|
 （菲尼克斯亚太电气（南京）有限公司） 杜品圣，张 龙
杜品圣（1951－）
博士，现任菲尼克斯亚太电气(南京)有限公司研发技术总监，中国自动化学会专家咨询委员会委员。
当今大多数网络都是由某种电缆或缆线连接起来，充当计算机之间进行网络传输的信号载体。有许多种缆线可以满足从小到大不同网络规模的需要。缆线的种类非常多，也很容易混淆，但大多网络只使用了三种主要的缆线进行网络布线：同轴电缆、双绞线（包括非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线）和光纤。
同轴电缆曾经是网络布线使用最广泛的一种电缆，但作为早期的主要连接介质已经逐渐趋于淘汰，在工业场合也用得比较少。工业以太网通常要求使用屏蔽双绞线或者光纤作为传输介质。
本文将重点介绍双绞线电缆和光纤的分类、规范、连接和安装等内容，以及EMC的相关知识。
4.1 双绞线（Twist Pair）电缆
4.1.1 双绞线电缆的类型
双绞线最简单的形式包括两条绞在一起的绝缘铜线。有两种主要的双绞线：非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）。几条双绞线通常集成一束，外包一层保护外鞘组成一条缆线。缆线中双绞线的实际数目有所不同。集成一束的好处可以免受其它双绞线和马达、变频器等其它电子噪音源的干扰。
双绞线电缆适用于多种传输方法，例如令牌环和以太网。导线的典型直径0.5-0.6mm。最大传输距离取决于信号衰减和有无屏蔽。传输率为10/100Mbps时，双绞线最大长度100m。电缆的最小长度是0.6m。电缆将两个站点连接起来。常用RJ-45插头和插座连接。
双绞线电缆的版本有多种：UTP、FTP、S/UTP、S/STP或ITP描述电缆的结构；CAT3,5,6或7描述电缆和插接件的类别。电缆级别（A-100kHz，B-1MHz，C-16MHz，D-100MHz，E-300MHz，F-600MHz）定义传输带宽。
* CAT1用于警报系统和模拟语音传输；
* CAT2用于语音和V.24（RS-232）接口；
* CAT3用于最大16MHz的数据传输；
* CAT4用于最大20MHz的数据传输（IBM令牌环16MHz）；
* CAT5用于最大100MHz的数据传输，衰减24dB，串扰27dB；
* CAT5e用于最大100MHz的数据传输，衰减24dB，串扰30dB；
* CAT6用于最大250MHz的数据传输，衰减22dB，串扰40dB；
* CAT7用于最大600MHz的数据传输，衰减21dB，串扰62dB。
电缆的设计对干扰抑制和电缆的抗干扰能力有显著作用。下面简述各类电缆的屏蔽结构，以说明它们传输质量的差别：
* UTP（无屏蔽双绞线） 没有屏蔽的多线双绞电缆。典型抗干扰值40dB。这种电缆过去常用于Category3电缆。现在也用于CAT5电缆。UTP电缆在工业场合的高数据量数据技术中仍然广泛使用。
*S/UTP（有屏蔽/无屏蔽双绞线） 有完全的屏蔽铜网，降低外部干扰。典型干扰抑制值可达70dB。
* FTP（带屏蔽层的双绞线） 有完全的屏蔽铝箔。
* S/FTP（屏蔽/铝箔屏蔽双绞线） 用于安装UTP插座的最新电缆。有完全的屏蔽，由覆盖铝的聚脂膜和铜网组成。干扰抑制值大于90dB。
* STP（有屏蔽双绞线） 有完全的屏蔽，不带其它规格。
* S/STP（屏蔽/屏蔽双绞线） 电缆中的每对双绞线带有屏蔽，还有整个的屏蔽，这提供了最佳的干扰抑制，即使是不同双绞线对的串扰也能有效抑制。
* ITP（工业双绞线对） S/STP的工业版本。典型的网络电缆有四个双绞线对，ITP有两对。
CAT3电缆和CAT5电缆的价格差别很小，新的安装常选用CAT5，数据传输可达100Mbps。
4.1.2 双绞线电缆的安装
常规的双绞线以太网电缆使用RJ45连接器。在RJ45中有八个针脚；10/100Mbps传输用到其中的四个针脚，而1000Mbps传输时用到了所有的八个针脚。如表1所示。
表1 RJ45连接器的针脚分配
| 针脚号 |
10BASE-T |
100BASE-T |
1000BASE-T |
| 1 |
TD+（发送） |
TD+（发送） |
