使用高速、坚固的以太网连接器构建工业通信网络

工业物联网 (IIoT) 或工业 4.0 正在推动挑战性环境中通信网络的需求。通常情况下，这些网络中的薄弱环节是连接器，因为工业环境高热、肮脏，且通常充满机械振动，所有这些都会给机械连接带来持续的压力，并破坏了系统可靠性。更为严重的是现代工厂的连接故障所带来的后果。因为这会引发经济灾难和生产停工，同时造成大量金钱损失。不仅如此，安全连接故障还可能会造成严重的人身伤害。因此，需要一个产品来替代标准 RJ45 连接器。

设计人员需要以太网连接器足够坚固，以满足当前工业标准和侵入防护 (IP) 规范要求，无论它们最初放置在哪里。它们必须能够以最高 10 千兆位/秒 (Gbps) 的 Cat 6A 以太网速度可靠地运行，支持以太网供电 (PoE)，并尽可能地做到“不易过时”，同时还要满足通常很紧张的设计预算。

本文探讨了工业通信系统和相应 IP 等级要求。然后，介绍了工业以太网连接器的功能是如何满足这些需求的，最后介绍了 Amphenol 的实际解决方案，作为实例向工程师展示如何将这些连接器用于新项目。

工业网络要求

现代工业是建立在 70 年代末至 80 年代的各行各业计算机化基础之上发展而来的，广泛采用有线网络来推动“工业4.0”（描述为“制造业数字化”）。对于管理者来说，工业 4.0 带来的是生产率的提高、产品质量的提升、价格的降低和安全性的增强。对于工程师来说，任务是打造支持现代制造业的强大网络。

家用和商用以太网网络的基础架构一般基于廉价的电缆和标准 RJ45 连接器，但这些元器件并不是为工厂应用而设计的。工厂环境挑战性大，电缆和连接器的选择必须考虑到以下压力因素。

• 机械：冲击、振动、挤压、弯曲、扭转
• 化学：水、油、溶剂、腐蚀性气体
• 环境：极端温度、湿度、太阳辐射
• 电气：静电放电 (ESD)、电磁干扰 (EMI)、高压瞬变

工业布线和连接器必须规定能够经受住整个网络寿命期间预期最恶劣的条件。例如，如果后来工厂需要重新布置，让电缆在温度更高的工艺炉附近工作，那么如果电缆规定用于正常环境温度，就没有什么用处了。

工业电缆采用高级聚氨酯绝缘材料，耐磨损、耐化学品（包括油类）且阻燃。虽然聚氯乙烯 (PVC) 等绝缘体比较便宜，但这种塑料会受到油类和化学物质的腐蚀，在低温下会变脆和开裂。

构建工业以太网网络

在低电气噪声环境中，非屏蔽双绞线可能是可以接受的。然而，像电焊机这样的工业设备或诸如开关继电器、交流驱动器或螺线管之类工厂电气设备，可能会对非屏蔽电缆造成干扰和数据中断。当有疑问时，工程师应谨慎行事，使用屏蔽电缆，以防日后可能出现代价高昂的系统错误。随着工厂的发展，控制电缆和电源电缆使用以前专门用于以太网通信的管道是很常见的。如果最初指定的是非屏蔽以太网电缆，则可能会造成数据损坏。

双重屏蔽设计，同时使用箔片和铜编织层，是防止数据损坏的最有效解决方案。为了保证屏蔽的正常工作，工程师还必须使用屏蔽连接器，并将屏蔽层端接至接地。如果屏蔽层未端接，实际工作时会因起到天线作用而加剧干扰问题。

即使使用屏蔽电缆，信号在长距离传输时也会发生衰减。采用实心导体的电缆性能更好，可提供最长 100 米传输距离，但更容易因弯曲或扭曲而损坏。绞线能更好地应付扭曲和弯曲，但使用长度不应该超过 85 米（图 1）。

