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（菲尼克斯亞太電氣（南京）有限公司） 杜品圣，張 龍
杜品圣（1951－）
博士，現任菲尼克斯亞太電氣(南京)有限公司研發技術總監，中國自動化學會專家咨詢委員會委員。
當今大多數網絡都是由某種電纜或纜線連接起來，充當計算機之間進行網絡傳輸的信號載體。有許多種纜線可以滿足從小到大不同網絡規模的需要。纜線的種類非常多，也很容易混淆，但大多網絡只使用了三種主要的纜線進行網絡布線：同軸電纜、雙絞線（包括非屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線）和光纖。
同軸電纜曾經是網絡布線使用最廣泛的一種電纜，但作為早期的主要連接介質已經逐漸趨于淘汰，在工業場合也用得比較少。工業以太網通常要求使用屏蔽雙絞線或者光纖作為傳輸介質。
本文將重點介紹雙絞線電纜和光纖的分類、規范、連接和安裝等內容，以及EMC的相關知識。
4.1 雙絞線（Twist Pair）電纜
4.1.1 雙絞線電纜的類型
雙絞線最簡單的形式包括兩條絞在一起的絕緣銅線。有兩種主要的雙絞線：非屏蔽雙絞線（UTP）和屏蔽雙絞線（STP）。幾條雙絞線通常集成一束，外包一層保護外鞘組成一條纜線。纜線中雙絞線的實際數目有所不同。集成一束的好處可以免受其它雙絞線和馬達、變頻器等其它電子噪音源的干擾。
雙絞線電纜適用于多種傳輸方法，例如令牌環和以太網。導線的典型直徑0.5-0.6mm。最大傳輸距離取決于信號衰減和有無屏蔽。傳輸率為10/100Mbps時，雙絞線最大長度100m。電纜的最小長度是0.6m。電纜將兩個站點連接起來。常用RJ-45插頭和插座連接。
雙絞線電纜的版本有多種：UTP、FTP、S/UTP、S/STP或ITP描述電纜的結構；CAT3,5,6或7描述電纜和插接件的類別。電纜級別（A-100kHz，B-1MHz，C-16MHz，D-100MHz，E-300MHz，F-600MHz）定義傳輸帶寬。
* CAT1用于警報系統和模擬語音傳輸；
* CAT2用于語音和V.24（RS-232）接口；
* CAT3用于最大16MHz的數據傳輸；
* CAT4用于最大20MHz的數據傳輸（IBM令牌環16MHz）；
* CAT5用于最大100MHz的數據傳輸，衰減24dB，串擾27dB；
* CAT5e用于最大100MHz的數據傳輸，衰減24dB，串擾30dB；
* CAT6用于最大250MHz的數據傳輸，衰減22dB，串擾40dB；
* CAT7用于最大600MHz的數據傳輸，衰減21dB，串擾62dB。
電纜的設計對干擾抑制和電纜的抗干擾能力有顯著作用。下面簡述各類電纜的屏蔽結構，以說明它們傳輸質量的差別：
* UTP（無屏蔽雙絞線） 沒有屏蔽的多線雙絞電纜。典型抗干擾值40dB。這種電纜過去常用于Category3電纜。現在也用于CAT5電纜。UTP電纜在工業場合的高數據量數據技術中仍然廣泛使用。
*S/UTP（有屏蔽/無屏蔽雙絞線） 有完全的屏蔽銅網，降低外部干擾。典型干擾抑制值可達70dB。
* FTP（帶屏蔽層的雙絞線） 有完全的屏蔽鋁箔。
* S/FTP（屏蔽/鋁箔屏蔽雙絞線） 用于安裝UTP插座的最新電纜。有完全的屏蔽，由覆蓋鋁的聚脂膜和銅網組成。干擾抑制值大于90dB。
* STP（有屏蔽雙絞線） 有完全的屏蔽，不帶其它規格。
* S/STP（屏蔽/屏蔽雙絞線） 電纜中的每對雙絞線帶有屏蔽，還有整個的屏蔽，這提供了最佳的干擾抑制，即使是不同雙絞線對的串擾也能有效抑制。
