工业级强化电缆如何改善效率、可靠性和总拥有成本

工业环境对于元器件和设备来说可能非常恶劣。通常，在采购耐用的元器件和电子系统方面需要花费很多精力，因为设计人员不太关注布线和接线选择。但是，看似相同的两根电缆在恶劣的工业环境中表现可能截然不同。

本文将简要概述电缆选择不善的影响，然后再介绍适合工业应用的电缆构造。最后会提供几个可解决恶劣环境中信号高效、可靠传输问题的创新型电缆解决方案实例。

为什么电缆选择如此重要

布线选择不当可能最初不会露出端倪，但实际上从一开始就可能导致信号衰减和功率损耗。随着时间的推移，它们还会带来间歇性连接故障，这类故障相当棘手，很难排除，导致代价高昂的系统停机。这在高振动环境中尤其麻烦。此外，如果电缆没有采用合适的外护套材料，暴露于化学品或极端温度和物理损坏之下，可能会使电线裸露，造成短路，迸发火花。

理想的解决方案是选择适合此类应用的 IP67 或 IP68 工业级电缆。工业电缆是结构更坚固的高品质电缆，通常采用比常规家用电缆更高品质的材料。虽然两种类型的电缆看起来很相似，但工业级电缆更耐用，能够耐受高温、溶剂和液体，性能远胜于外观类似的普通商用电缆。此外，工业电缆还能够更好地耐受弯曲、扭曲和拉伸，而坚韧性欠佳的电缆则可能无法承受此类情形。

从电子角度来看，选择合适的工业电缆还可以最大限度地减少任何电缆长度上的功率和信号损失。而且，它们的抗电磁干扰 (EMI) 能力也更强。

选择高品质的工业级电缆时，了解电缆的构造非常有用。

中心导体电线

首先了解中心导体的材料和直径。电线直径越大，电缆可以承载的电流越多，同时最大程度地减少因距离导致的信号损失。铜是电线最好的导电材料。品质较低的电缆可能使用铝，与铜相比，铝是较差的导体。确保从像 DigiKey 这样的授权分销商处购买品牌电缆，因为有些电缆看起来与品牌电缆类似，实际上可能采用的是镀铜铝质导线。虽然实芯线比多股绞线传导性更好，但实芯线不易弯曲，这使得它们在许多情况下并不实用。多股绞线柔性更好，更容易布置和走线。

外层护套

外层护套材料和厚度对于工业电缆的寿命长短至关重要。外层护套越厚，对电缆的保护越好。

工业环境中的电缆外护套需要应对多种形式的严重不当使用，否则可能迅速降低电缆的性能。阳光，特别是紫外线 (UV)，会导致外护套褪色或开裂。包括油、汽油和清洁化学品在内的溶剂也会溶解外护套，从而导致故障。高温会导致电缆寿命缩短，这对于较长的电缆来说更加不利。极低温度会导致外护套变脆，导致可见的开裂，进而可能造成外护套剥离和脱落。

外护套还必须能够应对物理损坏，例如在锐角处拉动电缆的磨损影响。错误的外护套会导致电缆开口，露出屏蔽层或导线。厚聚氨酯因具有耐磨性，是高品质电缆外护套材料的可靠选择。聚氨酯还可以耐受溶剂、极端温度、光照和各种不当使用。

人们通常将防水性视为理所当然。虽然几乎每根电缆都可以防水，但实际上长时间暴露在潮湿环境中也会导致电缆寿命缩短。这可能很难诊断，特别是如果技术人员没有意识到此类错误，而继续使用相同的商用电缆来进行更替时。为防止此类情况，建议在大多数潮湿环境中使用 IP67 工业级电缆。

即使采用最坚固的工业电缆，布线也应远离锋利的边缘。为避免拉伸电缆，应考虑使用足够的电缆布线长度。在工厂和办公楼中，需求变更是常事，因此需要重新布线。

对于电缆可能被水浸没的极端环境，应选择 IP68 级电缆，例如 Amphenol Sine Systems 的 CA0162C22315012 四芯圆形电缆（图 1）。该电缆及连接器系统能够承受 -25 至 +100°C 的极端工业温度范围。该电缆的四根导线使用绞合的 14 AWG 电线。

图 1：Amphenol Sine Systems CA0162C22315012 圆形连接器电缆使用 24 AWG 粗电线，以实现出色的导电性。连接器防拉线扣直接热成型到电缆外护套上，以实现最大程度的保护。（图片来源：Amphenol Sine Systems）

电缆连接器和触头

电缆与连接器的连接可能是组件中遭不当使用最严重的部分。从插座上拔下电缆连接器时，建议始终抓住连接器外壳而不是防拉线扣。但是，技术人员匆忙中有时会拉动防拉线扣。有时电缆连接器被放置在狭窄空间中，不可避免地需要拉动防拉线扣来移除连接器。如果在商用电缆上重复此操作一定次数，电线与连接器触头很可能分离，从而导致间歇性连接故障或完全失效。

