王海嶺, 張紅艷, 李才有

(1.安徽新科電纜集團(tuán)股份有限公司, 無為 238300; 2.安徽縱橫高科電纜股份有限公司, 合肥 230051;3.國(guó)家特種電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心(安徽), 無為 238300)

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)化進(jìn)程的不斷深入和發(fā)展,工業(yè)自動(dòng)化對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求日益廣泛,傳統(tǒng)的控制方法已無法適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)的管理和控制模式,傳統(tǒng)的控制方法需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的固定連接,包括24 VDC或0~20 mA及其他各種信號(hào)。如果控制設(shè)備不在現(xiàn)場(chǎng),又需要敷設(shè)大量線纜用以傳輸各種信號(hào),這就不僅費(fèi)工、費(fèi)料,而且一旦系統(tǒng)擴(kuò)建或改造,整個(gè)線纜必須變動(dòng),無法跟上現(xiàn)代企業(yè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化[1]。Profibus總線技術(shù)是適應(yīng)自動(dòng)控制系統(tǒng)智能化、分布化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展形成的新技術(shù)。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線是一種國(guó)際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),由于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線傳送速度可在9.6 Kbit·s-1~12 Mbit·s-1范圍內(nèi)選擇,具有廣闊的發(fā)展前景和先進(jìn)性,廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化、過程控制自動(dòng)化、電力、樓宇和交通等領(lǐng)域,因此國(guó)際著名的自動(dòng)化廠商紛紛推出各自的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),如德國(guó)在1959年發(fā)布了DIN 19295總線標(biāo)準(zhǔn),歐洲在1996年頒布了EN 50170總線標(biāo)準(zhǔn),IEC國(guó)際電工委員在1999年發(fā)布了IEC61158 TYPE 3 Profibus標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)也在2006年10月發(fā)布了GB/T 20540—2006(測(cè)量和控制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信 工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場(chǎng)總線 類型3:Profibus規(guī)范)標(biāo)準(zhǔn)。Profibus由Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS等3個(gè)兼容部分組成,其中Profibus-DP是一種高速低成本通信,用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信,可取代24 VDC或0~20 mA信號(hào)傳輸[1]。然而Profibus-DP作為現(xiàn)場(chǎng)總線連接設(shè)備的數(shù)據(jù)總線電纜卻沒詳細(xì)的介紹,這給電纜的選型帶來了困難。本工作參考Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)和傳輸技術(shù)要求,對(duì)電纜進(jìn)行了研制,并在電纜的材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制上進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述。

1 主要技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)重點(diǎn)

參考國(guó)外對(duì)Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜性能的要求[2],電纜的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

(1) 特性阻抗。9.6 kHz時(shí),電纜特性阻抗為 (270±27.0) Ω;38.4 kHz時(shí),電纜特性阻抗為(185±18.5) Ω;3~20 MHz時(shí),電纜特性阻抗為(150±15.0) Ω。

(2) 衰減。9.6 kHz時(shí),電纜的衰減不大于2.5 dB·km-1;38.4 kHz時(shí),電纜的衰減不大于4.0 dB·km-1;4 MHz時(shí),電纜的衰減不大于22 dB·km-1;16 MHz時(shí),電纜的衰減不大于42 dB·km-1。

(3) 工作電容。1 kHz時(shí),電纜的電容不大于28.5 nF·km-1。

(4) 工作電壓。電纜工作電壓最高為350 V。

(5) 導(dǎo)體電阻。20 ℃時(shí)每千米長(zhǎng)度的導(dǎo)體直流電阻不大于55.0 Ω·km-1。

(6) 絕緣電阻。20 ℃時(shí)的絕緣電阻不小于10 000 MΩ·km。

(7) 電纜工作環(huán)境溫度。電纜工作環(huán)境溫度為-40~70 ℃(靜態(tài))。

(8) 電纜外徑。電纜外徑為(8.0±0.4)mm。

通過對(duì)Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜性能要求的綜合分析,一次參數(shù)工作電容、二次參數(shù)特性阻抗和衰減是該電纜的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。除此之外,該電纜還必須滿足絕緣電阻高、耐低溫的特性要求。針對(duì)上述設(shè)計(jì)要求,本工作研制的電纜的設(shè)計(jì)重點(diǎn)確定在材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的控制等方面。