* ITP（工業雙絞線對） S/STP的工業版本。典型的網絡電纜有四個雙絞線對，ITP有兩對。
CAT3電纜和CAT5電纜的價格差別很小，新的安裝常選用CAT5，數據傳輸可達100Mbps。
4.1.2 雙絞線電纜的安裝
常規的雙絞線以太網電纜使用RJ45連接器。在RJ45中有八個針腳；10/100Mbps傳輸用到其中的四個針腳，而1000Mbps傳輸時用到了所有的八個針腳。如表1所示。
表1 RJ45連接器的針腳分配
針腳號
10BASE-T
100BASE-T
1000BASE-T
1
TD+（發送）
TD+（發送）
BI_DA+
2
TD-（發送）
TD-（發送）
BI_DA-
3
TD+（發送）
TD+（發送）
BI_DB+
4
-
-
BI_DC+
5
-
-
BI_DC-
6
TD-（發送）
TD-（發送）
BI_DB-
7
-
-
BI_DD+
8
-
-
BI_DD-
在工業場所，由于環境不同，對電纜和接頭的要求和辦公環境有所不同。工業環境要考慮到防水、防塵和電磁干擾等，因此對安裝布線有特殊的要求，電纜采用屏蔽雙絞線。市場上已經有專用于工業以太網應用的電纜和接頭。
圖1為德國Phoenix Contact的幾種以太網電纜接頭產品。除了IP20和IP65防護等級的RJ45接頭，該公司還推出了IP65的M12接頭。需要注意的是，M12和RJ45接頭在管腳分配上有所不同。如表2所示。
圖1 不同防護等級的電纜接頭
RJ45電纜有兩種連接方式：交叉連接和1:1的連接方式。交叉連接用于網卡之間或集線器之間的連接，如圖2所示。1:1連接方式用于網卡與集線器或網卡與交換機之間的連接，如圖3所示。如果交換機或網卡支持自動交叉功能，則可以自動檢測線序，因此可以使用任意一種連接方式。
圖2 交叉連接方式
圖3 1:1連接方式
在以太網雙絞線中屏蔽是需要的，特別是在工業應用中。另外，如果電纜彎曲的話，絞線的效果就會降低，如在安裝過程中，入股電纜的彎曲超出允許的范圍，電線的絕緣常常被破壞，而且電線間的電容干擾增強。
一方面，不對稱的結果使得信號傳輸對電阻、電容和感應的干擾變得敏感；另一方面，這類電纜用作高頻傳導。高頻傳導在系統中是一種干擾性的傳輸。
屏蔽包含一個傳導的金屬箔和金屬編織網，其中至少70%要被導體覆蓋，以便提供足夠的保護來抵抗電場和磁場。
銅纜安裝需遵守以下常見事項：
* 剝線的長度盡可能短；
* 電纜的彎曲不能小于90度；
* 電纜彎曲的半徑應當至少是電纜直徑的四倍；
* 不要扭曲、拉伸電纜；
* 固定電纜時，不要擠壓電纜；
* 電纜兩端的屏蔽層要等電勢連接，使用盡可能多的屏蔽層，保證小阻抗；
* 解開雙絞的線長不超過13mm；
* 幾根電纜的屏蔽層等電勢連接到同一點。
4.2 光纖（Fiber Optic）
光是一種電磁波。可見光部分波長范圍是：390-760nm。大于760nm部分是紅外光，小于390nm部分是紫外光。光纖中通常應用的是850nm、1300nm和1550nm三種。
因光在不同物質中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質射向另一種物質時，在兩種物質的交界面處會產生折射和反射。而且，折射光的角度會隨入射光的角度變化而變化。當入射光的角度達到或超過某一角度時，折射光會消失，入射光全部被反射回來，這就是光的全反射。不同的物質對相同波長光的折射角度是不同的，即不同的物質有不同的光折射率，相同的物質對不同波長光的折射角度也是不同。光纖通訊就是基于以上原理而形成的。
