物理工业网络的安全、性能与可靠性

以太网的优点之一是实现了真正的标准化，连接起来非常简单。与此同时，组件选择不当可能会对工业环境中的安全性、性能和/或可靠性造成危险和风险。就像接入控制面板、机器和设备的其他电线、电缆和连接器一样，需要针对动态环境条件制定以太网布线计划。本文将探讨常见和普遍的环境因素（如 EMI 电磁干扰噪声）、策略和产品解决方案，以减轻和消除噪声对以太网设备性能的威胁。

控制面板中的 EMI 管理最佳实践

机器控制面板的外壳提供了 EMI 屏障，可以保护内部电路不受外部噪声源的干扰。Panduit 的工业以太网电缆组件由 5e 和 6A 类工业级、多股双绞线电缆制成，适合 UTP 和 STP 安装。每个线缆组件均满足 UL、NEMA 和 IP 等标准，可承受轻度水冲洗和临时浸渍条件，而不会造成性能受损，从而确保了可靠性。然而，内部电路也会产生 EMI。由于外壳内器件的敏感性且靠近这些内部 EMI 产生源，因此可能面临更大的风险。工业过程的控制元件在外壳内，因此即使器件已经获得外部 EMI 保护，但仍需要采用额外的保护（图 1）。

图 1：工业自动化系统外壳内的 EMI 噪声风险。（图片来源：Panduit）

由于敏感器件极为靠近噪声源，因此外壳内 EMI 的主要模式是电容耦合和电感耦合。通过了解这两种来源，可有助于检查最佳实践以及指定降噪产品如何提高设备可靠性。

这两种耦合模式都是非故意产生的，当流经某根导线的电流在位于其磁场内的平行导线上产生感应电压时，就会发生耦合。在高频电路中，电容耦合更需要关注，而在大电流电路中，电感耦合则更需要关注。产生的噪声强度可以通过连接受干扰导线的示波器进行测量（图 2）。建议采用多层方法来减轻 EMI，以维持关键通信和控制基础设施的运行。这些保护层包括接地与搭接方法、电线隔离和分离、使用屏障、电缆屏蔽以及使用滤波器。Panduit 的 PanelMax™ 屏蔽线槽和噪声屏蔽板可以布置、隔离并屏蔽敏感线路，以免产生噪声。这样可以将管路放置在更近的位置，节省工业控制面板内的宝贵空间。这种屏蔽可降低高达 20 分贝的噪声 (EMI/RFI)，或产生 90% 的噪声压降 (NVR)，相当于在敏感电线和发出噪声的电线之间实现 6 英寸的空气间隙。

图 2：EMI 类型、来源和缓解方法。（图片来源：Panduit）

所选电缆中使用的屏蔽类型与环境中预期的噪声源和噪声类型有关。

在工业环境中，针对网络通信选择合适的基础设施非常重要。一个常见的问题是“何时以及如何使用屏蔽布线”。屏蔽布线通常用在工业环境中，以减少对以太网网络布线的不必要干扰。非屏蔽电缆通过平衡双绞线设计提供了一定的抗扰度，但无法提供与屏蔽电缆相同级别的保护。这种“电气平衡”可以使电缆尽量减少 EMI 的影响，平衡越好，保护就越好。在干扰严重的工业区，使用屏蔽布线可以提供一层额外的保护。

什么是电气噪声?

屏蔽电缆主要应用在通信布线附近包含电气噪声源的环境中。电缆的安装环境在很大程度上决定了是使用屏蔽电缆还是非屏蔽电缆。ANSI/TIA-1005-A 标准详细说明了 MICE 评级（机械/侵入/气候化学/电磁）系统。Panduit 的 M.I.C.E 指南是一个有效的工具，为量化环境压力量（例如每个类别的电气噪声）提供了有用的指南。

使用屏蔽电缆的原因：

• 根据公司规范或本地要求 - 某些垂直领域的制造公司和系统集成商已经在挑战性环境中针对网络布线安装开展了广泛的工作。如想获得已知“电气噪声”环境的具体知识，最好通过厂家规格和标准中的文档来获取。这些厂家通常将要求和指南包含在设计和工程文档（最佳实践）中，说明何时对特定应用使用屏蔽电缆。

  若要正确设计布线基础设施，就要尽可能避免电气噪声区域并使用最佳实践方法，例如 90 度穿插交流线路，以及将屏蔽电缆上的屏蔽层正确接地。

• 基础设施位于工厂车间环境附近，数据传输至关重要 - 通常，工厂车间环境附近的数据传输线会暴露于一定程度的环境压力。企业级电缆通常不像工业应用专用电缆那么坚固。当暴露于不同类型的化学品、液体渗入、电气噪声以及弯曲应用中，最好的方法是使用工业电缆来解决。若在设计阶段指定合适的电缆，则可提高整个系统的寿命和性能。
• 运动控制和高速自动化应用 - 由于运动控制和高速自动化系统固有的噪声环境，许多运动控制供应商要求或建议使用屏蔽电缆。这些系统都是时间关键型应用，具体取决于每一个信息包。即使仅相差几毫秒，高速机器也会中断，或对设备造成损坏。在运动产生电气噪声的极端情况下，建议使用控制光纤。
• MICE（机械/侵入/气候化学/电磁）级别 E₂ 或 E₃

图 3：E₂ 或 E₃ MICE 级别反映了噪声干扰的严重程度。MICE 评级系统是来自 TIA-1005 标准的一个有效工具，为量化环境压力量（例如每个类别的电气噪声）提供了有用的指南。有关 MICE 的更多信息，请参阅 Panduit MICE 网站上的标准或 Panduit MICE 指南材料。（图片来源：Panduit）

在工业环境中，EMI 和射频干扰 (RFI) 形式的电气噪声很常见。这些形式的电气噪声会干扰以太网网络线路的传输。电磁干扰源包括但不限于：电动机、变频驱动、接触器/继电器、焊接、日光灯和无线电通信。这些器件用在工业环境中，经常会通过电感、磁性或电容耦合影响网络布线。此外，电气噪声也可以通过公共节点接地进行传播。然而，在开发设计良好的物理基础设施时，并不需要有关这些原理的广博知识。在实施物理隔离时，采用空气间隙和/或隔离栅很有效，但是在某些时候，以太网网络布线仍然面临噪声危害。若要确定控制系统中的噪声源，这可能很困难，需要大量的测试设备和时间。因此，在设计物理基础设施时，遵循最佳实践可以节省宝贵的时间和资源，同时还能保证更好的性能。接地与搭接系统是以太网通信基础设施的组成部分，但并非绝对科学。每个应用都有自己独特的环境噪声和接地情况，需要根据最佳实践和经验来判断。接地与搭接不当可能会产生噪声，干扰以太网数据包的传输。

有关屏蔽应用的更多信息，请访问 Panduit 的工业环境应用指南，或下载控制面板降噪白皮书。有关 MICE 指南的更多信息，请访问 Panduit 的 MICE 登录页面。