图 1：实心导体以太网电缆的长度应限制在 100 m 以内，而绞线版本则应限制在 85 m 以内。（图片来源： Amphenol）

建网时，最小静态弯曲半径为电缆外径 (OD) 的 4 倍。这适用于绞线或实心线、屏蔽或非屏蔽电缆。在需要弯曲的地方，不应使用实心导体电缆。绞线电缆的数据表通常规定了最大弯曲次数，根据弯曲半径的不同，最大弯曲次数通常在 100 万到 1000 万之间。

电缆应使用电缆扎带固定，扎带应留有足够的松度，使电缆能够在扎带下自由移动。过紧将产生应力点，可能会导致导体故障。当几根电缆捆绑在一起时，也应将电缆在扎带内保持一些松动。

由于绝大多数调试错误都是由于现场接线造成的（因为维护双绞线和正确端接屏蔽层是一项困难和耗时的工作），建议使用工厂装配好的模制连接器。

设计不易过时

虽然有线网络带来了关键的优势（如速度、信号完整性和安全性），但它们的安装和维护成本很高。因此，负责指定网络的设计人员应该着眼于未来，以确保基础设施寿命尽可能长和维修最少。

整个以太网的发展史，就是网络速度的飞速提升史。未来，工业网络光纤基础设施的主导速率很可能会达到 400 Gbps 甚至是每秒太比特 (Tbps)。对于今天的铜线装置，只要仔细选择高等级双绞线和连接器，网络就可以应对当前的 1 Gbps 速率，而且可以应对即将到来的 10 Gbps 连接（表 1）。

表 1：以太网电缆速度和相关以太网工作频率，一般与吞吐量成正比。（图片来源：DigiKey）

工厂网络也开始利用 PoE 的优势，利用 PoE 技术通过以太网布线为连接的设备提供电力。PoE 使用单一标准以太网基础架构，同时处理数十瓦的功率。这种技术具有集中性和灵活性，可以让网络上的每个带电设备无需使用本地电源，从而可以将带电设备放置在任何地方，并可在以后需要时轻松迁移。

另外还有一种称作 PoE+ 的增强型 PoE 形式，可以为所连接的设备提供高达 25.5 瓦的直流电，并允许连接像安防摄像头这样的高耗电设备。（参见 DigiKey 技术文章《调整以太网供电以满足更高的需求》。）

正如电缆和连接器应相互匹配，实现同等的抗机械、化学、环境和电应力的能力，它们在功能性能上也应该匹配 。最大工作特性将由网络中能力最差的组件决定；例如，如果Cat 6a 电缆与 Cat 6 连接器相匹配，系统的最大吞吐量将为 1 Gbps，而不是 Cat 6a 电缆的标称最大吞吐量 10 Gbps。

工业网络用连接器

在构建工业网络时，设计人员应仔细考虑电缆选择、走线和以太网频率，尽管这很重要，但连接器却是以太网网络中最大的设计挑战。这是因为它们是最薄弱的环节；连接器不仅有潜在进水和藏纳的可能，而且还包括以太网线对上未进行绞合的短线，因此更容易受到电气噪声的影响。

设计人员需要考虑连接器的使用场所，因为工厂环境差异很大。例如，由 IEC 标准 60529 确定的 IP 代码对构成连接器的机械外壳和电气外壳的保护程度进行了分类。代码的第一个数字表示固体颗粒防护程度（从无防护的 0 到防尘的 6），第二个数字表示防止液体进入的程度（从无防护的 0 到抵抗强力高温射流的 9K）。

在清洁、干燥的工厂环境中使用的连接器等级为 IP20（防止手指和类似物体，不防潮），这在许多工业连接器中是很常见的。例如，Amphenol 的 ix Industrial IP20 连接器就是高速、坚固耐用的 10 针位组件，其封装比典型的 RJ45 小 70%。

连接器制造商通常会提供更高的保护选项，以便在逐渐变脏和潮湿的环境中使用，Amphenol 也不例外。ix Industrial IP20 系列从标准产品的 IP20 扩展到非标准产品的 IP67（防尘，浸水深度最高 1 米）。

