Profibus-DP数据总线电缆的研制

王海岭, 张红艳, 李才有

(1.安徽新科电缆集团股份有限公司, 无为 238300; 2.安徽纵横高科电缆股份有限公司, 合肥 230051;3.国家特种电线电缆产品质量检验检测中心(安徽), 无为 238300)

0 引 言

随着国内工业化进程的不断深入和发展,工业自动化对网络的需求日益广泛,传统的控制方法已无法适应现代企业的管理和控制模式,传统的控制方法需对现场设备的信号进行点对点的固定连接,包括24 VDC或0~20 mA及其他各种信号。如果控制设备不在现场,又需要敷设大量线缆用以传输各种信号,这就不仅费工、费料,而且一旦系统扩建或改造,整个线缆必须变动,无法跟上现代企业工业自动化系统结构的变化[1]。Profibus总线技术是适应自动控制系统智能化、分布化、网络化发展形成的新技术。Profibus现场总线是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准,由于Profibus现场总线传送速度可在9.6 Kbit·s-1~12 Mbit·s-1范围内选择,具有广阔的发展前景和先进性,广泛应用于制造业自动化、过程控制自动化、电力、楼宇和交通等领域,因此国际著名的自动化厂商纷纷推出各自的现场总线标准,如德国在1959年发布了DIN 19295总线标准,欧洲在1996年颁布了EN 50170总线标准,IEC国际电工委员在1999年发布了IEC61158 TYPE 3 Profibus标准,我国标准化管理委员会也在2006年10月发布了GB/T 20540—2006(测量和控制数字数据通信 工业控制系统用现场总线 类型3:Profibus规范)标准。Profibus由Profibus-DP、Profibus-PA、Profibus-FMS等3个兼容部分组成,其中Profibus-DP是一种高速低成本通信,用于设备级控制系统与分散式I/O的通信,可取代24 VDC或0~20 mA信号传输[1]。然而Profibus-DP作为现场总线连接设备的数据总线电缆却没详细的介绍,这给电缆的选型带来了困难。本工作参考Profibus-DP现场总线的特点和传输技术要求,对电缆进行了研制,并在电缆的材料选型、结构设计和生产控制上进行简单的阐述。

1 主要技术指标及设计重点

参考国外对Profibus-DP数据总线电缆性能的要求[2],电缆的主要技术指标如下:

(1) 特性阻抗。9.6 kHz时,电缆特性阻抗为 (270±27.0) Ω;38.4 kHz时,电缆特性阻抗为(185±18.5) Ω;3~20 MHz时,电缆特性阻抗为(150±15.0) Ω。

(2) 衰减。9.6 kHz时,电缆的衰减不大于2.5 dB·km-1;38.4 kHz时,电缆的衰减不大于4.0 dB·km-1;4 MHz时,电缆的衰减不大于22 dB·km-1;16 MHz时,电缆的衰减不大于42 dB·km-1。

(3) 工作电容。1 kHz时,电缆的电容不大于28.5 nF·km-1。

(4) 工作电压。电缆工作电压最高为350 V。

(5) 导体电阻。20 ℃时每千米长度的导体直流电阻不大于55.0 Ω·km-1。

(6) 绝缘电阻。20 ℃时的绝缘电阻不小于10 000 MΩ·km。

(7) 电缆工作环境温度。电缆工作环境温度为-40~70 ℃(静态)。

(8) 电缆外径。电缆外径为(8.0±0.4)mm。

通过对Profibus-DP数据总线电缆性能要求的综合分析,一次参数工作电容、二次参数特性阻抗和衰减是该电缆的设计重点。除此之外,该电缆还必须满足绝缘电阻高、耐低温的特性要求。针对上述设计要求,本工作研制的电缆的设计重点确定在材料选型、结构设计和生产工艺的控制等方面。

2 材料选型及工艺控制

2.1 导 体

导体是信号传输的重要载体,也是影响数据总线电缆一次参数和二次参数的重要因素之一。为降低电缆的工作电容、衰减,满足电缆工作环境温度和外径的要求,同时考虑到电缆的工作频率不是太高,选用无氧纯铜线作为该数据总线电缆的导体。

根据电缆的电性能指标要求,导体规格选用22 AWG,即结构为1×0.66 mm的无氧纯铜线作为导体。生产时,绝缘线芯采用导体连续拉制、退火、预热和绝缘挤出一次性完成的工艺流程,以保证绝缘线芯结构的均匀性和电缆电气参数的稳定性,导体直径控制在(0.66±0.005)mm范围内。