对于这些情况，建议使用高强度的电缆连接器外壳，例如热成型防拉线扣，因为它们在插入和移除电缆连接器时可提供出色的应力保护，并在恶劣条件下隔离潮气。

连接器配接次数通常对于固定在同一插座上数月或数年的连接器来说并不重要。但是，另一个极端下，搭配工业测试设备使用的电缆，一天内配接次数可达到数十次。务必选择一个连接器配接次数至少超 50% 的电缆，这一点非常重要。

有时极端条件需要采用具有独特解决方案的创新产品。Rosenberger 制造了一系列磁性自定位连接器，可提供几乎无限的配接次数（图 2）。Rosenberger 电缆组件末端的自定位磁性连接器可以很容易地插入插座，插入力为零。磁性连接器系统可自动将电缆连接器吸入插座中，配接后会听到咔嗒声，无需手动插入。

图 2：Rosenberger 电缆组件末端的自定位磁性连接器可以很容易地插入插座，插入力为零。（图片来源：Rosenberger）

Rosenberger 的 L99-838-1500 工业 USB 电缆组件专为频繁使用的诊断设备而设计。每端都有一个简单的磁力锁定机构，可以快速方便地与兼容插座配接和取消配接。这对于办公楼、工业控制和自动化系统以及配接次数异常高的其他环境中所使用的诊断设备的维护尤其有用。

金、镍和锡：触头磨损详细信息

电缆连接器触头与电缆载流量和可靠性有关。镀锡连接器在商用电缆中相当普遍。对于高可靠性工业电缆连接器，金是最佳选择，因为它是一种优良的导体，不会像银或铜一样氧化或腐蚀。但是，纯金的价格贵得难以接受。更好的解决方案是使用镀金镍触头，如 Molex 的 1203410303 M12 CAT6A 工业以太网电缆中所用的触头（图 3）。

工业标准 M12 连接器采用镀镍金触头，性能优于纯金触头，具有更高的耐用性、金属稳定性和耐腐蚀性。

图 3：1203410303 Molex M12 CAT6A 工业以太网电缆上的镀金触头在工业环境中拥有低电阻和高可靠性特性。（图片来源：Molex）

虽然铜和银的导电能力略胜于金，但它们更容易在恶劣环境中变色和腐蚀。金是工业环境下的优秀导体，因为它耐受多种溶剂并在高温下保持连接性。出于这些和其他原因，建议高可靠性工业应用中采用金。

在大多数情况下，金-金触头连接拥有高可靠性、低电阻优势。建议较软的触头（如锡）不要与金结合使用，因为可能会发生微动磨损。微动磨损是指两种不同的金属接触并引起化学反应，产生另一种会增加连接电阻的材料。

另一种形式的微动磨损是指，当像金一样非常硬的金属摩擦锡等非常软的金属时，造成一些锡被刮掉并附着在金上，从而导致相同的化学反应。

电缆屏蔽

工厂和办公楼等嘈杂的环境充满了电气噪声。电磁干扰 (EMI) 会严重影响电子设备的效率和运行。布线可能会产生 EMI 或受其影响。正确的电缆屏蔽可以抑制或消除大多数 EMI。在工业环境中，选择具有适当屏蔽功能的电缆非常重要，因为日后可能特别难以诊断 EMI 噪声引起的设备问题。

电缆屏蔽有两种类型。铝箔屏蔽在工业和商用电缆中都很常见，并提供 100% 的覆盖率。对于工业应用，铝箔面向导线的一侧粘有一层薄薄的非导电膜，以便更好地与导线绝缘。为了提供足够的屏蔽，铝箔的厚度可能使电缆变硬且难以处理。一些商用电缆使用薄层铝箔，足以满足家用，但不能为工厂提供足够的 EMI 保护。

编织铜线丝网屏蔽比箔屏蔽更容易使用，并具有更多的灵活性。但是，编织屏蔽通常仅提供 70% 至 95% 的覆盖率。因此，许多高品质的工业电缆使用薄铝箔屏蔽和铜编织物的组合，在保持灵活性的同时提供出色的 EMI 保护。

电缆连接器在每个连接器处均提供屏蔽接地。务必在两端都使用屏蔽接地，以实现最大的抗噪能力。

总结

在项目早期做好正确的布线选择可以防止以后出现问题。与商用电缆相比，工业电缆品质更高，具有更高的信号质量和更长的使用寿命。工程师和技术人员应仔细审查待用于工业应用的电缆规格，以确保采购到合适的电缆，实现可靠性、长寿命和总拥有成本的最优化。