网络设计人员应尽量减少连接的使用数量，特别是两端带有公接头的线组。对非工程人员来说，这太容易扩展了——但对网络其他部分的性能造成不利影响。此外，标准做法是所有固定连接器都采用母头。

与其他制造商一样，Amphenol 连接器提供了用于电缆的公型和用于固定安装的三种母型版本：用于隔板的垂直插座、直角垂直 (ND9AS1200) 版本和用于印刷电路板安装的水平 (ND9BS3200) 插座（图 2）。印刷电路板安装版本有表面贴装技术 (SMT) 或通孔形式，便于焊接到基板上。

图 2：Amphenol 的 ix Industrial 连接器提供各种插头和插座，适用于电缆、隔板和印刷电路板应用。（图片来源： Amphenol）

公头版本可单独提供 (ND9AP5200) 或作为电缆组 (ND9ACB250A) 的一部分提供，长度为 500 至 2000 毫米 (mm)。

就连接器质量而言，一个有用的方法就是检查连接器是否符合像 IEC 60512 和 IEC 61076 这样的标准的要求。IEC 60512 详细规定了机械和电气测试要求，以及连接器与电气和电子设备一起使用时应达到的阈值。该标准涵盖了插拨力、抗振性、最大配接次数等机械因素，以及接触、屏蔽和绝缘引起的电阻等电气因素。

Amphenol ix Industrial 连接器旨在提供一个坚固的小型化以太网接口（符合相关 IEC 标准），与标准 RJ45 连接器相比，可节省 75% 的空间。该连接器具有 10 mm 的连接器间距和坚固的两点金属锁扣，为高达 10 Gbps 的以太网通信提供 Cat 6a 性能、PoE/PoE+功能和 360° 屏蔽，以实现抗电磁干扰能力。

这些印刷电路板连接器采用重型焊片方式固定，坚固耐用，可以承受冲击和振动，同时保持可靠的连接。它们可以承受多达 5000 次插拔配接。

表 2 和表 3 详细介绍了 ix Industrial 系列在 IEC 60512 标准关键方面的表现。

表 2：从电气角度来看，ix Industrial 以太网连接器可处理最高 1.5 A 的电流，且符合 IEC 60512 要求。（图片来源：DigiKey）

表 3：ix Industrial 连接器的机械性能使之符合 IEC 60512 和 60068 的要求。（图片来源：DigiKey）

IEC 61076 更加聚焦，针对 10 路、屏蔽、自由和固定矩形连接器，可实现频率最高 500 兆赫 (MHz) 的数据传输。该文件规定了工业网络的通用尺寸、机械、电气和传输特性以及环境要求。

特别是，IEC 61076 明确了决定连接器极化键和键槽位置的编码。A 型连接器旨在用于每秒 100 兆 (Mbps) 至 10 Gbps 的以太网通信。B 型连接器旨在用于所有其他非以太网应用，如信号、串行或其他工业总线通信系统（图 3(a) 和 (b)）。

图 3：IEC 61076 规定了数据传输用连接器的极性和键槽。A 型 (a) 使用位于接受器右下方的 45° 角处（朝配接面看）。对于 B 型 (b)，45° 切角位于接受器的左上角。（图片来源： Amphenol）

结语

现代化的工厂均在打造让制造业数字化的通信网络，以提高生产率和降低成本。组成这些网络的连接器和电缆不仅要足够坚固，能够承受恶劣的工业环境，还要能应对未来的高速通信和 PoE 需求。

Amphenol 等公司提供的工业级电缆和连接器解决方案可精确满足这些挑战和工厂预算要求。它们符合严格的工业连接器标准，支持高网络性能和超长的寿命，且需要最少的维护。然而，如上所述，设计人员需要了解适用的标准以及连接器的电气和机械限制，才能将它们适当地应用于成功的 IIoT 或 工业 4.0 网络设计。