2.2 绝 缘

绝缘是Profibus-DP数据总线电缆设计的关键。绝缘的类别对信号传输有着至关重要的影响,不但关系到电缆的结构和工作条件,还决定着电缆的一次参数和二次参数等电气特性,如电容、衰减和特性阻抗等性能。根据Profibus-DP数据总线电缆的使用条件和电气性能要求,绝缘采用皮-泡-皮结构:内皮为实心的低密度聚乙烯绝缘料,主要作用是增强绝缘和导体的附着性,提高绝缘的介电强度;发泡绝缘层由低密度聚乙烯、高密度聚乙烯及成核剂组成混合料,挤出时在高压、高纯度氮气作用下进行物理发泡,发泡绝缘的主要作用是降低绝缘层的介电常数、工作电容和电缆外径;外皮采用实心高密度聚乙烯绝缘料,外皮的主要作用是增加绝缘单线的机械强度,保护绝缘线芯,防止水汽进入绝缘影响电缆的电气性能。聚乙烯皮-泡-皮绝缘结构由于具有较低的介电常数及介质损耗的特点,被广泛应用于性能要求较高的通信、射频和数据总线电缆中,有着使用频率范围宽、工作电容小、衰减低和绝缘性高的特点,其长期允许的工作温度范围为-55~70 ℃。

内皮绝缘厚度控制在(0.10±0.02)mm范围内。外皮厚度控制在(0.12±0.02)mm范围内,外皮绝缘采用红、绿两种颜色进行区分。绝缘总外径控制在2.40~2.50 mm范围内,生产时考虑到绝缘偏心的存在,绝缘外径按上偏差生产。绝缘的发泡度控制在(60±5)%范围内,绝缘偏心度不大于5%。

2.3 成缆与内护套

Profibus-DP数据总线电缆的绝缘是皮-泡-皮结构,相比实心聚乙烯绝缘,其抗压性能较差,为防止绝缘线芯在成缆时受损,影响电缆的机械性能和电气性能,红、绿两根绝缘线芯在成缆时采用退扭方式。成缆方向为右向,节距控制在90~98 mm范围内,成缆时要控制好各线芯的张力,节距要均匀一致,以确保电缆电气性能的稳定,缆芯表面绕包聚酯带以防止内护套挤包时烫伤绝缘线芯。

屏蔽前,根据客户要求,缆芯表面可以挤包一层厚0.40~0.50 mm的软质白色聚氯乙烯材料作为内护套,以提高电缆的圆整性。

2.4 屏 蔽

屏蔽层采用厚0.03 mm的铝塑复合带绕包,铝塑复合带绕包搭盖率不小于25%,再用直径0.12 mm的镀锡铜丝进行编织,编织密度不小于80%,双层屏蔽可以提高电缆的抗干扰性能,增强电缆的电磁兼容能力,降低外界电磁波对电缆的辐射。

2.5 护 套

当电缆处于-40 ℃低温环境中时,长期弯曲敷设部位的电缆会有内应力存在,导致电缆护套出现裂纹或开裂,为适应-40~70 ℃的使用环境要求,电缆采用耐低温-40 ℃、高温70 ℃的紫色软质聚氯乙烯(PVC)材料作为电缆护套。护套挤包厚度0.7~0.8 mm,电缆外径控制在(8.0±0.4)mm范围内。

3 关键性能设计

Profibus-DP数据总线电缆的结构示意图见图1。

图1 Profibus-DP数据总线电缆结构示意图

Profibus-DP数据总线电缆导体外径为0.66 mm、绝缘层的外径为2.40 mm、电缆的外径为(8.0±0.4)mm,对电缆的相关电气和传输性能参数进行计算,以校验电缆的性能设计能否满足设计要求。

3.1 电气性能设计

根据电缆结构尺寸,依据通信电缆设计步骤[3],电缆在4 MHz时相关参数计算结果见表1。

表1 电缆参数计算结果

通过计算验证了电缆在4 MHz时的一次参数电容、二次参数特性阻抗和衰减均满足电缆设计要求。

3.2 其他频率下传输性能计算

采用上述相同的方法,计算出其他频率下的特性阻抗和衰减,结果均符合设计要求,计算结果如下:9.6 kHz时,特性阻抗计算值为271.9 Ω,衰减为2.0 dB·km-1;38.4 kHz时,特性阻抗计算值为181.2 Ω,衰减为2.6 dB·km-1;3~20 MHz时,特性阻抗计算值为158.5~160.1 Ω;4~16 MHz时,衰减为15.2~30.1 dB·km-1。

4 性能测试

本工作设计和研制的Profibus-DP数据总线电缆经检测,其实测值与理论计算值较接近,符合Profibus-DP数据总线电缆技术规范,满足Profibus数据总线系统的使用要求。Profibus-DP数据总线电缆主要性能试验结果见表2。

表2 Profibus-DP数据总线电缆性能试验结果

由表2可知,该电缆与国外同类产品的技术要求相比,在结构尺寸、电气性能指标方面均达到了国外同类产品的技术水平。

在设计该电缆时,考虑到导体为单根非绞合型式,绝缘采用了皮-泡-皮三层共挤结构,与泡-皮两层共挤结构的Profibus-DP数据总线电缆相比,绝缘与导体结合紧密,附着性高,大大提高了绝缘的介电强度和电气性能的稳定性。

5 结束语

本工作设计的Profibus-DP数据总线电缆在结构尺寸、电气性能指标方面均达到了国外同类产品的技术要求,满足Profibus数据总线的使用要求。通过介绍Profibus-DP现场总线电缆,对Profibus-DP现场总线电缆的结构及电气性能参数有了更深入的了解,为Profibus-DP现场总线电缆的设计选型提供了参考依据。