BI_DA+ |
| 2 |
TD-（发送） |
TD-（发送） |
BI_DA- |
| 3 |
TD+（发送） |
TD+（发送） |
BI_DB+ |
| 4 |
- |
- |
BI_DC+ |
| 5 |
- |
- |
BI_DC- |
| 6 |
TD-（发送） |
TD-（发送） |
BI_DB- |
| 7 |
- |
- |
BI_DD+ |
| 8 |
- |
- |
BI_DD- |
在工业场所，由于环境不同，对电缆和接头的要求和办公环境有所不同。工业环境要考虑到防水、防尘和电磁干扰等，因此对安装布线有特殊的要求，电缆采用屏蔽双绞线。市场上已经有专用于工业以太网应用的电缆和接头。
图1为德国Phoenix Contact的几种以太网电缆接头产品。除了IP20和IP65防护等级的RJ45接头，该公司还推出了IP65的M12接头。需要注意的是，M12和RJ45接头在管脚分配上有所不同。如表2所示。
图1 不同防护等级的电缆接头
RJ45电缆有两种连接方式：交叉连接和1:1的连接方式。交叉连接用于网卡之间或集线器之间的连接，如图2所示。1:1连接方式用于网卡与集线器或网卡与交换机之间的连接，如图3所示。如果交换机或网卡支持自动交叉功能，则可以自动检测线序，因此可以使用任意一种连接方式。
图2 交叉连接方式
图3 1:1连接方式
在以太网双绞线中屏蔽是需要的，特别是在工业应用中。另外，如果电缆弯曲的话，绞线的效果就会降低，如在安装过程中，入股电缆的弯曲超出允许的范围，电线的绝缘常常被破坏，而且电线间的电容干扰增强。
一方面，不对称的结果使得信号传输对电阻、电容和感应的干扰变得敏感；另一方面，这类电缆用作高频传导。高频传导在系统中是一种干扰性的传输。
屏蔽包含一个传导的金属箔和金属编织网，其中至少70%要被导体覆盖，以便提供足够的保护来抵抗电场和磁场。
铜缆安装需遵守以下常见事项：
* 剥线的长度尽可能短；
* 电缆的弯曲不能小于90度；
* 电缆弯曲的半径应当至少是电缆直径的四倍；
* 不要扭曲、拉伸电缆；
* 固定电缆时，不要挤压电缆；
* 电缆两端的屏蔽层要等电势连接，使用尽可能多的屏蔽层，保证小阻抗；
* 解开双绞的线长不超过13mm；
* 几根电缆的屏蔽层等电势连接到同一点。
4.2 光纤（Fiber Optic）
光是一种电磁波。可见光部分波长范围是：390-760nm。大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中通常应用的是850nm、1300nm和1550nm三种。
因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的，即不同的物质有不同的光折射率，相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。
光纤技术的优点是不受电磁场和电磁辐射的影响，光纤路径的运行不需要额外的屏蔽、等电位的连接或者浪涌保护装置。光纤路径甚至在最大距离上提供了最大的传输速率，保证数据传输的高可靠性。和双绞线相比，其缺点主要是价格和连接装配的复杂性。
4.2.1 光纤分类
按光在光纤中的传输模式，可分为：单模光纤和多模光纤。
按照制造光纤所用的材料来分类，有塑料光纤、HCS光纤和玻璃光纤。
按照光纤芯的折射率分布来划分，有阶跃型光纤（Step Index Fiber）、梯度型光纤（Graded Index Fiber）、环形光纤（Ring Fiber）和W形光纤等。
（1） 单模光纤和多模光纤
多模光纤：中心玻璃芯较粗（50或62.5μm），可传输多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。
单模光纤：中心玻璃芯较细（芯径一般为9或10μm），只能传输一种模式的光。因此其模间色散很小，适用于远程通信。但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。
（2）玻璃光纤、塑料光纤和HCS光纤
