工業自動化用客製化纜線

自動化不僅能節省勞力、能源和材料，同時還能提升準確度和品質。但有個潛在的弱點是，現今的工業機械和作業具有前所未有的系統複雜性，在傳輸功率、控制和運作資料方面，特別仰賴穩定的連接性。一旦此連接性遭到破壞，可能會導致重大的傳輸量中斷事件，並對機器或終端產品造成損壞，所費不貲。

因此，工業纜線解決方案必須能可靠連接自動化系統的所有控制項、感測器與致動器，才能將非預期維護作業降到最少，並維持自動化作業的可靠性。

圖 1：自動化環境中的工業纜線可用於配電，以及傳輸控制訊號和資料 (以進行數據採集和操作監控)。目前，結合這些功能的纜線組件正在興起，例如 Lapp USA 的 ÖLFLEX CONNECT 客製化纜線解決方案。(圖片來源：Lapp USA)

可靠的纜線不僅需要穩固的接地、傳導線股和連接器，而且還有許多其他的考量。例如，屏蔽電磁干擾 (EMI) 對於確保可靠的控制和資料傳輸十分重要。在移動的軸上，纜線也必須有足夠的撓性，才能承受數千次的彎曲。每個傳導線股周圍的絕緣體也必須堅固耐磨。

因此，對於要求特別嚴苛的工業自動化應用，客製化纜線已越來越常見。無論是屏蔽、絕緣、外皮耐用性還是尺寸方面，都有了新的選擇，可協助工程師量身設計出符合應用的纜線，以實現全面的最佳化。

工業自動化背景下的模組化纜線

模組化的纜線和連接器由工廠組裝，使用一組通常夾接或壓接在一起的標準化子元件，以提供快速且極其可靠的操作。也因此以模組化子元件為基礎的客製化纜線組件，在工業自動化中變得越來越普遍，建築等其他產業中也是如此。

相較於傳統的纜線組，模組化纜線能將現場安裝工作減少大約六至七成。這主要是因為使用模組化纜線組件時，工廠人員或整合商的技師不必實際連接電氣導線，並在現場執行測試和故障排除。事實上，對於大部分傳統的纜線安裝程序，電工都必須將纜線切至需要的長度、剝除外皮，並手工捻接。模組化纜線消除了這些繁瑣的工作，甚至能提升可靠性，因為所有的客製化、切斷、連接和終端表面處理，都是利用可重複的工廠製程進行。更重要的是，銷售客製化組件的供應商所提供的纜線，通常會先經過自動化測試，才會出貨。如此一來，應用專用的纜線在設計階段就會完全指明，現場安裝時只需要將這些纜線插入到機器組件內即可。

圖 2：此圖顯示使用客製化纜線組件時，電工不必在現場接線和測試。

採用屏蔽保護傳輸品質

由於需要傳輸功率、控制和資料訊號的系統變得日益複雜，現代的工業環境中都會產生電氣雜訊。因此，必須要為敏感性設備和訊號提供 EMI 防護。這些電路干擾是由電磁感應、靜電耦合和傳導造成的。事實上，電氣雜訊環境中的纜線可能需要屏蔽，以避免 EMI 的傳播，因為：

• 纜線可能會受到來自其他地方的 EMI 干擾
• 工業纜線本身可能就是 EMI 的來源
• 這些纜線可能會充當放射雜訊的天線

馬達、發電機、變壓器、感應加熱和電源纜線，都可能是高量 EMI 的來源。這些來源附近的控制和數據纜線將需要屏蔽。對於非常敏感的訊號，就算和 EMI 來源相距一段距離，可能也需要屏蔽。

事實上，屏蔽的形式可能是以籠子圍繞整個自動化作業、以金屬櫃或導管圍繞纜線，或是直接打造於纜線內 (如同本文所詳細探討)。

針對 EMI 的纜線屏蔽，可以透過法拉第屏蔽罩 (在纜線四周連續覆蓋導電材料)，或是法拉第籠 (纜線導體周圍的導電網) 來實現。前者通常以箔片打造，後者通常以編織電線打造。

箔片屏蔽罩通常含有薄鋁材，以提供低成本且撓性持續屏蔽，但是比較難以接地。

編織電線是編織的銅線網，更容易接地，但在某些情況下不能提供 100% 的覆蓋，因為小開口會讓高頻訊號穿透。因此，要讓法拉第籠發揮效用，網中所有的孔或縫隙，都必須明顯小於要阻隔的輻射的波長。有些製造商會在編織屏蔽電線上鍍錫，以改善對 EMI 的防護力。有些製造商則透過許多層屏蔽 (例如在個別對組之間設置，以及在整個纜線的周圍設置)，確保訊號在極嘈雜的環境中依然清晰。這種屏蔽可能比其他的選項更昂貴，且撓性更小。

屏蔽籠和屏蔽罩都是會反射電磁輻射的導體，可防止電磁輻射進入纜線的傳導線股內。纜線內的屏蔽層，通常置於導線周圍的絕緣層之間。然後，通常會將此屏蔽層接地，以便高效地分散電磁能量。

圖 3：Lapp USA 的 ÖLFLEX CONNECT SERVO 纜線，包含電力和數據連接性，以及連接器，可以更輕鬆地搭配 Siemens、Rockwell/AB、Indramat、Lenze 與 SEW 的驅動器和伺服馬達使用。這些纜線的 EMC 屏蔽，是由製造商以自動化流程完成，此流程會移除纜線外皮，並將屏蔽散佈開來，以和連接器 360° 接觸。(圖片來源：Lapp USA)