光纖技術的優點是不受電磁場和電磁輻射的影響，光纖路徑的運行不需要額外的屏蔽、等電位的連接或者浪涌保護裝置。光纖路徑甚至在最大距離上提供了最大的傳輸速率，保證數據傳輸的高可靠性。和雙絞線相比，其缺點主要是價格和連接裝配的復雜性。
4.2.1 光纖分類
按光在光纖中的傳輸模式，可分為：單模光纖和多模光纖。
按照制造光纖所用的材料來分類，有塑料光纖、HCS光纖和玻璃光纖。
按照光纖芯的折射率分布來劃分，有階躍型光纖（Step Index Fiber）、梯度型光纖（Graded Index Fiber）、環形光纖（Ring Fiber）和W形光纖等。
（1） 單模光纖和多模光纖
多模光纖：中心玻璃芯較粗（50或62.5μm），可傳輸多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。因此，多模光纖傳輸的距離就比較近，一般只有幾公里。
單模光纖：中心玻璃芯較細（芯徑一般為9或10μm），只能傳輸一種模式的光。因此其模間色散很小，適用于遠程通信。但其色度色散起主要作用，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩定性要好。
（2）玻璃光纖、塑料光纖和HCS光纖
玻璃光纖：一根玻璃光纖包含一個纖芯和一個屏蔽層。纖芯是一個高度消毒的，非常細的硅石或石英玻璃線，被低光密度的玻璃所屏蔽。在玻璃纖維里密度的差別為連接的光脈沖提供了全反射，促進了光沿纖芯前進。光的波長有850nm、1300nm或1550nm。由于玻璃光纖帶寬大、數據完整、防抖動、抗干擾、傳輸距離遠，因此被被用在100Mbps的連接中。
塑料光纖：常規玻璃光纖的成本比較高，玻璃光纜的裝配和檢查以及維護都是耗時和昂貴的。對于傳輸路徑較短的場合，塑料光纖（POF）技術是一個很好的解決辦法。采用塑料光纖，可以更簡便地裝配光纖連接器和對光纖進行在線診斷。塑料光纖在現場總線的應用中使用得比較多。塑料光纖的最遠距離限制在50米。
HCS（硬包層石英）光纖：對于超過50米的路徑，可以使用HCS（硬包層石英）光纜。HCS光纖有200微米厚的帶有塑料罩的玻璃纖芯，因此比塑料光纖有較低的衰減。HCS光纖可以達到100米的傳輸距離。HCS光纖的制作安裝比POF復雜和費時，但仍然比玻璃光纖更易于安裝。
圖4 光纖的結構
（3） 階越型光纖和梯度型光纖
階躍型光纖：光纖的纖芯折射率高于包層折射率，使得輸入的光能在纖芯一包層交界面上不斷產生全反射而前進。這種光纖纖芯的折射率是均勻的，包層的折射率稍低一些。光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的，只有一個臺階，所以稱為階躍型折射率多模光纖。這種光纖的傳輸模式很多，各種模式的傳輸路徑不一樣，經傳輸后到達終點的時間也不相同，因而產生時延差，使光脈沖受到展寬。所以這種光纖的模間色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率不能太高，用于通信不夠理想，只適用于短途低速通訊。但單模光纖由于模間色散很小，所以單模光纖都采用突變型。
梯度型光纖：為了解決階躍型光纖存在的弊端，人們又研制、開發了漸變折射率多模光纖，簡稱梯度型光纖。光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高。現在的多模光纖多為梯度型光纖。
圖5 不同光纖的比較
4.2.2 光纖的安裝
（1）光纖插接件
線纜類型有多種，同樣，光纖的插接件也有多種。各種光纖插接件滿足不同的要求，具有不同的優缺點。
