針對工業通訊網路使用高速、耐用型乙太網路連接器

工業物聯網 (IIoT)，或稱為工業 4.0 驅動在嚴苛環境中作業的通訊網路需求。一般而言，這些網路的弱點在於其連接器。由於工業環境通常處於高熱、髒汙，且會有振動機具，這些都會對機械連結造成連續壓力，並且會降低可靠性。在現代廠房中，連接故障會讓情況更嚴重。不僅會因為生產停滯造成大規模財務危機，失效的安全連接也會讓人員受到嚴重傷害。因此，標準 RJ45 連接器需要有其替代品。

設計人員需要夠耐用的乙太網路連接器，無論最初置放的位置為何，都能符合現有工業標準和異物防護等級 (IP) 代碼。這些連接器必須能夠在 Cat 6A 乙太網路下可靠運作、速度高達 10 Gbps、支援乙太網路供電 (PoE)，以及能夠儘可能因應未來發展，在這些條件之下，還要能夠符合不寬裕的設計預算。

本文檢視工業通訊系統的需求以及合適的 IP 等級。接著描述工業乙太網路連接器的特點，探索如何符合這些要求，然後以 Amphenol 的實作解決方案做為案例，展示工程師如何在新專案中使用這些連接器。

工業網路需求

現代工業廣泛採用有線網路驅動「工業 4.0」(描述為「生產數位化」)，奠基於 70 年代末至 80 年代的運算領域。對主管人員而言，工業 4.0 能保證提高生產力、更高品質的產品、更低價格、提升安全性。對工程師而言，任務是要打造最穩健的網路，以支援現代製造。

居家和商業乙太網路的基礎架構一般建立於價格低廉的纜線和標準 RJ45 連接器，這些元件並非設計用於廠房應用。廠房環境更加嚴苛，纜線和連接器的選擇必須將下列壓力因素列入考量：

• 機械：衝擊、振動、壓碎、彎折、扭轉
• 化學：水、油、溶劑、腐蝕性氣體
• 環境：極端溫度、濕度、太陽能輻射
• 電氣：靜電放電 (ESD)、電磁干擾 (EMI)、高壓瞬變

工業纜線和連接器在整個網路的壽命中，必須能夠耐受最嚴峻的狀態。舉例而言，若纜線只能用於一般環境溫度，而隨後廠房環境重新安排，導致纜線在製程熱爐旁，因而接觸更高的溫度，則此纜線並不適用。

工業纜線具有更高等級的聚氨酯隔離層，能耐受磨損、化學物 (包含油) 和火。雖然聚氯乙烯 (PVC) 等絕緣體較便宜，但塑膠無法耐受油和化學物，且在低溫下容易脆化和破裂。

建立工業乙太網路

在低電氣雜訊的環境中，可能可接受使用無屏蔽的雙絞線。不過，弧焊機等工業裝置或切換式繼電器、AC 驅動器、螺線管等工廠電氣設備可能對無屏蔽的纜線造成干擾和訊號失真。若有疑慮，工程師必須謹慎地選用屏蔽纜線，以避免造成之後成本高昂的系統錯誤。廠房擴張之下，控制和電源纜線常會使用原為乙太網路通訊專用的管道。若是原本使用的乙太網路纜線無屏蔽，則可能會導致資料毀損。

採用箔片和銅編織的雙重屏蔽設計，是最有效預防資料毀損的解決方案。要確保適當屏蔽，工程師必須同時使用屏蔽的連接器並將此屏蔽終止接地。若此屏蔽未中斷，則可能成為天線，造成干擾問題加劇。

但即使纜線有屏蔽，遠距離傳輸時也會導致訊號減弱。實心導線纜線有較好的效能，並且可傳輸長達 100 m，但較會受到彎折或扭轉的損害。絞線對扭轉和彎折的處理能力較佳，但不應使用超過 85 m (圖 1)。