玻璃光纤：一根玻璃光纤包含一个纤芯和一个屏蔽层。纤芯是一个高度消毒的，非常细的硅石或石英玻璃线，被低光密度的玻璃所屏蔽。在玻璃纤维里密度的差别为连接的光脉冲提供了全反射，促进了光沿纤芯前进。光的波长有850nm、1300nm或1550nm。由于玻璃光纤带宽大、数据完整、防抖动、抗干扰、传输距离远，因此被被用在100Mbps的连接中。
塑料光纤：常规玻璃光纤的成本比较高，玻璃光缆的装配和检查以及维护都是耗时和昂贵的。对于传输路径较短的场合，塑料光纤（POF）技术是一个很好的解决办法。采用塑料光纤，可以更简便地装配光纤连接器和对光纤进行在线诊断。塑料光纤在现场总线的应用中使用得比较多。塑料光纤的最远距离限制在50米。
HCS（硬包层石英）光纤：对于超过50米的路径，可以使用HCS（硬包层石英）光缆。HCS光纤有200微米厚的带有塑料罩的玻璃纤芯，因此比塑料光纤有较低的衰减。HCS光纤可以达到100米的传输距离。HCS光纤的制作安装比POF复杂和费时，但仍然比玻璃光纤更易于安装。
图4 光纤的结构
（3） 阶越型光纤和梯度型光纤
阶跃型光纤：光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称为阶跃型折射率多模光纤。这种光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模间色散高，传输频带不宽，传输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用于短途低速通讯。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。
梯度型光纤：为了解决阶跃型光纤存在的弊端，人们又研制、开发了渐变折射率多模光纤，简称梯度型光纤。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高次模的光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高。现在的多模光纤多为梯度型光纤。
图5 不同光纤的比较
4.2.2 光纤的安装
（1）光纤插接件
线缆类型有多种，同样，光纤的插接件也有多种。各种光纤插接件满足不同的要求，具有不同的优缺点。
Ｅ2000插接件
插入损耗典型值介于0.2-0.4dB，返回损耗典型值40dB（多模），50dB（单模）和约70dB（带弯角连接的单模光纤）。因此，光极限值大致相当于SC或LSA插接件的情况。该插接件适用于单模和多模光纤，并且支持带有前连接和弯角连接的单模光纤。这种插接件加装塑料底座后，可以用作有编码的全双工插接件。特性：有自紧螺帽，可以防止污染。
SC插接件 （IEC 874-19）
插入损耗典型值介于0.2-0.4dB，返回损耗典型值40dB（多模），50dB（单模）和约70dB（带有弯角连接的单模光纤）。SC插接件符合IEC推荐标准，它的关键特性是小尺寸、高封装密度，特别是它的高再生连接品质。该插接件适用于单模和多模光纤，支持带有前连接和弯角连接的单模光纤。这种插接件加装塑料底座后，可以用作有编码的全双工插接件。
（V）ST插接件（B-FOC/2.5符合IEC 874-10）
插入损耗典型值介于0.3-0.5dB。返回损耗典型值40dB（多模），50dB（单模）和约70dB（带弯角连接的单模光纤）。特性：一个陶瓷套圈以凸角安装到接触面；有弹簧确保前端头与光纤的永久接触。
F-SMA插接件（IEC SC86B（CO）20）
插入损耗典型值介于1.0-2.0dB。F-SMA插入式连接可用于多模、梯度型和阶跃型光纤。粘合剂将光纤和插接件永久连接起来。由于光纤直径减小会导致插入连接的效果变差，所以这种连接特别适合HCS和POF光纤。
MTRJ插接件
插入损耗典型值介于0.3-1.3dB。这种全双工插入连接适合多模和单模光纤。
其他类型插接件，如ESCON、MIC、Mini-BNC、FC/PC、LC和Volition等，很少用在工业场合。
（2） 光缆安装注意事项
不同类型的光缆装配方法有所不同。塑料光纤和HCS光纤，可以采用快速连接技术，通过专用安装工具装配F-SMA接头。而玻璃光纤通常采用熔接技术。
为避免光缆损毁，安装光缆时必须十分小心，严格遵守VDE安装规则。另外，还必须遵守下面根据DIN VDE 0899 Part3所规定的室内和室外光缆安装说明。