Ｅ2000插接件
插入損耗典型值介于0.2-0.4dB，返回損耗典型值40dB（多模），50dB（單模）和約70dB（帶彎角連接的單模光纖）。因此，光極限值大致相當于SC或LSA插接件的情況。該插接件適用于單模和多模光纖，并且支持帶有前連接和彎角連接的單模光纖。這種插接件加裝塑料底座后，可以用作有編碼的全雙工插接件。特性：有自緊螺帽，可以防止污染。
SC插接件 （IEC 874-19）
插入損耗典型值介于0.2-0.4dB，返回損耗典型值40dB（多模），50dB（單模）和約70dB（帶有彎角連接的單模光纖）。SC插接件符合IEC推薦標準，它的關鍵特性是小尺寸、高封裝密度，特別是它的高再生連接品質。該插接件適用于單模和多模光纖，支持帶有前連接和彎角連接的單模光纖。這種插接件加裝塑料底座后，可以用作有編碼的全雙工插接件。
（V）ST插接件（B-FOC/2.5符合IEC 874-10）
插入損耗典型值介于0.3-0.5dB。返回損耗典型值40dB（多模），50dB（單模）和約70dB（帶彎角連接的單模光纖）。特性：一個陶瓷套圈以凸角安裝到接觸面；有彈簧確保前端頭與光纖的永久接觸。
F-SMA插接件（IEC SC86B（CO）20）
插入損耗典型值介于1.0-2.0dB。F-SMA插入式連接可用于多模、梯度型和階躍型光纖。粘合劑將光纖和插接件永久連接起來。由于光纖直徑減小會導致插入連接的效果變差，所以這種連接特別適合HCS和POF光纖。
MTRJ插接件
插入損耗典型值介于0.3-1.3dB。這種全雙工插入連接適合多模和單模光纖。
其他類型插接件，如ESCON、MIC、Mini-BNC、FC/PC、LC和Volition等，很少用在工業場合。
（2） 光纜安裝注意事項
不同類型的光纜裝配方法有所不同。塑料光纖和HCS光纖，可以采用快速連接技術，通過專用安裝工具裝配F-SMA接頭。而玻璃光纖通常采用熔接技術。
為避免光纜損毀，安裝光纜時必須十分小心，嚴格遵守VDE安裝規則。另外，還必須遵守下面根據DIN VDE 0899 Part3所規定的室內和室外光纜安裝說明。
室內光纜安裝要求：
* 由于室內光纜可能在建筑外墻上固定安裝，所以只能選用有潮濕保護的光纜。
* 光纜不能環行，避免扭曲。
* 光纜不能走急彎，不能扭曲。
* 光纜的最小彎曲量在任何時候都不要超過，包括安裝期間。
* 光纜的最小張緊負荷在任何時候都不要超過。
* 禁止擠壓光纜，例如把光纜推進線纜槽。
* 光纜槽不能有急轉彎。
* 光纜鋪設，不管在安裝還是今后的運營中都應避免受機械張力。
* 光纜長度應當留有余量，以備線纜柜、補丁段和焊接/轉換點用。
室外光纜安裝要求：
* 室外光纜可以在地下或空中安裝。
* 地下安裝的地溝必須堅固。
* 光纜地下安裝時，必須在其上方30-40cm處鋪設警示帶。
* 光纜只能橫直，禁止打彎；急彎會產生很大的張力。
* 在光纜安裝之前、安裝期間、安裝之后都要防止受潮。定期檢查端頭的保護帽。
* 光纜的最小張緊負荷在任何時候都不要超過。
* 任何時候不要小于最小彎曲半徑。
* 使用線卡固定光纜要確保光纜外套受力。
4.3 EMC措施
電磁兼容性（EMC）是指一個電子設備在它的電磁環境下能夠正常運轉，以及不會對其它設備產生電磁干擾的能力。因此，ＥＭＣ包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指設備對所在環境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗干擾能力。
