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

工業物聯網 (IIoT) 十分仰賴纜線在工業機器之間，以及在工廠產線、IT 和雲端之間傳輸數據、命令和電力。然而，在產線連接纜線時，由於實體、環境和電氣危害等各項因素，需要仔細選擇和佈設纜線。設計人員必須處理複雜的組合，在效能與成本之間權衡。

本文將檢視工業環境和 IIoT 在佈線方面的挑戰，並且探討商用現貨 (COTS) 與工業佈線解決方案之間的差異；然後說明選擇恰當的纜線為何能提升效能並降低總持有成本 (TCO)，這是 IIoT 規劃的一項重要指標。

本文將會提出兩個應用範例：使用變頻器 (VFD) 纜線連接工業馬達和佈設工業用乙太網路。這兩項應用範例足以說明纜線在工廠的不同應用層面，即高功率運作和高速數據網路。

工業環境對纜線極不友善

工業安裝環境包含製造設施、油氣處理廠、煤礦場、廢水處理廠，以及隧道和地鐵等交通運輸系統。這些環境對纜線來說相當不利。纜線面臨的危害包括化學物質、紫外線 (UV)、濕氣侵入、衝擊、極端溫度以及振動 (圖 1)。而同時，纜線必須確保訊號完整性並將訊號損失與 EMI 效應降到最低。

圖 1：工業級纜線必須在面臨各種工廠危害的情況下維持訊號完整性。(圖片來源：Belden)

纜線若故障，不但會危及操作人員的安全，還可能會造成品質問題和極高的成本，例如每停產一分鐘可能損失數千美元。

纜線在工廠受到的機械性危害包括碰撞、磨損、衝擊、拉扯及振動。此外，許多工業應用為動態運作，例如多軸機床、機器人、風力渦輪機、拾放機器、自動化處理系統及輸送帶系統等。這些應用使用的纜線必須能承受數十萬次的重複撓曲。

侵入性危害則包括濕氣、化學物質及塵埃。許多產業都會使用強效的化學物質，因此，纜線必須能在長期暴露下維持效能。以食品與飲料加工為例，為符合嚴格的衛生要求，必須定期使用高壓水和腐蝕性化學物質清潔設備。纜線如果設計不良，液體有可能滲入導線。

無論是安裝在室內還是戶外，工業佈線經常都會接觸到這些元素。產生的危害包括極端的高低溫、紫外線輻射 (陽光) 及濕氣，甚至動物嚙咬或樹根入侵。

工業電氣環境包括強電流、高電壓、不當接地，以及來自電弧焊機、鍋爐及 HVAC 設備的電磁干擾。升級工廠時，受限的空間還可能導致新鋪設的纜線太靠近馬達和發電機等雜訊源。

將上述的工業環境危害與典型商業環境危害進行比較。商業的安裝環境 (如辦公空間、伺服器機房及住家) 通常會使用 HVAC 系統控制空調，能讓纜線的環境維持在恆定的溫度和濕度。多數設施會從天花板上方 (夾層) 走線，或將纜線佈設在牆內並維持數年不動。標準的商業環境通常能避免微粒、液體和極端溫度，因此，商業用纜線不會接觸到塵埃、濕氣、化學物質、極端溫度或紫外線輻射。

COTS 纜線是針對其使用環境而設計，因此，在工業應用中若使用商業用纜線，將會導致失效率升高、生產損失以及成本增加，同時還有損安全性。對這兩種類型的纜線進行一連串標準測試和比較之後，顯示工業級產品的效能更加卓越 (圖 2)。

圖 2：在相同測試下，工業級纜線的效能更佳。(圖片來源：Belden)

纜線構造

如圖 3 所示，纜線由數個攸關其整體效能的重要元件構成；包括： 

• 纜線導線
• 纜線絕緣體和纜線護套
• EMI 屏蔽

圖 3：一系列 DataTuff 工業用 Cat 5e 乙太網路纜線展現出多項設計上的改進，可提升纜線的可靠性和效能。(圖片來源：Belden)

纜線導線

一般使用兩種電線在纜線中傳輸電力或電氣訊號：實心線及絞線。各有其特性。

顧名思義，實心纜線的導電路徑為單線結構，且通常為銅。一般而言，實心纜線比絞線纜線便宜，在同等電流下的直徑也比較小。實心電纜因電阻較低而具備優異的電氣效能，但柔軟性不佳，故不太適合用於機器人等動態機械。

在絞線纜線中，導線是由多條線材絞合在一起，形成較大且較粗的電線。絞線纜線因柔軟性佳，是在有振動問題，或需要經常撓曲和彎折的應用中最佳的選擇。

導線絕緣體和纜線護套

用於包覆導線的塑膠，除提供絕緣之外，也作為介電質。其介電常數和耗散因數會影響訊號傳輸 (圖 4)。具體地說，介電常數可衡量纜線的電能貯存能力，此常數是能量在絕緣體內傳輸的速度的函數。耗散因數則可衡量介電質損耗 (吸收) 能量的速率。降低這兩項參數中的任何一項，都能獲得更好的訊號傳輸。

