作者： Lisa Eitel，Digi-Key
关键词: 自动化, 线缆
自动化不仅能节省人力、能源和材料，同时还能提高精度和质量。但一个潜在的弱点是，当今的工业机械和操作具有前所未有的系统复杂度，特别依赖于稳定的连接性来传输电力、控制和操作数据。一旦这种连接性遭到任何破坏，可能会导致重大的生产中断及昂贵的机器或最终产品损坏。
有鉴于此，为了最大限度地减少计划外维护及保持可靠的自动化操作，工业电缆解决方案的可靠性至关重要，以便稳定地连接自动化系统中的所有控制装置、传感器和执行器。
图 1：自动化环境中的工业电缆用于电力配送，以及控制信号和数据的传输（用于数据采集和操作监控）。目前，结合这些功能的电缆组件正在兴起，例如 Lapp USA 的 ÖLFLEX CONNECT 定制电缆解决方案。（图片来源：Lapp USA）
可靠的电缆需要坚固耐用的接地、导线线束和连接器；还有许多其他考虑因素。例如，屏蔽电磁干扰 (EMI) 对于确保可靠的控制和数据传输至关重要。在动轴上，电缆还必须具有足够的柔韧性，以承受数千次弯曲。每根导线线束周围包裹的绝缘层也必须坚固耐磨。
因此，对于要求特别严苛的工业自动化应用，定制电缆变得越来越普遍。无论是屏蔽层、绝缘层、护套坚固性还是外形尺寸，都有了新的选择，这有助于工程师根据其应用量身定制电缆，以实现全面优化。
工业自动化环境中的模块化电缆
模块化电缆和连接器是工厂组装的产品，使用一套通常压接或卡接在一起的标准化子组件，以实现快速和极其可靠的操作。在工业自动化以及建筑等其他行业中，基于模块化子组件的定制化电缆组件越来越普遍，这并不奇怪。
与传统电缆套件相比，模块化电缆可使现场安装工作量减少约 60% 至 70%。这在很大程度上是因为模块化电缆组件使工厂人员或集成商技术人员无需实际连接电线，也无需在现场进行测试和故障排除。实际上，大多数传统电缆的安装过程都要求电工将电缆剪成所需的长度，剥去护套，并进行手工捻接。模块化电缆消除了这些繁琐的任务，甚至能提高可靠性；原因还是所有的定制、切割、连接和最终处理均通过可重复的工厂加工工序来执行。更重要的是，从销售定制组件的供应商处采购的电缆通常会在电缆发货前经过自动测试。这样一来，在设计阶段就可以完全指定应用特定的电缆，现场安装时只需将这些电缆插入机器部件即可。
图 2：定制电缆组件使电工可以免于图中所示的现场布线和测试作业。
采用屏蔽保护传输质量
随着涉及电力、控制和数据信号传输的系统越来越复杂，现代工业环境的电气噪声越来越大。这就是必须对敏感设备和信号进行 EMI 保护的原因。这些电路干扰由电磁感应、静电耦合和传导引起。事实上，电气噪声环境中的电缆可能需要屏蔽以防止
EMI 传播，因为：
电缆可能会受到来自其他地方的 EMI 干扰 工业电缆本身可能会产生 EMI 电缆可能会以其他方式充当辐射噪声的天线 电动机、发电机、变压器、感应加热和电力电缆都可能是高水平 EMI 的来源。这些 EMI 源附近的控制和数据电缆将需要屏蔽。对于非常敏感的信号，即使与
EMI 源有一定距离，也可能需要屏蔽。
实际上，屏蔽的形式可以是包围整个自动化操作的笼子；围绕电缆的金属柜或导管；或者直接内置在电缆中（如本文详细论述）。
电缆上的 EMI 屏蔽方法可以是法拉第屏蔽罩 （电缆导线周围连续覆盖的一层导电材料），或是法拉第笼 （围绕电缆导线的导电网）。前者通常由箔制成，而后者则由编织线制成。
箔屏蔽通常由薄铝制成，可提供低成本、高柔性的连续屏蔽，但较难接地。
编织线是铜线编织网，较易接地，但在某些情况下不能提供 100% 的覆盖率 — 因为小孔可以让高频信号穿透。因此，为了使法拉第笼有效工作，网中的所有孔或间隙必须明显小于要阻挡辐射的波长。有些制造商在编织屏蔽线上镀锡，以改善
EMI 保护效果。另一些则通过多层屏蔽（例如在各个线对之间以及整根电缆周围），确保在非常嘈杂的环境中获得干净的信号。与其他选择相比，这种屏蔽可能更昂贵且柔性较低。
屏蔽笼和屏蔽罩都是反射电磁辐射的导体，以防止辐射进入电缆导线束内部。电缆中的屏蔽通常放置于导线周围的绝缘层之间。然后，此屏蔽层通常接地，以有效分散 EM 能量。
图 3：Lapp USA 的 ÖLFLEX CONNECT SERVO 电缆包括电力和数据连接以及连接器，与 Siemens、Rockwell/AB、Indramat、Lenze 和 SEW 驱动器和伺服电机搭配使用更简单。这些电缆中的 EMC 屏蔽由制造商在自动化工序中完成，该工序去除电缆护套并铺设屏蔽层，使其与连接器 360° 接触。（图片来源：Lapp USA）