2 材料選型及工藝控制

2.1 導(dǎo) 體

導(dǎo)體是信號(hào)傳輸?shù)闹匾d體,也是影響數(shù)據(jù)總線電纜一次參數(shù)和二次參數(shù)的重要因素之一。為降低電纜的工作電容、衰減,滿足電纜工作環(huán)境溫度和外徑的要求,同時(shí)考慮到電纜的工作頻率不是太高,選用無氧純銅線作為該數(shù)據(jù)總線電纜的導(dǎo)體。

根據(jù)電纜的電性能指標(biāo)要求,導(dǎo)體規(guī)格選用22 AWG,即結(jié)構(gòu)為1×0.66 mm的無氧純銅線作為導(dǎo)體。生產(chǎn)時(shí),絕緣線芯采用導(dǎo)體連續(xù)拉制、退火、預(yù)熱和絕緣擠出一次性完成的工藝流程,以保證絕緣線芯結(jié)構(gòu)的均勻性和電纜電氣參數(shù)的穩(wěn)定性,導(dǎo)體直徑控制在(0.66±0.005)mm范圍內(nèi)。

2.2 絕 緣

絕緣是Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。絕緣的類別對(duì)信號(hào)傳輸有著至關(guān)重要的影響,不但關(guān)系到電纜的結(jié)構(gòu)和工作條件,還決定著電纜的一次參數(shù)和二次參數(shù)等電氣特性,如電容、衰減和特性阻抗等性能。根據(jù)Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜的使用條件和電氣性能要求,絕緣采用皮-泡-皮結(jié)構(gòu):內(nèi)皮為實(shí)心的低密度聚乙烯絕緣料,主要作用是增強(qiáng)絕緣和導(dǎo)體的附著性,提高絕緣的介電強(qiáng)度;發(fā)泡絕緣層由低密度聚乙烯、高密度聚乙烯及成核劑組成混合料,擠出時(shí)在高壓、高純度氮?dú)庾饔孟逻M(jìn)行物理發(fā)泡,發(fā)泡絕緣的主要作用是降低絕緣層的介電常數(shù)、工作電容和電纜外徑;外皮采用實(shí)心高密度聚乙烯絕緣料,外皮的主要作用是增加絕緣單線的機(jī)械強(qiáng)度,保護(hù)絕緣線芯,防止水汽進(jìn)入絕緣影響電纜的電氣性能。聚乙烯皮-泡-皮絕緣結(jié)構(gòu)由于具有較低的介電常數(shù)及介質(zhì)損耗的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于性能要求較高的通信、射頻和數(shù)據(jù)總線電纜中,有著使用頻率范圍寬、工作電容小、衰減低和絕緣性高的特點(diǎn),其長(zhǎng)期允許的工作溫度范圍為-55~70 ℃。

內(nèi)皮絕緣厚度控制在(0.10±0.02)mm范圍內(nèi)。外皮厚度控制在(0.12±0.02)mm范圍內(nèi),外皮絕緣采用紅、綠兩種顏色進(jìn)行區(qū)分。絕緣總外徑控制在2.40~2.50 mm范圍內(nèi),生產(chǎn)時(shí)考慮到絕緣偏心的存在,絕緣外徑按上偏差生產(chǎn)。絕緣的發(fā)泡度控制在(60±5)%范圍內(nèi),絕緣偏心度不大于5%。

2.3 成纜與內(nèi)護(hù)套

Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜的絕緣是皮-泡-皮結(jié)構(gòu),相比實(shí)心聚乙烯絕緣,其抗壓性能較差,為防止絕緣線芯在成纜時(shí)受損,影響電纜的機(jī)械性能和電氣性能,紅、綠兩根絕緣線芯在成纜時(shí)采用退扭方式。成纜方向?yàn)橛蚁?節(jié)距控制在90~98 mm范圍內(nèi),成纜時(shí)要控制好各線芯的張力,節(jié)距要均勻一致,以確保電纜電氣性能的穩(wěn)定,纜芯表面繞包聚酯帶以防止內(nèi)護(hù)套擠包時(shí)燙傷絕緣線芯。