工業網絡的部件制造商已經在噪聲發射和干擾靈敏度方面優化了他們的所有部件。但細致的規劃和合理地實施電纜安裝、布線和等電位聯結過程仍然非常重要。當規劃一個系統的時候，應該注意，不同的廠商可能實行他們自己的EMC措施。因此各廠商的協調與合作是至關重要的。
用戶進行的用于提高電子設備EMC響應的措施，可分為三個方面：
* 接地/等電位聯結；
* 控制箱/終端盒中的連接；
* 安裝指導的一致性原則。
4.3.1 電氣系統和網絡的干擾源
電子系統中的干擾能夠被傳導、感應或輻射。由于值的可能范圍、干擾變量的不同類型以及參數可能的大量復合使得很難確定干擾的位置。干擾可分成兩個方面：高頻干擾和低頻干擾。
我們有兩種選擇來保護系統使之不受干擾：為每個電氣部件實施等電位聯結和屏蔽；在系統和部件中減少電磁場的產生和滲透。
表3 干擾變量值的可能范圍
| 參數 | 公式符號 | 值的范圍 |
| 電場強度 | E | 0V/m到105V/m |
| 頻率 | F | 0Hz到1010Hz |
| 電流變化率 | DI/dt | 0A/s到1011A/s |
| 峰值電流 | I | 10-9A到105A |
| 峰值電壓 | U | 10-6V到106V |
| 磁場強度 | H | 10-6A/m到108A/m |
| 脈沖上升時間 | Tr | 10-9s到10-2s |
| 脈沖長度 | τ | 10-8s到10s |
| 脈沖能量 | W | 10-9J到107J |
4.3.2 高頻干擾
高頻干擾的產生原因包括：
* 在一級或者二級電路中的開關操作；
* 在高電壓系統的空中線路或地面部分的雷電；
* 伴隨火花隙的浪涌放電器的激活；
* 高頻發射機；
* 靜電放電。
下面推薦的旨在減少高頻干擾效應的方法，被實踐證明是比較有效的，也是比較容易實現的：
所有的接地端部分必須有足夠的有效截面；
系統必須保證不被雷擊；
接地、等電位結點和參考地的優化；
只能使用金屬的接地控制箱。
當使用補償電抗器時（在相同方向上的信號通路被阻斷），有用信號電流相互補償，而干擾電流則相互累積。電抗器的作用是增大干擾信號的頻率。
控制箱的窗口應該被屏蔽，而且應該做的盡可能小。應該盡可能的使用一個金屬蓋子來關閉金屬電纜管道。屏蔽層在干擾頻率范圍內應該只有低的互阻抗。
如果幾個信號通過一條線路流入，確保各個信號線具有大致相同的長度。另外，為了防止發射噪聲，聯合信號的導線位置應該做到對稱。
屏蔽層和地的連接應盡可能短。
在線路屏蔽層的兩端以及任何可能的中間點上應該總是接地的。
另外請注意以下要點：
地/屏蔽層的連接越短，有效衰減頻率的截止頻率越高。
所有線路應該在控制箱的入口點上接地，以保證電流在屏蔽層的流動不會影響線路和控制箱中的部件。
在分散的金屬電纜管道中的任何可能地方，網絡線路和電源線路應該分離開來。
在線路中未使用的電線必須接至地電位。
當發射噪聲線路和易受干擾的線路交叉時，這兩條線路就必須總是處于合適的交叉角并且有盡可能遠的距離。
只能使用有屏蔽層的雙絞線。屏蔽層應該沒有接縫，應該覆蓋信號線的盡可能大的區域。
在線路上安置鐵環能減弱通常形式的干擾。
4.3.3 低頻干擾
低頻干擾的產生原因包括：
* 短路；
* 雷電導致地電位增大；
* 開關浪涌電壓；
* 來自大電流設備（母線排、電源線、感應器、變壓器等）的電磁場。
下面推薦的旨在減少高頻干擾效應的方法，被實踐證明是比較有效的，也是比較容易實現的。
網線和電源線的分離。
由于有些部件發射大噪聲（例如，頻率轉換器，DC/AC轉換器等），因此在補償系統中應安裝帶有防護層的補給線路和濾波器。