圖 1：實心導線乙太網路纜線需限制於 100 m 之內，絞線纜線則應限制於 85 m 之內。(圖片來源：Amphenol)

打造網路時，最小靜態彎折半徑為纜線外徑 (OD) 的四倍。這同時適用於實心纜線或絞線，以及屏蔽或非屏蔽纜線。若需要彈性，則不應使用實心纜線。絞線的規格書一般會標明最大撓性循環，通常會介於 100 萬和 1 千萬次之間，依彎折半徑而定。

纜線必須以紮線帶固定到位，但不可太緊，要讓纜線能在紮線帶內自由移動。若是太緊則會造成壓力點，導致導線故障。若是有多條纜線綑綁成束，也應在紮線帶中保持鬆弛。

大多數的調試錯誤源於現場配線 (由於維護雙絞線和正確終止屏蔽並非易事，且十分耗時)，因此建議使用廠房適用的模製連接器。

為未來設計

有線網路具備關鍵優勢 (例如速度、訊號完整性、安全性)，但在安裝和維護上卻很昂貴。網路設計人員應該要放眼未來，確保基礎架構能夠儘可能維持長久使用，且需要最少的維修作業。

乙太網路的發展顯示速度的增加勢不可擋。在未來，工業網路極有可能會由光纖基礎架構主導，提供 400 Gps 或甚至達到 Tbps 的速率。今日採用的銅線安裝，在網路中謹慎選用高等級的雙絞線纜線和連接器不僅為因應現有的 1 Gbps 速率，也為 10 Gbps 連接做好準備 (表 1)。

表 1：乙太網路速度和相關的乙太網路操作頻率，一般與傳輸量成比例。(圖片來源：DigiKey)

廠房網路也開始採用 PoE 的優勢，此項技術透過乙太網路纜線對相連的設備進行供電。PoE 使用單一標準乙太網路基礎架構，同時處理數十瓦特的電力。將技術中心化及提供更有彈性的本質，可消除針對每個需供電的裝置提供本機電源供應器，因此電源供應器置放的位置將不受限，並且能依隨後的需求更動擺放位置。

PoE+ 是 PoE 更新的形式，可以供應高達 25.5 W DC 至連接的裝置，並且允許連接高耗電設備，例如保全攝影機。(請參閱 DigiKey 的技術文章《調整乙太網路供電以滿足更高需求》。)

纜線和連接器必須匹配，以針對機械、化學、環境和電氣壓力達到相等的耐受性，同時也必須在功能性表現上相符。最大的操作特性是指元件在網路中的最小能力。舉例而言，Cat 6a 纜線搭配 Cat 6 連接器時，系統最大傳輸量為 1 Gbps，而非纜線的標稱最大傳輸量 10 Gbps。

工業網路用連接器

設計人員在建構工業網路時，仔細選擇纜線、佈線和乙太網路頻率非常重要，但在乙太網路中最大的設計挑戰卻是連接器。因為連接器是網路中最大的弱點，不僅可能會浸入水或塵土，也會因為乙太網路未使用絞線而僅有短期效能，因此對電氣雜訊更敏感。

設計人員需要針對廠房環境，做出不一樣的考量。舉例而言，由 IEC 標準 60529 制訂的 IP 代碼分類連接器由機械外殼和電氣密封提供的保護等級。代碼中的第一碼指明對固體粒子的防護 (介於無防護的 0 至塵密的 6)，第二碼指明對液體侵入的防護 (介於無防護的 0 至強大高溫水柱的 6)。

IP20 等級 (對手指和相似物體防護、無潮濕防護) 的連接器適用於乾淨、乾燥的廠房環境，常見於多數工業連接。舉例而言，Amphenol 的 ix Industrial IP20 連接器是高速、耐用、10 腳位元件，其封裝比傳統 RJ45 小 70%。

連接器製造商同常會提供更高防護的選項，用於更髒或更濕的環境，Amphenol 亦然。其 ix Industrial IP20 的延伸產品提供高達 IP67 (塵密、浸入高達 1 m 深度) 的產品，用於非標準產品。

