實體工業網路的安全性、效能和可靠性

乙太網路已經真正標準化，可以簡易連接，這是其優點之一。但如果組件選擇不當，則可能會在工業環境造成安全性、效能和／或可靠性的危險和風險。在控制面板、機器和設備中進行乙太網路佈線與其他電線和纜線的佈線一樣，需要針對動態環境條件制訂計畫。本文將會檢視常見和普遍的環境因素 (如 EMI 電磁干擾雜訊)、策略以及產品解決方案，以減輕和消除雜訊對乙太網路裝置效能的威脅。

控制面板中的 EMI 管理最佳實務

機器控制面板的外殼可提供 EMI 屏障，保護內部電路不受外部雜訊干擾。Panduit 的 工業乙太網路纜線組含有 Cat 5e 和 6A 工業級雙絞線纜線，適用於 UTP 和 STP 架設情況。每個纜線組均通過 UL、NEMA 和 IP 認可，可耐受輕微沖洗和短暫的浸水情況而無損效能，藉此確保可靠性。但是，內部電路也會產生 EMI。外殼內的元件可能面臨更大的風險，因為這類元件靈敏度高，且靠近這些內部 EMI 產生源。工業製程的控制項位於外殼內，因此即使元件已針對外部 EMI 進行防護，也需要進行其他額外的保護 (圖 1)。

圖 1：工業自動化系統外殼內部的 EMI 雜訊風險。(圖片來源：Panduit)

由於敏感元件靠近雜訊源，因此外殼內的 EMI 模式主要是電容和電感耦合。瞭解這兩種來源，有助於檢驗最佳實務並指明降噪產品如何提高設備的可靠性。

這兩種耦合模式皆非刻意，而是當流經一條電線的電流在磁場內的平行纜線上感應出電壓時，就會發生耦合。在高頻電路中，必須較注意電容耦合，而在高電流電路中，則必須較注意電感耦合。產生雜訊的強度可以使用連入受影響電線 (victim wire) 的示波器來測量 (圖 2)。建議採用多層方法來減輕 EMI，確保關鍵的通訊和控制基礎架構維持運作。這些保護層包括使用接地和搭接方法、隔離和分離電線、使用屏障、屏蔽纜線以及使用濾波器等。Panduit 的 PanelMax™ 屏蔽佈線管與雜訊屏蔽片可佈設、分隔並屏蔽敏感纜線，避免產生雜訊。這可讓各通路靠得更近，從而節省工業控制面板的寶貴空間。藉由此屏蔽，雜訊可降低高達 20 dB (EMI/RFI)，即雜訊電壓降低率 (NVR) 達 90%，這相當於敏感電線和產生雜訊的電線之間達到 6 in 的氣隙。

圖 2：EMI 類型、來源及減緩作法。(圖片來源：Panduit)

選定纜線中所使用的屏蔽類型與環境中預期的雜訊來源及雜訊類型有關。

在工業環境中，為網路通訊選擇合適的基礎架構很重要。一個常見的問題是「何時該使用屏蔽纜線及如何使用」。屏蔽纜線通常用於工業環境，可減少進入乙太網路纜線的不當干擾。非屏蔽纜線採用的是平衡雙絞線設計，雖能提供一定的抗擾度，但保護程度不及屏蔽纜線。這種「電氣平衡」可讓纜線將 EMI 的影響降到最低，平衡性越好，保護效能就越高。在干擾嚴重的工業區，使用屏蔽纜線可提供額外的保護。

何謂電氣雜訊？

屏蔽纜線主要應用於通訊佈線附近含有電氣雜訊源的環境。纜線的安裝環境將主要決定使用屏蔽纜線還是非屏蔽纜線。ANSI/TIA-1005-A 標準詳細說明了 MICE 等級 (機械／侵入／氣候-化學物質／電磁) 系統。Panduit 的 M.I.C.E 指南是一個有效的工具，可為量化環境壓力量 (例如每個分類的電氣雜訊) 提供有用的準則。

使用屏蔽纜線的原因：

• 公司規格或當地要求指定使用 - 某些垂直領域的製造公司和系統整合商已在具有挑戰性的環境中廣泛安裝網路纜線。這種已知「電氣雜訊」環境的情況最好透過公司規格和標準的相關文件來瞭解。這些公司常會在設計和工程文件 (最佳實務) 中列出相關要求和準則，說明何時為特定應用使用屏蔽纜線。

  適當的佈線基礎架構設計包括盡可能避免電氣雜訊區域以及使用最佳實務等，例如以 90 度交叉 AC 線路並將屏蔽纜線的屏蔽層正確接地。 

• 基礎架構位於廠區環境附近且數據傳輸非常重要 - 通常廠區環境附近都會設有數據傳輸線路，而這些線路會承受一定程度的環境壓力。企業級纜線通常不像工業應用級纜線那麼耐用。當應用暴露於不同類型的化學品、液體侵入以及電氣雜訊或需要彎曲時，最好是使用工業纜線來解決。在設計階段指定合適的纜線，可提高整體系統的壽命和效能。
• 動作控制和高速自動化應用 - 由於動作控制和高速自動化系統固有的雜訊環境，許多動作控制廠商都要求或推薦使用屏蔽纜線。這些系統是非常注重時間，且仰賴於每個資訊封包。即便只有幾毫秒的差別，也可能造成高速機器斷線或設備損害。在動作產生電氣雜訊的極端情況下，建議使用控制光纖。
• MICE (機械／侵入／氣候-化學物質／電磁) 等級達到 E₂ 或 E₃

圖 3：E₂ 或 E₃ MICE 等級反映了雜訊干擾的嚴重程度。MICE 等級系統是一個從 TIA-1005 標準衍生而來的有效工具，可為量化環境壓力量 (例如每個分類的電氣雜訊) 提供有用的準則。有關 MICE 的詳細資訊，請參閱 Panduit MICE 網站上的標準或 Panduit MICE 指南材料。(圖片來源：Panduit)

在工業環境中，EMI 和射頻干擾 (RFI) 形式的電氣雜訊很常見。這些形式的電氣雜訊會干擾乙太網路纜線的傳輸。電磁干擾的來源包括但不限於：電動馬達、變頻器、接觸器／繼電器、焊接、日光燈和無線電通訊。這些元件用於工業環境中，常經由電感性、磁性或電容性耦合影響網路佈線。另外，電氣雜訊也可透過共用節點接地來傳輸。不過，開發精心設計的實體基礎架構，並不需要在這些原理方面具備廣泛的知識。在進行實體隔離時，使用氣隙和／或隔離屏障雖然很有效，但在某些時候，乙太網路佈線仍會受到雜訊的影響。若要確定控制系統中的雜訊源，這可能極為困難，而且需要大量的測試設備和時間。因此，在設計實體基礎架構時，遵循最佳實務可以節省寶貴的時間和資源，同時確保更好的效能。接地和搭接系統是乙太網路通訊基礎架構不可或缺的一部分，但也不是那麼絕對可行。每個應用都有自己獨特的環境雜訊和接地情況，需要根據最佳實務和經驗來應對。不當的接地和搭接可能會產生雜訊，干擾乙太網路封包的傳輸。

如需屏蔽應用的更多資訊，請造訪 Panduit 的工業環境應用指南或下載降低控制面板的雜訊白皮書。如需 MICE 準則的更多資訊，請造訪 Panduit 的 MICE 登陸頁面。