工業強度的纜線如何提升效率、可靠度和總持有成本

工業環境對於元件和設備的要求非常嚴格。往往需要投注相當多的心力來採購耐用的元件和電子系統，相較之下，設計人員在纜線與配線的挑選上就關注較少。然而，兩款看似相同的纜線在嚴酷的工業環境下可能表現大相徑庭。

本文先概要舉出纜線選擇不當的影響，再說明纜線要適合工業應用，需有哪些結構上的考量。接著列舉一些創新纜線解決方案的範例，可在嚴酷環境中以可靠且經濟實惠的方式，解決訊號傳輸所面臨的問題。

為何纜線的選擇如此重要

錯誤的纜線選擇，起初似乎還可正常運作，實際上卻從一開始就會導致訊號衰減和功率損耗。經過一段時間之後，還可能引發間歇的連接故障，且此問題是出名的難以排除，從而造成代價高昂的系統停機時間。這在高振動環境中可能格外令人困擾。同時，若纜線沒有適當的外護套材料，暴露在化學物質或極端溫度和實體濫用之下會使接線外露，容易導致短路和產生火花。

較好的解決方案是選擇適合應用的 IP67 或 IP68 工業級纜線。工業纜線是結構更加耐用的高品質纜線，相較於一般家用設計的商業級產品，經常採用品質更高的材料。雖然乍看之下這兩類纜線很相似，不過工業品質的纜線可應付更高負載，在耐受高溫、溶劑和液體的表現上，比起外觀類似的商用產品更強許多。同時也更能容忍彎折力、扭絞力和張力，較不耐用的纜線則會因此而受損。

從電子的觀點看來，選擇妥當的工業纜線，也可針對任何纜線長度，盡量降低其功率和訊號損耗。此外，這些纜線對於電磁干擾 (EMI) 的耐受力也增強許多。

在選擇高品質的工業級纜線時，瞭解纜線的結構相當實用。

中心導線

首先要考量的是中心導線的材料和直徑。導線直徑越大，纜線所能承載的電流越大，同時也能盡量降低距離增加時的訊號損耗。銅是導線的最佳導電材料。品質較低的纜線可能會使用鋁，這與銅相比是次級的導體。請務必自 DigiKey 等授權經銷商購買品牌纜線，因為儘管看起來與品牌纜線類似，實際上可能採用被覆銅的鋁導線。實心線比起絞線雖然是更好的導體，但實心線不容易彎曲，因此在許多情況下不夠實用。絞線因為更軟，所以較容易佈設。

外部的外護套

工業纜線要達到長使用壽命，外護套的材料和厚度非常關鍵。外護套越厚，對纜線的保護越佳。

纜線的外護套在工業環境中需要應付多種型態的嚴酷濫用，會讓纜線迅速劣化。日照，尤其是紫外線 (UV) 光，會導致外護套變色或裂開。溶劑包括機油、汽油和化學清潔劑，也會讓外護套溶解，造成故障。高溫會導致纜線縮短，這在較長的纜線長度上會是更大的隱憂。極端低溫會讓外護套變脆，導致明顯裂開，可能會造成外護套脫落和折斷。

外護套也必須禁得起實體濫用，例如在尖銳角落拉動纜線而產生的磨損效應。不恰當的外護套會導致纜線裂開，露出屏蔽或導線。厚聚氨酯因為耐磨損，因此是高品質纜線外護套的可靠選擇。聚氨酯也可耐受溶劑、溫度、光照及各種濫用。

防水往往被視為當然。雖然幾乎每條纜線似乎都能防水，實際上長期暴露在濕氣中也會導致纜線縮短。此情況難以判斷，尤其是技師在未發現誤差下仍舊以相同的商用纜線更換時。為預防此情形，針對絕大多數潮濕的環境，建議使用 IP67 工業級纜線。

就算再耐用的工業纜線，佈設纜線時仍應避開銳利邊緣。為避免拉伸纜線，針對要部署的長度，使用比足夠稍多一點的纜線。工廠和辦公建築因要求改變而需要重新佈線的情況並不算少見。

針對纜線可能浸水的極端環境，應選擇 IP68 等級纜線，例如 Amphenol Sine Systems 的 CA0162C22315012 四導線圓形纜線 (圖 1)。此纜線與連接器系統能耐受工業溫度範圍兩邊 -25 至 +100°C 的極端溫度。纜線的四條導線採用 14 AWG 絞線。

圖 1：Amphenol Sine Systems 的 CA0162C22315012 圓形連接器纜線採用粗 24 AWG 導線，具備優異傳導性。連接器的防拉裝置採用熱成型附著在纜線外護套上，以提供最大防護。(圖片來源：Amphenol Sine Systems)

纜線連接器和觸點

纜線與連接器的連接處是整個組件最受濫用之處。建議在將纜線連接器自插槽拔除時，務必拉連接器外殼，而非防拉裝置。然而，技師在匆忙中有時會改為拉防拉裝置。有時纜線連接器安裝在狹小空間，無法避免以拉防拉裝置的方式拔除連接器。若這樣對待商用纜線達到一定次數，導線可能自連接器的觸點脫離，導致間歇連接或完全故障。

