【導讀】自動化不僅能節省人力、能源和材料，同時還能提高精度和質量。但一個潛在的弱點是，當今的工業機械和操作具有前所未有的系統復雜度，特別依賴于穩定的連接性來傳輸電力、控制和操作數據。一旦這種連接性遭到任何破壞，可能會導致重大的生產中斷及昂貴的機器或最終產品損壞。
有鑒于此，為了最大限度地減少計劃外維護及保持可靠的自動化操作，工業電纜解決方案的可靠性至關重要，以便穩定地連接自動化系統中的所有控制裝置、傳感器和執行器。
圖 1：自動化環境中的工業電纜用于電力配送，以及控制信號和數據的傳輸（用于數據采集和操作監控）。目前，結合這些功能的電纜組件正在興起，例如 Lapp USA的?LFLEX CONNECT定制電纜解決方案。（圖片來源：Lapp USA）
可靠的電纜需要堅固耐用的接地、導線線束和連接器；還有許多其他考慮因素。例如，屏蔽電磁干擾 (EMI) 對于確保可靠的控制和數據傳輸至關重要。在動軸上，電纜還必須具有足夠的柔韌性，以承受數千次彎曲。每根導線線束周圍包裹的絕緣層也必須堅固耐磨。
因此，對于要求特別嚴苛的工業自動化應用，定制電纜變得越來越普遍。無論是屏蔽層、絕緣層、護套堅固性還是外形尺寸，都有了新的選擇，這有助于工程師根據其應用量身定制電纜，以實現全面優化。
工業自動化環境中的模塊化電纜
模塊化電纜和連接器是工廠組裝的產品，使用一套通常壓接或卡接在一起的標準化子組件，以實現快速和極其可靠的操作。在工業自動化以及建筑等其他行業中，基于模塊化子組件的定制化電纜組件越來越普遍，這并不奇怪。
與傳統電纜套件相比，模塊化電纜可使現場安裝工作量減少約 60%至 70%。這在很大程度上是因為模塊化電纜組件使工廠人員或集成商技術人員無需實際連接電線，也無需在現場進行測試和故障排除。實際上，大多數傳統電纜的安裝過程都要求電工將電纜剪成所需的長度，剝去護套，并進行手工捻接。模塊化電纜消除了這些繁瑣的任務，甚至能提高可靠性；原因還是所有的定制、切割、連接和最終處理均通過可重復的工廠加工工序來執行。更重要的是，從銷售定制組件的供應商處采購的電纜通常會在電纜發貨前經過自動測試。這樣一來，在設計階段就可以完全指定應用特定的電纜，現場安裝時只需將這些電纜插入機器部件即可。
圖 2：定制電纜組件使電工可以免于圖中所示的現場布線和測試作業
采用屏蔽保護傳輸質量
隨著涉及電力、控制和數據信號傳輸的系統越來越復雜，現代工業環境的電氣噪聲越來越大。這就是必須對敏感設備和信號進行 EMI 保護的原因。這些電路干擾由電磁感應、靜電耦合和傳導引起。事實上，電氣噪聲環境中的電纜可能需要屏蔽以防止 EMI 傳播，因為：
● 電纜可能會受到來自其他地方的 EMI 干擾
● 工業電纜本身可能會產生 EMI
● 電纜可能會以其他方式充當輻射噪聲的天線
電動機、發電機、變壓器、感應加熱和電力電纜都可能是高水平 EMI 的來源。這些 EMI 源附近的控制和數據電纜將需要屏蔽。對于非常敏感的信號，即使與 EMI 源有一定距離，也可能需要屏蔽。
實際上，屏蔽的形式可以是包圍整個自動化操作的籠子；圍繞電纜的金屬柜或導管；或者直接內置在電纜中（如本文詳細論述）。
電纜上的 EMI 屏蔽方法可以是法拉第屏蔽罩（電纜導線周圍連續覆蓋的一層導電材料），或是法拉第籠（圍繞電纜導線的導電網）。前者通常由箔制成，而后者則由編織線制成。
箔屏蔽通常由薄鋁制成，可提供低成本、高柔性的連續屏蔽，但較難接地。
編織線是銅線編織網，較易接地，但在某些情況下不能提供 100% 的覆蓋率 — 因為小孔可以讓高頻信號穿透。因此，為了使法拉第籠有效工作，網中的所有孔或間隙必須明顯小于要阻擋輻射的波長。有些制造商在編織屏蔽線上鍍錫，以改善 EMI 保護效果。另一些則通過多層屏蔽（例如在各個線對之間以及整根電纜周圍），確保在非常嘈雜的環境中獲得干凈的信號。與其他選擇相比，這種屏蔽可能更昂貴且柔性較低。
屏蔽籠和屏蔽罩都是反射電磁輻射的導體，以防止輻射進入電纜導線束內部。電纜中的屏蔽通常放置于導線周圍的絕緣層之間。然后，此屏蔽層通常接地，以有效分散 EM 能量。
圖 3：Lapp USA 的 ?LFLEX CONNECT SERVO 電纜包括電力和數據連接以及連接器，與 Siemens、Rockwell/AB、Indramat、Lenze 和 SEW 驅動器和伺服電機搭配使用更簡單。這些電纜中的 EMC 屏蔽由制造商在自動化工序中完成，該工序去除電纜護套并鋪設屏蔽層，使其與連接器360° 接觸。（圖片來源：Lapp USA）