室内光缆安装要求：
* 由于室内光缆可能在建筑外墙上固定安装，所以只能选用有潮湿保护的光缆。
* 光缆不能环行，避免扭曲。
* 光缆不能走急弯，不能扭曲。
* 光缆的最小弯曲量在任何时候都不要超过，包括安装期间。
* 光缆的最小张紧负荷在任何时候都不要超过。
* 禁止挤压光缆，例如把光缆推进线缆槽。
* 光缆槽不能有急转弯。
* 光缆铺设，不管在安装还是今后的运营中都应避免受机械张力。
* 光缆长度应当留有余量，以备线缆柜、补丁段和焊接/转换点用。
室外光缆安装要求：
* 室外光缆可以在地下或空中安装。
* 地下安装的地沟必须坚固。
* 光缆地下安装时，必须在其上方30-40cm处铺设警示带。
* 光缆只能横直，禁止打弯；急弯会产生很大的张力。
* 在光缆安装之前、安装期间、安装之后都要防止受潮。定期检查端头的保护帽。
* 光缆的最小张紧负荷在任何时候都不要超过。
* 任何时候不要小于最小弯曲半径。
* 使用线卡固定光缆要确保光缆外套受力。
4.3 EMC措施
电磁兼容性（EMC）是指一个电子设备在它的电磁环境下能够正常运转，以及不会对其它设备产生电磁干扰的能力。因此，ＥＭＣ包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗干扰能力。
工业网络的部件制造商已经在噪声发射和干扰灵敏度方面优化了他们的所有部件。但细致的规划和合理地实施电缆安装、布线和等电位联结过程仍然非常重要。当规划一个系统的时候，应该注意，不同的厂商可能实行他们自己的EMC措施。因此各厂商的协调与合作是至关重要的。
用户进行的用于提高电子设备EMC响应的措施，可分为三个方面：
* 接地/等电位联结；
* 控制箱/终端盒中的连接；
* 安装指导的一致性原则。
4.3.1 电气系统和网络的干扰源
电子系统中的干扰能够被传导、感应或辐射。由于值的可能范围、干扰变量的不同类型以及参数可能的大量复合使得很难确定干扰的位置。干扰可分成两个方面：高频干扰和低频干扰。
我们有两种选择来保护系统使之不受干扰：为每个电气部件实施等电位联结和屏蔽；在系统和部件中减少电磁场的产生和渗透。
表3 干扰变量值的可能范围
| 参数 |
公式符号 |
值的范围 |
| 电场强度 |
E |
0V/m到105V/m |
| 频率 |
F |
0Hz到1010Hz |
| 电流变化率 |
DI/dt |
0A/s到1011A/s |
| 峰值电流 |
I |
10-9A到105A |
| 峰值电压 |
U |
10-6V到106V |
| 磁场强度 |
H |
10-6A/m到108A/m |
| 脉冲上升时间 |
Tr |
10-9s到10-2s |
| 脉冲长度 |
τ |
10-8s到10s |
| 脉冲能量 |
W |
10-9J到107J |
4.3.2 高频干扰
高频干扰的产生原因包括：
* 在一级或者二级电路中的开关操作；
* 在高电压系统的空中线路或地面部分的雷电；
* 伴随火花隙的浪涌放电器的激活；
* 高频发射机；
* 静电放电。
下面推荐的旨在减少高频干扰效应的方法，被实践证明是比较有效的，也是比较容易实现的：
所有的接地端部分必须有足够的有效截面；
系统必须保证不被雷击；
接地、等电位结点和参考地的优化；
只能使用金属的接地控制箱。
当使用补偿电抗器时（在相同方向上的信号通路被阻断），有用信号电流相互补偿，而干扰电流则相互累积。电抗器的作用是增大干扰信号的频率。
控制箱的窗口应该被屏蔽，而且应该做的尽可能小。应该尽可能的使用一个金属盖子来关闭金属电缆管道。屏蔽层在干扰频率范围内应该只有低的互阻抗。
如果几个信号通过一条线路流入，确保各个信号线具有大致相同的长度。另外，为了防止发射噪声，联合信号的导线位置应该做到对称。
屏蔽层和地的连接应尽可能短。
在线路屏蔽层的两端以及任何可能的中间点上应该总是接地的。
另外请注意以下要点：
地/屏蔽层的连接越短，有效衰减频率的截止频率越高。
所有线路应该在控制箱的入口点上接地，以保证电流在屏蔽层的流动不会影响线路和控制箱中的部件。
在分散的金属电缆管道中的任何可能地方，网络线路和电源线路应该分离开来。