工业电缆绝缘层选择
绝缘层是围绕导线的非导电材料。除了防止电线间传导或对地传导，绝缘层通常还有防止磨损和液体入侵的作用。需要注意的是，仅靠绝缘层并不能阻挡 EMI，磁场和辐射会直接穿过绝缘层。下面是一些常见的绝缘材料。
聚氯乙烯 (PVC) 是一种廉价且常用的绝缘材料。工作温度范围约为 -55° 至 +105°C，并且可耐受普通溶剂和燃料。电容和衰减会导致一些功率损耗。
半硬质 PVC (SR-PVC) 具有比其他选择更高的耐磨性；类似的阻燃聚氯乙烯（阻燃 PVC）材料还具有优异的阻燃性。
聚乙烯 (PE) 具有低电容，非常适合高速数据传输。它不可弯曲且易燃，工作温度范围为 -65° 至 +80°C。
氯化聚乙烯 (CPE) 具有出色的耐热和防火性能，通常用于工业电力和控制电缆。
硅胶 具有很高的耐热性（甚至高达 180°C），以及阻燃性和柔韧性。
玻璃纤维 通常用于需要极高耐热性的应用，例如铸造和金属加工。它可以在高达 480°C 的持续高温下使用。
请注意，本文提供的工作条件仅供参考。在将电缆用于特定应用之前，设计工程师应始终参考电缆制造商提供的规格。
工业电缆护套
在一些电缆中，电气绝缘和外部保护功能是分开的，每种功能都使用最优的材料。在这种情况下，提供电绝缘的内层称为绝缘层，而提供保护的外层称为护套 。这样可以同时提高韧性和柔性。
为了提供专门的保护，可以使用不同的护套材料，以防止磨损、液体、高温、化学品或微生物等威胁。一些常见的护套材料包括：
聚氨酯 (PUR) 具有高韧性和柔性，以及耐化学性、耐水性和耐磨性。但是，聚氨酯易燃。较差的电气性能意味着它不适合用作绝缘材料。
尼龙 具有出色的韧性、柔性，以及耐磨性和耐化学性。
氯丁橡胶 是一种合成热固性橡胶，具有优异的耐磨性、耐刺穿性、耐油性和耐溶剂性。它使用寿命长，常用于军事用途。
丁苯橡胶 (SBR) 是一种热固性橡胶，具有出色的耐磨性、耐油性和耐溶剂性。Mil-C-55668 电缆采用了这种材料。
工业电缆的绞线排列
电缆内的各绞线 可采用许多不同的方式来排列，以赋予不同的挠曲特性。
实心导线 由单根粗电线组成，成本低廉但坚硬且韧性较差。
束绞线 相对简单，所有股都沿相同方向绞合在一起，但比实心电缆更具韧性。
同心绞线 中间有一根线，上面缠绕着一层线；任何连续层沿交替方向绞合。这样可以生产出适合在自动化应用中使用的平滑电缆。
绳绞线 具有以其他各种方式绞合在一起的电缆束，这也是一种旨在产生柔性电缆的设计。
最后关于工业电缆连接器的说明
工业自动化的电缆连接器与电缆本身一样，也可进行定制。该主题将在另一篇文章中介绍，并将讨论这些连接器的各种组合（以及接头和夹持选项）。但是，值得注意的是，连接器越来越多地专门用于特定的组件，例如上面提到的伺服电机电缆。
此外，如今的电缆连接器提供高度专业化的设计，以保持对环境条件的耐受性。连接器的侵入防护等级采用与外壳相同的方式来评定，都是使用侵入防护 (IP) 代码来标示。这些代码由两位数字组成，其中第一位数字表示对异物和灰尘的防护等级，第二位数字表示对液体的防护等级。第一位数字范围从
0（无保护）到 6（尘密）。第二位数字范围从 0（无保护）到 8（1 米深水连续浸泡保护）。
在其他方面，电缆连接器的标准化几何形状也有助于简化规格。例如，模块化 RJ 连接器在数据传输电缆中越来越常见。请注意，在此上下文中，术语 RJ 代表标准插座 ，起源于其电话系统应用。从技术上而言，现代的模块化连接器实际上根本不是 RJ 连接器。这些连接器可以使用专用的压接工具快速而可靠地装配到端接电缆上。这些工具可以在一次操作中固定连接器并形成电接触。尽管工厂组装的电缆更为可靠，但这样允许在现场进行高效便捷的电缆组装。这种类型的连接器插头通常有一个卡舌，将连接器牢固地固定在插座上，并且通常有一个透明的塑料体，便于直观地检查内部触点。
图 4：所示的第二个和第三个电缆连接器是 RJ 连接器。（图片来源：Lapp USA）
有关此主题的更多信息，请阅读 Digi-Key 文章“适合工业应用的电缆：如何选择和使用，以确保设计成功 ”，以获得有关如何选择工业电缆的一些指导。
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