工業纜線絕緣體選項

絕緣體是圍繞著導線的非傳導性材料。除了防止電線間的傳導或接地傳導外，絕緣體往往還能防止磨損及液體入侵。務必注意，只採用絕緣體並不能阻擋 EMI，因為磁場和輻射會直接穿透絕緣體。以下是一些常見的絕緣材料。

聚氯乙烯 (PVC) — 這是一種便宜且常用的絕緣材料。PVC 的溫度範圍約為 -55° 至 +105°C，能耐抗常見的溶液和燃油。電容量和衰減會導致一些功率損耗。

半硬質 PVC (SR-PVC) — 耐磨性比其他選項更高；類似的夾層電纜聚氯乙烯 (夾層電纜 PVC) 材料，也具有優異的耐燃性。

聚乙烯 (PE) — 具有低電容量，非常適合高速資料傳輸。PE 不可彎曲且易燃，溫度範圍介於 -65° 至 +80°C。

氯化聚乙烯 (CPE) — 具有出色的耐熱性和耐火性，通常用於工業電纜和控制纜線中。

矽樹脂 — 這是一種高度抗熱 (甚至到 180°C)、阻燃且能彎曲的材料。

玻璃纖維 — 通常用於需要極高耐熱性的應用中，如晶圓代工廠和金屬加工，可在持續高達 480°C 的高溫下使用。

請注意，本文提供的作業條件僅為粗略指引。在將纜線用於某個特定的應用之前，設計工程師應始終參考纜線製造商的規格。

工業纜線外皮與護套

在某些纜線裡，電氣絕緣和外部保護的功能是分開的，每種功能都使用經過最佳化的材料。在此情況下，提供電氣絕緣的內層稱為絕緣體，提供保護的外層稱為護套。這既可增強耐用性，又可改善撓性。

為了提供專門的防護，可以使用不同的護套材料，以防止磨損、液體、高溫、化學品或微生物等威脅。一些常見的護套材料包括：

聚氨酯 (PUR) — 具有很高的韌性和撓性，並具有耐化學性、耐水性，以及耐磨性。但是，聚氨酯易燃。此材料電性不良，因此不適合用作絕緣材料。

尼龍 — 具有出色的韌性和撓性，並具有耐磨性和耐化學性。

氯丁橡膠 — 是一種合成的熱固性橡膠，具有出色的耐磨性、耐切穿性、耐油性，以及耐溶劑性。氯丁橡膠使用壽命長，常用於軍事應用中。

丁苯橡膠 (SBR) — 是一種熱固性材料，具有出色的耐磨性、耐油性，以及耐溶劑性。Mil-C-55668 纜線中採用了這種材料。

工業纜線中的線股排列

纜線內的各個線股可用數種方法排列，以提供不同的撓曲特性。

實心導線 — 包含一根粗電線，雖然成本低廉，但僵硬且較不耐用。

束絞 — 所有的線股都以相同的方向絞合在一起，製作相對簡單，但比實心纜線耐用。

同心絞 — 中心有一根電線，周圍有一層電線繞著此線絞合，而任何接續的線層會以交替方向絞合。這樣可以生產出適合自動化應用的平滑纜線。

繩絞 — 將多個束纜線以各種其他的方式絞合，這也是一種用於產生撓性纜線的設計。

最後關於工業纜線連接器的說明

工業自動化的纜線連接器跟纜線本身一樣，也能客製化。這個主題將在另一篇文章中介紹，並且將討論這些連接器的各種排列組合，以及壓蓋和握套選項。不過，值得留意的是，連接器越來越多地針對特定的元件進行專門化，例如前述的伺服馬達纜線。

此外，現今的纜線連接器提供高度專門化的設計，以保持對環境條件的抵抗力。連接器侵入抗性的定級方式和外殼一樣，都是採用侵入防護 (IP) 代碼。這些代碼由兩個數字組成，第一個數字表示對異物和灰塵的防護等級，第二個數字表示對液體的防護等級。第一個數字的範圍從 0 (不能防塵) 到 6 (完全防塵)。第二個數字的範圍從 0 (不能防護) 到 8 (持續浸入 1 m 深時可持續防護)。

另外，纜線連接器經過標準化的幾何形狀，也促成了規格的簡化。例如，資料傳輸所使用的纜線，越來越常使用模組化 RJ 連接器。請注意，RJ 在此處代表水晶頭，源自於其原本的電話系統應用。雖然嚴格來說，現代的模組化連接器實際上根本不是 RJ 連接器。這些連接器可以透過專用的壓接工具快速可靠地套入，以端接纜線。這些工具能透過單一操作，固定連接器並建立電氣觸點。雖然工廠組裝的纜線更可靠，但這讓工程師能高效便捷地在現場組裝纜線。此類型的連接器插頭，通常有個接片可將連接器穩穩固定在插槽中，且往往有個透明的塑膠主體，讓人能目視檢查內部的觸點。

圖 4：此處所示的第二個和第三個纜線連接器為 RJ 連接器。(圖片來源：Lapp USA)

如需深入瞭解本主題，請閱讀 DigiKey 的文章《適合工業應用的纜線：如何選擇與使用纜線，獲得成功的設計》，取得有關選擇工業纜線的一些指引。