針對這類情形，建議在纜線到連接器上使用堅固的外罩，例如熱成型防拉裝置，因為在插拔纜線連接器時可提供優異防拉保護效果，在嚴酷條件下也能將濕氣阻擋在外。

對一次固定在同一個插座上數月或數年的連接器來說，連接器的插拔次數通常並不重要。但是，另一個極端情形是工業測試設備用的纜線，一天內則會插拔數十次。挑選纜線時，其連接器可達到的插拔次數務必比實際需求多至少 50%。

有些極端的情況，則需使用具備獨特解決方案的創新產品。Rosenberger 製造一系列磁性自定位連接器，提供幾乎無限的插拔次數 (圖 2)。Rosenberger 纜線組件末端的磁性自定位連接器能輕鬆置入插槽，插入無需用力。磁性連接器系統能將纜線連接器自行引導至插槽中，插入時會發出扣入聲，絲毫不需人力。

圖 2：這些 Rosenberger 纜線組件末端的磁性自定位連接器能輕鬆置入插槽，插入無需用力。(圖片來源：Rosenberger)

Rosenberger 的 L99-838-1500 工業 USB 纜線組件針對即時診斷設備所設計。每一端各有一個簡單的磁性鎖定機制，能快速輕鬆地在相容插槽上插拔。這尤其適合用來維護在辦公大樓、工業控制和自動化系統，以及其他經常插拔的環境中用的診斷設備。

金、鎳和錫：磨損觸點細部

纜線連接器的觸點與纜線的電流容量和可靠度有關。鍍錫連接器在商用纜線上相當常見。對於高可靠度的工業纜線連接器來說，金是最好的選擇，因為黃金是優異的導體，不像銀或銅會氧化或腐蝕。然而，純金的價格高昂並不令人意外。更好的解決方案是使用鍍金鎳觸點，例如 Molex 的 1203410303 M12 CAT6A 工業用乙太網路纜線就有使用 (圖 3)。

業界標準 M12 連接器使用鍍鎳金觸點，優於純金觸點的地方在於耐用度增加、金屬穩定性提升，並且對腐蝕耐受能力高。

圖 3：Molex 的 1203410303 M12 CAT6A 工業用乙太網路纜線上的鍍金觸點可在工業環境中提供低電阻和高可靠度。(圖片來源：Molex)

雖然銅和銀是比金略好的導體，但在嚴酷環境下較容易失去光澤和腐蝕。金之所以成為適合工業環境的優異導體，是因為能耐受多種溶劑，並可在高溫下維持連接。基於這些和其他理由，需要高可靠度的工業應用建議使用金。

大多數情況下，金對金觸點連接可達到高可靠度、低電阻的連接效果。黃金則不建議用於配接錫等材質較軟的觸點，因為可能會出現磨損的情況。磨損是指當兩種不同的金屬互相接觸並發生化學反應，這會形成另一種材料，會增加連接的阻力。

另一種磨損情況是指當非常堅硬的金屬 (如金) 摩擦非常軟的金屬 (如錫) ，造成一些錫削落並附著在金上，產生與前述相同的化學反應。

纜線屏蔽

工廠和辦公大樓等多雜訊雜環境充斥著電氣雜訊。電磁干擾 (EMI) 會嚴重影響電子設備的效率和操作。纜線會產生 EMI，也會受其影響。使用正確的纜線屏蔽，就可抑制或者消除大部分的 EMI。針對工業環境挑選有適當屏蔽的纜線相當重要，因為日後設備由於 EMI 雜訊引起問題時特別難以診斷。

纜線屏蔽有兩種。鋁箔屏蔽常用於工業與商用纜線，能提供 100% 覆蓋率。在工業應用中，箔片接觸導線的那一面是附著在不導電的薄型表面上，以便與導電導線達到更好的絕緣效果。為了提供足夠的屏蔽，鋁箔需具備一定厚度，但會導致纜線較硬而難以處理。有些商用纜線使用一層薄鋁箔，雖然足以因應家庭用途，但對工廠來說，則無法提供足夠的 EMI 防護。

編織銅線網狀屏蔽較容易使用，且比箔片屏蔽更加柔軟。不過，編織屏蔽通常僅有 70% 至 95% 的覆蓋率。因此，許多高品質工業纜線會合併使用薄鋁箔屏蔽與銅編織，不僅提供優異的 EMI 防護，也保持柔軟性。

纜線連接器在各連接器處皆有屏蔽接地。務必運用這兩個屏蔽接地，以達到最大雜訊耐受性。

結論

在專案早期正確挑選纜線，就可預防之後發生問題。工業纜線具有比商用纜線更優異的品質，並擁有更高訊號品質和較長壽命的優點。工程師和技師應針對考慮用於業應用中的纜線，仔細檢查其規格，確保採購適當的纜線，以達到可靠性、長壽命和更低的總持有成本。