網路設計人員應著重於減少連接器數量，尤其是兩端均為公端連接器的纜線組。這種纜線組很容易讓非工程人員進行延伸，進而對整體網路的效能造成破壞。此外，標準的實踐方式應為所有固定連接器均為母端。

Amphenol 配合其他製造商，提供公端纜線，以及三款固定式的母端安裝：垂直插座用於隔板、直角垂直 (ND9AS1200)、水平 (ND9BS3200) 插座用於電路板安裝 (圖 2)。電路板安裝型號提供表面黏著 (SMT) 或通孔式類型，可輕鬆焊接至基板。

圖 2：Amphenol 的 ix 工業連接器提供多種插頭和插座，用於纜線、隔板和電路板應用。(圖片來源：Amphenol)

公端型號可獨立提供 (ND9AP5200) 或做為纜線組的一部份 (ND9ACB250A)，長度介於 500 至 2000 (mm)。

若要確保連接器的品質是否相符，建議可檢查是否符合 EC 60512 和 IEC 61076 標準的要求。IEC 60512 描述機械和電氣測試，以及連接器搭配電氣和電子設備使用時的閾值。此標準涵蓋機械因素，例如插拔力、振動耐受程度，以及最大配接循環；電氣因素則涵蓋觸點造成的電阻、屏蔽、隔離。

Amphenol ix 工業連接器設計用於提供耐用、小型化的乙太網路介面 (相容於相關 IEC 標準)，並具相較於標準 RJ45 連接器，節省空間高達 75%。此連接器的間距為 10 mm，並具有兩點金屬閂鎖，提供 Cat 6A 效能高達 10 Gbps 乙太網路通訊、PoE/PoE+ 能力，以及 360° 的 EMI 耐受性屏蔽。

電路板連接器具有耐用的焊接接片，能固定並足以抵擋衝擊和振動，提供可靠的連接。可耐受高達 5000 次配接循環。

表 2 和 3 詳細說明 ix 工業系列如何展現 IEC 60512 標準的效能。

表 2：從電氣方面來看，ix 工業乙太網路連接器可以處理高達 1.5 A，並且符合 IEC 60512 要求。(圖片來源：DigiKey)

表 3：ix 工業連接器的機械效能可符合 IEC60512 和 60068 要求。(圖片來源：DigiKey)

IEC 61076 更著重於涵蓋 10 向、屏蔽式、自由和固定式矩形連接器，用於資料傳輸，且頻率高達 500 MHz。此文件敘述常見尺寸、機械、電氣和傳輸特性，以及工業網路的環境需求。

IEC 61076 特別識別用來決定連接器極化鍵和鍵槽的位置。Type A 連接器用於 100 Mbps 至 10 Gbps 的乙太網路通訊。Type B 連接器用於所有其他非乙太網路應用，例如訊號傳輸、序列或其他工業匯流排通訊系統 (圖 3(a) 和 (b))。

圖 3：IEC 61076 標明資料傳輸的極化和鍵槽。Type A (a) 在接收器右下角使用 45° 角 (看向配接面)。Type B (b) 的 45° 切角則為於接收器的左上角。(圖片來源：Amphenol)

結論

現代廠房的建造涵蓋通訊網路以數位化製造，達到更高生產力和更低成本。連接器和纜線組成這些網路，因此不僅需要足夠耐用以因應嚴峻的工業環境，也需要能夠適用於未來的高速通訊和 PoE 需求。

Amphenol 等廠商提供工業級纜線和連接器解決方案，其設計用於精確符合這些挑戰和工廠預算。這些解決方案確切符合工業連接器標準，並且具備支援高速網路效能、延伸壽命、最小維修等特點。不過，如同前述，設計人員需要瞭解相應的標準以及連接器的電氣和機械限制，才能適當運用於 IIoT (工業 4.0) 網路設計中。