在线路中未使用的电线必须接至地电位。
当发射噪声线路和易受干扰的线路交叉时，这两条线路就必须总是处于合适的交叉角并且有尽可能远的距离。
只能使用有屏蔽层的双绞线。屏蔽层应该没有接缝，应该覆盖信号线的尽可能大的区域。
在线路上安置铁环能减弱通常形式的干扰。
4.3.3 低频干扰
低频干扰的产生原因包括：
* 短路；
* 雷电导致地电位增大；
* 开关浪涌电压；
* 来自大电流设备（母线排、电源线、感应器、变压器等）的电磁场。
下面推荐的旨在减少高频干扰效应的方法，被实践证明是比较有效的，也是比较容易实现的。
网线和电源线的分离。
由于有些部件发射大噪声（例如，频率转换器，DC/AC转换器等），因此在补偿系统中应安装带有防护层的补给线路和滤波器。
建议使用电线并行（代替三角式）式的电力电缆。
网络线路应安装成不与母线排和电力电缆并行。
不建议把网络线路安装在紧靠感应器和单相变压器的旁边。
当大电流直流负载并联连接时，应该避免环形布局。
不推荐连接处在不同控制箱内的感应器。
为了防止对电路造成不利影响，应该在电路中安装滤波器。
需要注意，如果放电电流大于3.5mA AC/10 mA DC永远溢出滤波器所使用的Y电容器，那么就必须遵循EN 50178“应用于电源装置的电子设备”标准。
4.3.4 接地/等电位连接/参考地
根据IEC 60364-54，应该实施接地以保证危险的接触电压不会在系统中存在，并考虑到防护层导线、中性导线、地导线和地电极的感抗和容抗。
合理的接地除了能保护人们免受来自危险接触电压的伤害，还是通过干扰电流放电和低阻抗电压来减少电干扰的主要途径。设计接地系统主要是用来满足与50Hz电流有关的要求。
在规划和配置期间，接地系统也能被优化成满足与高频电流有关的要求。这些电流通常是由于雷电或在高电压系统中的开关操作引起的。因此而产生的瞬间电流及（或）伴随电流能破坏乃至完全停止网络、控制和调校装置，甚至与安全相关的装置的运转。
应该注意的是，按照EMI保护，工作电流不会经由等电位结点或地从网络电路、补偿电路或者信号电路流出。经由地流动的电流也必须限制在局部区域。
在任何时候都必须避免电势转变。经由导线连接到该系统（如电缆护套、PEN导线、管线等）的有较低或没有电势增长的地方会使接地电流发生转变，所以与外界的电势差就能够从这个导线流出，当接地电流转变而使接地系统的电位增加时就会产生电势转变。
采取以下建议能显著增强网络或系统的抗干扰性能：
为了使电流通路的感应系数达到最小，接地应该被设计成网状，即混合接地。因此，接地线应该在尽可能多的点上连接到地电位。无论线路在哪里交叉，接地导线必须连接到一起。每一固定安装的设计部分和金属部分（如金属架、金属梁、工作表面、水管等）都应该接地。用最大可能的导线截面来做最大可能的连接数。
地线应该保持尽可能短。
通过增加并行接地线之间的距离能减少传输阻抗。
非对称，无隔离的信号传输距离应该限制在<5m内。
所有线路和管道必须安置在建筑物和控制箱内尽可能接近在一起的地方。所有非传导金属，包括线路防护层，必须连接到等电位结点。
参考导线不能连接到处于外部或不属于系统部分的接地导体上。
为了阻止电流通过屏蔽层流动，大截面的接地线应该与受保护的线缆平行安装。
不推荐使用没有单独供电单元的部件。
4.3.5 遵循EMC标准的建议
IEC 64（Sec）690/VDE 0100第444-1994/09部分规定了以下措施用来减少EMC问题：
干扰源必须离对EMI敏感的电子设备的敏感范围尽可能远。
发射噪声的设备应该被集中在一个地方，并尽可能远离对EMI敏感的电子设备。
干扰滤波器和浪涌放电器必须安装在对EMI敏感的设备的补偿电路中。
选择安全设备，以便适当的时间延迟特性能够在产生瞬间浪涌电压时阻止不需要的响应。
金属防护层必须包含在等电位结点中。
电力电缆和网线应该充分分离。
电力电缆/网线和雷电保护系统的放电线应该充分分离。
合理地选择电缆路线能减少感应环路的有效区域。
单线电力电缆应该有金属防护层，连接到等电位结点系统。
有分散等电位结点系统的设备使用光纤或其他非导体连接（如蓝牙或无线局域网）。
所有的金属防护层必须包含在等电位结点中。
|
.jpg)
北京市公安局海淀分局备案号：11010802023656号