如何在長距離工業自動化部署中確保 Gigabit 乙太網路訊號完整性

雙絞線乙太網路佈纜已是成熟且可靠的技術，多年來提供可靠的 10Base-T 和 100Base-T 數據傳輸率。不過，隨著高速乙太網路傳輸量達到 1 Gbit/s 以上，設計人員必須面對實際狀況，即訊號因纜線的不一致，導致對干擾、串音、阻抗損耗、反射訊號造成的回波損耗，以及衰減較敏感。

在工業自動化設施中，隨著纜線長度增加，更加凸顯此問題。乙太網路纜線在佈線時的扭轉和彎折更添加其複雜性，在機器人和其他機械應用中亦然。重複彎折可能會分離雙絞線、折損纜線的電氣效能。這會導致訊號衰減，造成訊號斷續，並且會隨時間更嚴重。這類型的錯誤非常難以辨識及排除，會導致長期且昂貴的系統停機時間。

本文討論透過雙絞線傳輸高速數位乙太網路資料面臨的挑戰。接著解釋黏合對乙太網路纜線如何為高速乙太網路資料在長距離傳輸中提供一致的效能，包含降低訊號耗損和避免實體破壞。接著會介紹兩款 Belden 的黏合對乙太網路纜線，並且展示如何運用於工業環境，確保乙太網路訊號完整性。

可靠的傳送 Gigabit 乙太網路資料

標準乙太網路纜線透過雙絞線銅導線傳輸資料在過去，較便宜的纜線可能只使用兩條雙絞線，但現代慣用的乙太網路纜線具有四條雙絞線，用於高速資料傳輸和乙太網路供電 (PoE)。所有乙太網路纜線都會有一些訊號衰減的情況，原因為纜線結構、纜線長度、干擾、訊號傳輸率。若以超過 10 m 或更長的纜線高速傳送資料，只能由纜線結構預防訊號過度衰減。

大多數商業和低速工業乙太網路纜線使用雙絞線和銅絞線。銅絞線有極高撓性並且容易使用。此類纜線可以沿角落彎折，並且黏貼在地板或安裝點上固定。不過，銅絞線的電阻值比實心銅線更高，長距離時此一特性更為明顯。因此實心銅線更適合用於高速資料傳輸；高速資料傳輸使用的電壓較低，其電線電阻讓高速資料對訊號衰減和資訊損耗更敏感。針對 PoE，實心銅線比銅絞線可以承載較多電流並產生較少熱，因此更合適。

實心銅線的缺點在於不具有良好撓性，相較於銅絞線，較不能彎折，因此在佈線時需要更多心力。

雙絞線乙太網路纜線 RJ45 插頭上的接收器和傳輸器有特性阻抗。一般而言，此阻抗為 100 Ω，並且沿著纜線需一致。阻抗會受到雙絞線內兩條導線中心距離的影響。較重物體或是拉伸或擠壓造成的壓力可能會分離雙絞線，在某些區段改變中心距離。纜線阻抗會因此變化，進而造成訊號衰減。在 10 Mbits/s (10Base-T) 或 100 Mbits/s (100Base-T) 速度下可能不會很明顯，但在 Gigabit 速度下 (1000Base-T) 會導致資料耗損。

串音是另一個訊號衰減的原因。兩條高速電線平行運作會導致兩條導線都會在另一條導線上產生電流，這是串音最糟的狀況。為了減少串音和訊號損耗的風險，會採用自行屏蔽雙絞線。不過，如同阻抗損耗，若雙絞線的兩條電線由於纜線受到外力而推出或移出位置，會增加雙絞線之間的串音，降低訊號可靠性。

阻抗損耗和串音，加上纜線長距離傳輸的電阻，導致訊號傳回來源反射的回波損耗。雖然已預期回波損耗，且在端子使用迴聲消除進行補償，但過量回波損耗是嚴重的問題，導致斷續訊號損耗。這個問題可能很嚴重，除了難以診斷，還會導致長停機時間。此問題在高振動工業環境中會加遽，這是由於乙太網路纜線的位置會移動，導致電氣特性改變，造成資料訊號出現問題，但是當振動或移動停止時則會神秘的消失。