建議使用電線并行（代替三角式）式的電力電纜。
網絡線路應安裝成不與母線排和電力電纜并行。
不建議把網絡線路安裝在緊靠感應器和單相變壓器的旁邊。
當大電流直流負載并聯連接時，應該避免環形布局。
不推薦連接處在不同控制箱內的感應器。
為了防止對電路造成不利影響，應該在電路中安裝濾波器。
需要注意，如果放電電流大于3.5mA AC/10 mA DC永遠溢出濾波器所使用的Y電容器，那么就必須遵循EN 50178“應用于電源裝置的電子設備”標準。
4.3.4 接地/等電位連接/參考地
根據IEC 60364-54，應該實施接地以保證危險的接觸電壓不會在系統中存在，并考慮到防護層導線、中性導線、地導線和地電極的感抗和容抗。
合理的接地除了能保護人們免受來自危險接觸電壓的傷害，還是通過干擾電流放電和低阻抗電壓來減少電干擾的主要途徑。設計接地系統主要是用來滿足與50Hz電流有關的要求。
在規劃和配置期間，接地系統也能被優化成滿足與高頻電流有關的要求。這些電流通常是由于雷電或在高電壓系統中的開關操作引起的。因此而產生的瞬間電流及（或）伴隨電流能破壞乃至完全停止網絡、控制和調校裝置，甚至與安全相關的裝置的運轉。
應該注意的是，按照EMI保護，工作電流不會經由等電位結點或地從網絡電路、補償電路或者信號電路流出。經由地流動的電流也必須限制在局部區域。
在任何時候都必須避免電勢轉變。經由導線連接到該系統（如電纜護套、PEN導線、管線等）的有較低或沒有電勢增長的地方會使接地電流發生轉變，所以與外界的電勢差就能夠從這個導線流出，當接地電流轉變而使接地系統的電位增加時就會產生電勢轉變。
采取以下建議能顯著增強網絡或系統的抗干擾性能：
為了使電流通路的感應系數達到最小，接地應該被設計成網狀，即混合接地。因此，接地線應該在盡可能多的點上連接到地電位。無論線路在哪里交叉，接地導線必須連接到一起。每一固定安裝的設計部分和金屬部分（如金屬架、金屬梁、工作表面、水管等）都應該接地。用最大可能的導線截面來做最大可能的連接數。
地線應該保持盡可能短。
通過增加并行接地線之間的距離能減少傳輸阻抗。
非對稱，無隔離的信號傳輸距離應該限制在<5m內。
所有線路和管道必須安置在建筑物和控制箱內盡可能接近在一起的地方。所有非傳導金屬，包括線路防護層，必須連接到等電位結點。
參考導線不能連接到處于外部或不屬于系統部分的接地導體上。
為了阻止電流通過屏蔽層流動，大截面的接地線應該與受保護的線纜平行安裝。
不推薦使用沒有單獨供電單元的部件。
4.3.5 遵循EMC標準的建議
IEC 64（Sec）690/VDE 0100第444-1994/09部分規定了以下措施用來減少EMC問題：
干擾源必須離對EMI敏感的電子設備的敏感范圍盡可能遠。
發射噪聲的設備應該被集中在一個地方，并盡可能遠離對EMI敏感的電子設備。
干擾濾波器和浪涌放電器必須安裝在對EMI敏感的設備的補償電路中。
選擇安全設備，以便適當的時間延遲特性能夠在產生瞬間浪涌電壓時阻止不需要的響應。
金屬防護層必須包含在等電位結點中。
電力電纜和網線應該充分分離。
電力電纜/網線和雷電保護系統的放電線應該充分分離。
合理地選擇電纜路線能減少感應環路的有效區域。
單線電力電纜應該有金屬防護層，連接到等電位結點系統。
有分散等電位結點系統的設備使用光纖或其他非導體連接（如藍牙或無線局域網）。
所有的金屬防護層必須包含在等電位結點中。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號