圖 4：常見纜線絕緣材料性質的比較。介電常數和耗散因數愈小，訊號傳輸愈佳。(圖片來源：Texas Instruments)

許多工業用纜線都會為導線加上屏蔽，藉此減少電氣雜訊及干擾。編織屏蔽和箔片屏蔽是兩種最常見的類型。箔片屏蔽可 100% 覆蓋但較難進行端接，且相對較高的電阻使其無法提供良好的接地。編織銅屏蔽覆蓋率雖然僅有 60% 至 85%，但較大的質量可提供更好的導電率，同時較易端接，並實現良好的接地。

在嚴苛的 EMI 環境中，組合型屏蔽 (箔片/編織) 可提供最高程度的保護。例如，Alpha Wire 生產的纜線就同時具備三層箔片屏蔽 (鋁／聚酯／鋁) 和鍍錫銅編織屏蔽 (圖 5)。

圖 5：屏蔽可以是箔片屏蔽 (底)、銅編織屏蔽 (中)，也可以是效能更佳的組合型屏蔽 (上)，即箔片屏蔽 (鋁／聚酯／鋁) 再加上鍍錫銅編織屏蔽。(圖片來源：Alpha Wire)

纜線護套可在纜線的安裝和服務期間，保護底層導線不受到機械、濕氣和化學物質等因素造成的損壞。另外，護套能提升纜線的防火能力、預防其受到紫外線輻射的傷害，同時還能方便操作人員安裝。

帶鎧裝護套的纜線可避免電線和屏蔽層受到擠壓，其技術結構包括鋁質聯鎖式護甲及鍍鋅的鋼絲外皮。 此外，鎧裝纜線還可包括一個以 PVC 或類似材質包覆金屬的護套，確保纜線和護甲完全隔絕腐蝕性蒸氣和濕氣。

標準的纜線選項包括鋁質或鋼質聯鎖式護甲，以及經最佳化設計，可用於埋地或室外用途、抗汽油、高彈性，或耐高低溫操作條件的纜線。

許多製造商在高效能纜線中加入了其他專有特色。例如 Belden 的 DataTuff Cat 5e 工業用乙太網路纜線，採用專有的 Bonded-Pair 結構，可消除導線對之間的間隙，獲得一致且穩定的電氣效能。

應用範例：佈設乙太網路

乙太網路在工廠中已使用多年，最近其用途也擴展到高電壓 (大於 600 V) 機器控制應用。此類應用以安全性為首要設計考量。雖然不用承載高電壓，但這些應用使用的控制纜線仍需符合美國國家電氣法規 (NEC) 標準，導致 600 V 乙太網路纜線的需求增加。

Molex 的 Flamar 系列就是個很好的範例。這些纜線專為工業自動化所設計，具備 600 V 的能力，提供一般控制應用、伺服馬達控制及網路佈設等多種版本。這些纜線可抗焊渣及油，不僅與 Ecolab 的食品衛生標準相容，而且還符合美國安全檢測實驗室公司 (UL) 的抗油 II 合規性標準。

電信行業使用的纜線有自己的工業廠房環境標準 (ANSI/TIA-1005-A)。此標準定義了四種等級的環境分類，包括機械、侵入、氣候／化學物質及電磁 (MICE) 耐受性。這些分類的每種類別都是以嚴重性進行分級：即 1、2 或 3 級。商業建築的環境規格通常為 M1I1C1E1；此標準中最嚴苛的環境分類則是 M3I3C3E3。

在選擇標稱值符合頂級要求的纜線 (例如 Cat 5e 乙太網路) 時，設計人員應該仔細比較纜線規格。雖然在不同價格區間中可以找到多款看似能滿足頂級應用的纜線，但仔細評估後，就會發現在規格上的差異。

例如 Belden 的 7928 和 7939，這兩款都是工業用 Cat 5e 操作等級的 8 導線 DataTuff 纜線，但是建議的應用卻有所不同。原因在於它們在結構上存在細微的差異，7928 雖然效能高於 7939，但其生產成本更高 (表 1)。

表 1：Belden 的 7939 和 7928 都是 8 導線 Cat 5e DataTuff 纜線，但細微的結構差異讓 7928 在某些效能上更優越。(資料來源：Belden)

與 7939 的 PVC 絕緣體相比，7928 的 FEP 絕緣體使該纜線能在更高溫度下運作。與 7939 的絞線導線相比，7928 纜線的實心銅導線使每英尺的直流電阻 (DCR) 更佳，而且每英尺的最大電容更低。這些電氣差異使得 7928 具備更低的延遲性及更高的傳播速度。