黏合對乙太網路纜線

如上所述，阻抗損耗、串音、回波損耗會受到雙絞線纜線沿線不一致的中心間距離嚴重影響。針對高速乙太網路連接進行路由的設計人員而言，Belden 推出 10GX CAT6 和 CAT5E 黏合對模組化乙太網路纜線，適用於 Gigabit 乙太網路，可解決此問題。

黏合對纜線維持雙絞線導線的固定纜線中心距離，透過實體方式連接導線，避免任何暫時分離 (圖 1)。這能大幅降低阻抗損耗和串音。

圖 1：圖左是非黏合雙絞線，會因為電線扭轉或彎折產生縫隙，改變導線中心距離。圖右是黏合雙絞線，儘管儘管施加外力，依然維持其中心距離。(圖片來源：Belden)

Belden 黏合對乙太網路纜線也使用實心銅線於雙絞線，降低電阻值。此外，實心銅線相較於 PoE 應用的銅絞線，可達更大功率和更低損耗。可透過降低纜線電阻，減少熱生成提升安全性。

整體而言，降低纜線電阻、降低阻抗損耗、最小化串音，可大幅提升 Gigabit 乙太網路的資料完整性，即使在嚴峻環境中亦然。

針對 Gigabit 乙太網路跳接線，Belden 提供 C601106010 10 ft 黏合對乙太網路纜線組件 (圖 2)。此 CAT6+ 纜線組件具有四對黏合雙絞線，採用 24 AWG 實心銅線。末端為 RJ45 插頭，具有彈性體外罩，模製於 (PVC) 外部襯套內，形成穩固的防拉裝置，可防止分離。這也能避免在雙絞線的 RJ45 端子扭轉或分離，以及提供水和灰塵的防護。

圖 2：Belden 的 C601106010 乙太網路纜線端子為兩個 RJ45 插頭，具有彈性體護罩防拉裝置、模製的 PVC 襯套，可保護端子免受水及灰塵的侵害。(圖片來源：Belden)

藍色乙太網路纜線直徑為 5.715 mm，典型用於乙太網路纜線。由於黏合對和實心導線不會讓纜線組件笨重，C601106010 非常適合任何需要使用商業纜線的路由應用。

纜線組件的電流額定值為每觸點 1.500 A。結合 Gigabit 速度，C601106010 非常適合工業 PoE 應用，例如機器人和工業物聯網 (IIoT) 端點。最大接觸電阻為 0.020 Ω，在 1.500 A 產生 0.300 W 的熱，是工業應用可以接受的值。

此 CAT6+ 纜線組件適用於 1000Base-T 應用，並且具有 -10°C 至 +60°C 工作溫度，因此非常適合具有寬溫度極端值的高速工業自動化應用。

針對更長距離，Belden 提供 CA21106025 25 ft 黏合對乙太網路纜線組件。此 CAT6a 纜線組件具有與 Belden C601106010 相同的基本電氣規格，以及與圖 2 相同的端子。不過，由於 CA21106025 纜線更長，更容易受到外部干擾：超過 25 ft 的 Gigabit 速度纜線會表現得像天線，可能會從周圍電子裝置中拾起電磁輻射。為確保訊號完整性，CA21106025 具有鋁箔外部屏蔽。因此其直徑為 6.731 mm，稍微大於商業纜線，但還是符合纜線導軌和常見路由方式的容差。

採用此屏蔽，Belden 的 CA21106025 纜線組件達到 10GBase-T (10 Gbits/s)，因此非常適合超高階工業自動化應用，以及在設施中串流高解析度視訊。

結論

Gigabit 乙太網路將更高的資料傳輸率帶入工業自動化設施。更高的傳輸率也提升了干擾、串音、回波損耗的風險，這些會造成資料連接斷續。特別是在工業應用中，此類應用的纜線可能會因重複彎折導致其電氣效能損耗。

使用黏合雙絞線乙太網路纜線，可確保固定中心距離，設計人員可以更安心地在更長距離使用運用高速，同時符合 PoE 要求，進行網路升級和新部署。