屏蔽前,根據(jù)客戶要求,纜芯表面可以擠包一層厚0.40~0.50 mm的軟質(zhì)白色聚氯乙烯材料作為內(nèi)護(hù)套,以提高電纜的圓整性。

2.4 屏 蔽

屏蔽層采用厚0.03 mm的鋁塑復(fù)合帶繞包,鋁塑復(fù)合帶繞包搭蓋率不小于25%,再用直徑0.12 mm的鍍錫銅絲進(jìn)行編織,編織密度不小于80%,雙層屏蔽可以提高電纜的抗干擾性能,增強(qiáng)電纜的電磁兼容能力,降低外界電磁波對(duì)電纜的輻射。

2.5 護(hù) 套

當(dāng)電纜處于-40 ℃低溫環(huán)境中時(shí),長(zhǎng)期彎曲敷設(shè)部位的電纜會(huì)有內(nèi)應(yīng)力存在,導(dǎo)致電纜護(hù)套出現(xiàn)裂紋或開裂,為適應(yīng)-40~70 ℃的使用環(huán)境要求,電纜采用耐低溫-40 ℃、高溫70 ℃的紫色軟質(zhì)聚氯乙烯(PVC)材料作為電纜護(hù)套。護(hù)套擠包厚度0.7~0.8 mm,電纜外徑控制在(8.0±0.4)mm范圍內(nèi)。

3 關(guān)鍵性能設(shè)計(jì)

Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜結(jié)構(gòu)示意圖

Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜導(dǎo)體外徑為0.66 mm、絕緣層的外徑為2.40 mm、電纜的外徑為(8.0±0.4)mm,對(duì)電纜的相關(guān)電氣和傳輸性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,以校驗(yàn)電纜的性能設(shè)計(jì)能否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1 電氣性能設(shè)計(jì)

根據(jù)電纜結(jié)構(gòu)尺寸,依據(jù)通信電纜設(shè)計(jì)步驟[3],電纜在4 MHz時(shí)相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 電纜參數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算驗(yàn)證了電纜在4 MHz時(shí)的一次參數(shù)電容、二次參數(shù)特性阻抗和衰減均滿足電纜設(shè)計(jì)要求。

3.2 其他頻率下傳輸性能計(jì)算

采用上述相同的方法,計(jì)算出其他頻率下的特性阻抗和衰減,結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求,計(jì)算結(jié)果如下:9.6 kHz時(shí),特性阻抗計(jì)算值為271.9 Ω,衰減為2.0 dB·km-1;38.4 kHz時(shí),特性阻抗計(jì)算值為181.2 Ω,衰減為2.6 dB·km-1;3~20 MHz時(shí),特性阻抗計(jì)算值為158.5~160.1 Ω;4~16 MHz時(shí),衰減為15.2~30.1 dB·km-1。

4 性能測(cè)試

本工作設(shè)計(jì)和研制的Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜經(jīng)檢測(cè),其實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值較接近,符合Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜技術(shù)規(guī)范,滿足Profibus數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的使用要求。Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜主要性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜性能試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知,該電纜與國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)要求相比,在結(jié)構(gòu)尺寸、電氣性能指標(biāo)方面均達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平。

在設(shè)計(jì)該電纜時(shí),考慮到導(dǎo)體為單根非絞合型式,絕緣采用了皮-泡-皮三層共擠結(jié)構(gòu),與泡-皮兩層共擠結(jié)構(gòu)的Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜相比,絕緣與導(dǎo)體結(jié)合緊密,附著性高,大大提高了絕緣的介電強(qiáng)度和電氣性能的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

本工作設(shè)計(jì)的Profibus-DP數(shù)據(jù)總線電纜在結(jié)構(gòu)尺寸、電氣性能指標(biāo)方面均達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)要求,滿足Profibus數(shù)據(jù)總線的使用要求。通過介紹Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線電纜,對(duì)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線電纜的結(jié)構(gòu)及電氣性能參數(shù)有了更深入的了解,為Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線電纜的設(shè)計(jì)選型提供了參考依據(jù)。