兩者在高頻效能規格上也有差異。7928 纜線的工作頻率最高為 350 MHz，而 7939 則為 100 MHz。此外，7928 在較低頻率下的效能也更佳。

兩種纜線不但存在明顯的效能差異，它們在成本上也存在差異。任何一款纜線都可能符合特定應用的基本規格，但較高品質的纜線將在運作中提供額外的效能及可信度。

應用範例：VFD 纜線

馬達可將電能轉換成機械運動，數十年來都是工業操作的重要元件。馬達類型包括刷式和無刷式直流 (BLDC) 馬達、交流 (AC) 馬達和步進馬達，每種類型都有其獨有的特徵效能和驅動特性。

VFD 脈衝串列的特性

VFD 可透過脈寬調變 (PWM) 精確控制 AC 馬達的速度和扭矩。VFD 廣泛用於生產製程，但是切換式驅動訊號的特性對於選擇合適的纜線而言至關重要，這關乎能否取得最佳的效能和較長的工作壽命。這些特性包括：

• 駐波：VFD 纜線的阻抗值約為 85 到 120 Ω。VFD 馬達的阻抗值則更高，通常為數百歐姆。當 PWM 脈衝串列達到馬達的較高阻抗，就會反射極大部分的電能。駐波會將纜線上的電壓增加二至三倍，導致絕緣能力下降，最後甚至失效。
• 電暈放電：導線四周的密集電場會將導線間的空氣離子化，造成能量放電。電暈放電會讓纜線的絕緣材質劣化並損壞屏蔽。另外，這種放電也會損害驅動器電子元件且浪費電力，甚至產生足以融化絕緣體的熱量。
• 諧波失真：任何訊號都含有在其工作頻率下的能量，以及在該頻率不同倍頻下的能量 (諧波)，進而導致波形失真。較高諧波下的能量會增加纜線內焦耳損失並導致熱量堆積。
• 湧入電流：啟動電源時，馬達可能會汲取非常高的電流。多數的 VFD 控制器會透過慢慢提升馬達速度來限制最大啟動電流，但是纜線仍須具備處理初始突波的能力。
• EMI：快速切換數位脈衝會產生電磁干擾。上述能量可能會轉移到其他的電路，造成訊號衰減、假訊號以及其他問題。

在選擇 VFD 纜線時，有一點非常重要，即需要瞭解整個驅動系統及所需的電流容量，也許還需要預留一些容量，為將來的擴容做準備。與結構級纜線相比，高效能 VFD 纜線有更卓越的接地和屏蔽能力，能夠提供更穩定可靠的連接。以下列出一些可改善 VFD 效能的祕訣和重要建議：

• 接地系統應該針對最低的可能接地路徑阻抗設計。在接地路徑中，有額外銅材的纜線 (假設為 300% 接地設計)，可確保限制潛在有害的共模電流 (CMC)，並能將其回流至驅動器而不會產生不良效應。
• 選擇專為高頻操作設計的鍍錫銅導線以防止腐蝕，並選擇絞線數量高的導線以增加表面積。
• 選擇低電容、高介電強度的纜線。熱塑性高熱尼龍塗層 (THHN) 結構級 VFD 纜線，具有較高的纜線充電損耗，而且建立反射波電壓的速度也較快。此類纜線的絕緣強度，約為採用熱固性絕緣體 (如交連聚乙烯 (XLP)) 的高等級導線的三分之一。與 THHN 相比，XLP 還能提供更好的抗電暈放電。
• 屏蔽材料對雜訊效能影響很大。低阻抗屏蔽能夠降低電流反射，並提升系統可靠性。相反地，未屏蔽的纜線可能會產生天線作用，成為輻射放射來源。屏蔽需要具備最大表面積，才能獲得最好的高頻效能。如上所述，雙銅膠帶或編織屏蔽具有最佳的屏蔽效能。

Alpha Wire 的 V-Flex 纜線專為高效能 VFD 應用而設計，例如機器人、輸送帶以及其他重複或連續動作的機器。此系列具備七種纜線設計，採用 4 AWG 至 16 AWG 的鍍錫銅絞線，含 TPE 護套，同時還增加了柔韌性，更加方便佈線和處理。以 VF16006 BK005 纜線為例，這是一款四導線纜線，採用 6 AWG 電線及箔片／編織屏蔽 (圖 6)。

圖 6：Alpha Wire 的 VF16006 BK005 纜線專為 VFD 應用而設計。此纜線的每條導線最高可承載 52 A 電流，並使用箔片／編織屏蔽。(圖片來源：Alpha Wire)

此纜線可抗油和紫外線，工作溫度介於 -40°C 至 +90°C，能承載最高 50 HP 的驅動器，而且每條導線的滿載電流達 52 A。

結論

針對特定應用，設計人員通常可選用數款不同價格的纜線，而且每款似乎都能滿足頂級規格。然而，在商業和工業操作環境之間有很大的差異。本文說明了商用和工業用纜線的結構差異，並探討了兩種常見工業應用的佈線要求。

如本文所示，與商用纜線相比，工業用纜線同時具有明顯和不易察覺的改進，但其在工廠的使用壽命絕對物超所值。