双绞线及其在控制系统中的应用

今年ADS Injector II恒温器位置和型号有变动,所以低温控制系统也要随之变动,需要调整、新增信号线(还需要修改程序)。接线是控制系统建设中一个基础性的工作,接线的规范性和质量不仅对控制系统的可靠性有影响,而且对测控的准确性有影响,严重时会导致测控失败。这是从实践中得来的教训,所以这次对接线格外重视。

这次控制系统变动需要考虑五种信号的线缆,分别是4-20mA氦压信号,4-20mA氮压信号,氦液位信号(疑为电压/电流信号,好像是四线制RTD温度信号,所以这么说),氮液位信号(疑为脉冲信号),来自规管的氦压信号(不知道什么信息类型,也可能是脉冲信号),电流引线保护信号(干接点,直流开关信号?)。在分析、猜测这些信号测量原理的基础上,确定了接线方法,重点是如何运用双绞线。

双绞线有很多标准,其中 一类线(CAT1) 、 二类线(CAT2) 、 三类线(CAT3) 、 四类线(CAT1) 由于是较早的标准,在加速器控制中已经很少听说了。下面就目前应用较多的几类双绞线的应用场景做一介绍。

五类线(CAT5):传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输,主要用于100BASE-T和10BASE-T网络。这是目前最常用的以太网电缆,该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料。

超五类线(CAT5e):传输频率为100MHz,主要用于千兆位以太网(1000Mbps)。具有衰减小,串扰少,并且具有更高的衰减与串扰的比值(ACR)和信噪比(StructuralReturn Loss)、更小的时延误差,性能得到很大提高。 通常采用24AWG线规(铜芯直径大约:0.51mm) 。

六类线(CAT6):传输频率为250MHz,最适用于传输速率高于1Gbps的应用,主要用于千兆位以太网(1000Mbps)。六类双绞线在外形上和结构上与五类或超五类双绞线都有一定的差别,不仅增加了绝缘的十字骨架,将双绞线的四对线分别置于十字骨架的四个凹槽内,而且电缆的直径也更粗。 通常采用23AWG线规(铜芯直径大约:0.57mm)。铜芯直径越粗传导性能就越好,线路上的信号衰减就越小,在PoE应用领域23AWG比24AWG在能量传递上有绝对优势 。CAT6线缆通常采用十字骨架结构减少线对之间串扰,其(NEXT)近端串扰性能指标比没有骨架结构的CAT5E性能指标在(1-100MHz)范围内均高出5-10dB。尽量减少线对间串扰是布线系统稳定高速传输数据信息的最重要的基础前提 。

超六类或6A(CAT6A):传输频率是200~250 MHz,最大传输速度也可达到1000 Mbps,主要应用于千兆位网络中。超六类线是六类线的改进版,同样是ANSI/EIA/TIA-568B.2和ISO 6类/E级标准中规定的一种非屏蔽双绞线电缆,在串扰、衰减和信噪比等方面有较大改善。

七类线(CAT7):传输频率至少可达500 MHz,传输速率可达10 Gbps,它主要为了适应万兆位以太网技术的应用和发展。该线是ISO 7类/F级标准中最新的一种屏蔽双绞线。

在Japan/RIKEN/SPring-8的升级计划中,将EtherCAT技术用作下一代控制系统的网络现场总线。由于在加速器和同步辐射装置中,某些控制单元可能会安装在电气噪声水平较高的地方,因此有必要注意电气噪声对LAN电缆的影响。因此,他们进行了IEC 61000 4-4中规定的电气快速瞬变/突发抗扰度(FTB)测试。测试结果表明,最好在电气噪声环境较差的位置使用CAT5e STP或CAT7。下表是测试结果:

表中的值表示错误率。 在四根局域网电缆中,CAT5e UTP的抗扰性最低。对于STP和CAT7,错误率会随着测试电压而逐渐增加。使用NiseBEAT胶带的CAT5e的错误率在30 kHz的+4.5 kV测试电压下突然增加。改变测试电压的极性没有差异。测试结论:在电气噪声环境良好的位置,CAT5e UTP表现出合理的性能;在电气噪声环境较差的位置,最好将CAT5e STP或CAT7用于EtherCAT网络。

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