連接器時(shí)，建議始終抓住連接器外殼而不是防拉線扣。但是，技術(shù)人員匆忙中有時(shí)會(huì)拉動(dòng)防拉線扣。有時(shí)電纜連接器被放置在狹窄空間中，不可避免地需要拉動(dòng)防拉線扣來移除連接器。如果在商用電纜上重復(fù)此操作一定次數(shù)，電線與連接器觸頭很可能分離，從而導(dǎo)致間歇性連接故障或完全失效。
對于這些情況，建議使用高強(qiáng)度的電纜連接器外殼，例如熱成型防拉線扣，因?yàn)樗鼈冊诓迦牒鸵瞥娎|連接器時(shí)可提供出色的應(yīng)力保護(hù)，并在惡劣條件下隔離潮氣。
連接器配接次數(shù)通常對于固定在同一插座上數(shù)月或數(shù)年的連接器來說并不重要。但是，另一個(gè)極端下，搭配工業(yè)測試設(shè)備使用的電纜，一天內(nèi)配接次數(shù)可達(dá)到數(shù)十次。務(wù)必選擇一個(gè)連接器配接次數(shù)至少超 50% 的電纜，這一點(diǎn)非常重要。
有時(shí)極端條件需要采用具有獨(dú)特解決方案的創(chuàng)新產(chǎn)品。Rosenberger 制造了一系列磁性自定位連接器，可提供幾乎無限的配接次數(shù)（圖 2）。Rosenberger 電纜組件末端的自定位磁性連接器可以很容易地插入插座，插入力為零。磁性連接器系統(tǒng)可自動(dòng)將電纜連接器吸入插座中，配接后會(huì)聽到咔嗒聲，無需手動(dòng)插入。
圖 2：Rosenberger 電纜組件末端的自定位磁性連接器可以很容易地插入插座，插入力為零。（圖片來源：Rosenberger）
Rosenberger 的 L99-838-1500 工業(yè) USB 電纜組件專為頻繁使用的診斷設(shè)備而設(shè)計(jì)。每端都有一個(gè)簡單的磁力鎖定機(jī)構(gòu)，可以快速方便地與兼容插座配接和取消配接。這對于辦公樓、工業(yè)控制和自動(dòng)化系統(tǒng)以及配接次數(shù)異常高的其他環(huán)境中所使用的診斷設(shè)備的維護(hù)尤其有用。
金、鎳和錫：觸頭磨損詳細(xì)信息
電纜連接器觸頭與電纜載流量和可靠性有關(guān)。鍍錫連接器在商用電纜中相當(dāng)普遍。對于高可靠性工業(yè)電纜連接器，金是最佳選擇，因?yàn)樗且环N優(yōu)良的導(dǎo)體，不會(huì)像銀或銅一樣氧化或腐蝕。但是，純金的價(jià)格貴得難以接受。更好的解決方案是使用鍍金鎳觸頭，如 Molex 的 1203410303 M12 CAT6A 工業(yè)以太網(wǎng)電纜中所用的觸頭（圖 3）。
工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) M12 連接器采用鍍鎳金觸頭，性能優(yōu)于純金觸頭，具有更高的耐用性、金屬穩(wěn)定性和耐腐蝕性。
圖 3：1203410303 Molex M12 CAT6A 工業(yè)以太網(wǎng)電纜上的鍍金觸頭在工業(yè)環(huán)境中擁有低電阻和高可靠性特性。（圖片來源：Molex）
雖然銅和銀的導(dǎo)電能力略勝于金，但它們更容易在惡劣環(huán)境中變色和腐蝕。金是工業(yè)環(huán)境下的優(yōu)秀導(dǎo)體，因?yàn)樗褪芏喾N溶劑并在高溫下保持連接性。出于這些和其他原因，建議高可靠性工業(yè)應(yīng)用中采用金。
在大多數(shù)情況下，金-金觸頭連接擁有高可靠性、低電阻優(yōu)勢。建議較軟的觸頭（如錫）不要與金結(jié)合使用，因?yàn)榭赡軙?huì)發(fā)生微動(dòng)磨損。微動(dòng)磨損是指兩種不同的金屬接觸并引起化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生另一種會(huì)增加連接電阻的材料。
另一種形式的微動(dòng)磨損是指，當(dāng)像金一樣非常硬的金屬摩擦錫等非常軟的金屬時(shí)，造成一些錫被刮掉并附著在金上，從而導(dǎo)致相同的化學(xué)反應(yīng)。
電纜屏蔽
工廠和辦公樓等嘈雜的環(huán)境充滿了電氣噪聲。電磁干擾 (EMI) 會(huì)嚴(yán)重影響電子設(shè)備的效率和運(yùn)行。布線可能會(huì)產(chǎn)生 EMI 或受其影響。正確的電纜屏蔽可以抑制或消除大多數(shù) EMI。在工業(yè)環(huán)境中，選擇具有適當(dāng)屏蔽功能的電纜非常重要，因?yàn)槿蘸罂赡芴貏e難以診斷 EMI 噪聲引起的設(shè)備問題。
電纜屏蔽有兩種類型。鋁箔屏蔽在工業(yè)和商用電纜中都很常見，并提供 100% 的覆蓋率。對于工業(yè)應(yīng)用，鋁箔面向?qū)Ь€的一側(cè)粘有一層薄薄的非導(dǎo)電膜，以便更好地與導(dǎo)線絕緣。為了提供足夠的屏蔽，鋁箔的厚度可能使電纜變硬且難以處理。一些商用電纜使用薄層鋁箔，足以滿足家用，但不能為工廠提供足夠的 EMI 保護(hù)。
編織銅線絲網(wǎng)屏蔽比箔屏蔽更容易使用，并具有更多的靈活性。但是，編織屏蔽通常僅提供 70% 至 95% 的覆蓋率。因此，許多高品質(zhì)的工業(yè)電纜使用薄鋁箔屏蔽和銅編織物的組合，在保持靈活性的同時(shí)提供出色的 EMI 保護(hù)。
電纜連接器在每個(gè)連接器處均提供屏蔽接地。務(wù)必在兩端都使用屏蔽接地，以實(shí)現(xiàn)最大的抗噪能力。
總結(jié)
在項(xiàng)目早期做好正確的布線選擇可以防止以后出現(xiàn)問題。與商用電纜相比，工業(yè)電纜品質(zhì)更高，具有更高的信號質(zhì)量和更長的使用壽命。工程師和技術(shù)人員應(yīng)仔細(xì)審查待用于工業(yè)應(yīng)用的電纜規(guī)格，以確保采購到合適的電纜，實(shí)現(xiàn)可靠性、長壽命和總擁有成本的最優(yōu)化。