工業電纜絕緣層選擇
絕緣層是圍繞導線的非導電材料。除了防止電線間傳導或對地傳導，絕緣層通常還有防止磨損和液體入侵的作用。需要注意的是，僅靠絕緣層并不能阻擋 EMI，磁場和輻射會直接穿過絕緣層。下面是一些常見的絕緣材料。
聚氯乙烯 (PVC) 是一種廉價且常用的絕緣材料。工作溫度范圍約為 -55° 至 +105°C，并且可耐受普通溶劑和燃料。電容和衰減會導致一些功率損耗。
半硬質 PVC (SR-PVC) 具有比其他選擇更高的耐磨性；類似的阻燃聚氯乙烯（阻燃 PVC）材料還具有優異的阻燃性。
聚乙烯 (PE) 具有低電容，非常適合高速數據傳輸。它不可彎曲且易燃，工作溫度范圍為 -65° 至 +80°C。
氯化聚乙烯 (CPE) 具有出色的耐熱和防火性能，通常用于工業電力和控制電纜。
硅膠具有很高的耐熱性（甚至高達 180°C），以及阻燃性和柔韌性。
玻璃纖維通常用于需要極高耐熱性的應用，例如鑄造和金屬加工。它可以在高達 480°C 的持續高溫下使用。
請注意，本文提供的工作條件僅供參考。在將電纜用于特定應用之前，設計工程師應始終參考電纜制造商提供的規格。
工業電纜護套
在一些電纜中，電氣絕緣和外部保護功能是分開的，每種功能都使用最優的材料。在這種情況下，提供電絕緣的內層稱為絕緣層，而提供保護的外層稱為護套。這樣可以同時提高韌性和柔性。
為了提供專門的保護，可以使用不同的護套材料，以防止磨損、液體、高溫、化學品或微生物等威脅。一些常見的護套材料包括：
聚氨酯 (PUR) 具有高韌性和柔性，以及耐化學性、耐水性和耐磨性。但是，聚氨酯易燃。較差的電氣性能意味著它不適合用作絕緣材料。
尼龍 具有出色的韌性、柔性，以及耐磨性和耐化學性。
氯丁橡膠 是一種合成熱固性橡膠，具有優異的耐磨性、耐刺穿性、耐油性和耐溶劑性。它使用壽命長，常用于軍事用途。
丁苯橡膠(SBR)是一種熱固性橡膠，具有出色的耐磨性、耐油性和耐溶劑性。Mil-C-55668電纜采用了這種材料。
工業電纜的絞線排列
電纜內的各絞線可采用許多不同的方式來排列，以賦予不同的撓曲特性。
實心導線由單根粗電線組成，成本低廉但堅硬且韌性較差。
束絞線相對簡單，所有股都沿相同方向絞合在一起，但比實心電纜更具韌性。
同心絞線中間有一根線，上面纏繞著一層線；任何連續層沿交替方向絞合。這樣可以生產出適合在自動化應用中使用的平滑電纜。
繩絞線具有以其他各種方式絞合在一起的電纜束，這也是一種旨在產生柔性電纜的設計。
最后關于工業電纜連接器的說明
工業自動化的電纜連接器與電纜本身一樣，也可進行定制。該主題將在另一篇文章中介紹，并將討論這些連接器的各種組合（以及接頭和夾持選項）。但是，值得注意的是，連接器越來越多地專門用于特定的組件，例如上面提到的伺服電機電纜。
此外，如今的電纜連接器提供高度專業化的設計，以保持對環境條件的耐受性。連接器的侵入防護等級采用與外殼相同的方式來評定，都是使用侵入防護 (IP) 代碼來標示。這些代碼由兩位數字組成，其中第一位數字表示對異物和灰塵的防護等級，第二位數字表示對液體的防護等級。第一位數字范圍從 0（無保護）到 6（塵密）。第二位數字范圍從 0（無保護）到 8（1 米深水連續浸泡保護）。
在其他方面，電纜連接器的標準化幾何形狀也有助于簡化規格。例如，模塊化RJ連接器在數據傳輸電纜中越來越常見。請注意，在此上下文中，術語 RJ 代表標準插座，起源于其電話系統應用。從技術上而言，現代的模塊化連接器實際上根本不是 RJ 連接器。這些連接器可以使用專用的壓接工具快速而可靠地裝配到端接電纜上。這些工具可以在一次操作中固定連接器并形成電接觸。盡管工廠組裝的電纜更為可靠，但這樣允許在現場進行高效便捷的電纜組裝。這種類型的連接器插頭通常有一個卡舌，將連接器牢固地固定在插座上，并且通常有一個透明的塑料體，便于直觀地檢查內部觸點。
圖 4：所示的第二個和第三個電纜連接器是 RJ 連接器。（圖片來源：Lapp USA）
來源：Lisa Eitel，DigiKey
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