本帖最后由 AndersonLam 于 2025-7-18 18:02 编辑
1. 摘要
随着人工智能（AI）和物联网（IoT）的快速发展，现代网络正加速推进数字化转型，以收集更多数据进行分析、训练和模型构建，从而在日益自动化的世界中支持决策。在工业以太网领域，单对双绞线以太网（SPE）技术通过单对铜缆同时传输数据和电力，这一新兴技术将成为更高效、更安全、更快速网络的核心。而在过程控制自动化市场，以太网-APL（高级物理层）标准凭借其高可靠性及在爆炸性危险环境（如化工、石油炼化等高危行业）中的本质安全性（IS），正受到广泛关注。
然而，随着所有原材料（尤其是铜）价格的持续上涨，工业通信网络的部署成本显著增加，其中电缆占据了较大比重。因此，对现有电缆系统进行测试至关重要——需验证其是否满足新一代高带宽SPE网络的要求，并符合以太网-APL和以太网-SPE的技术标准。全面的电缆测试不仅能降低建设成本，更是保障网络稳定性和性能的关键。
本文将从以太网-APL/SPE的技术要求、电缆测试的投资回报率、市场现状及经济分析等角度，阐述工业通信网络中电缆测试的重要性，同时提供相关数据以推动行业对该领域的重视。
2. 引言
随着工业4.0和数字化转型的持续推进，工业以太网在流程自动化中的应用日益广泛。然而，在化工、石油和天然气等高危行业中，传统以太网技术难以满足防爆要求。双线本质安全以太网（2-WISE Ethernet-APL）的诞生，恰好填补了这一技术空白。
以太网-SPE基于IEC DTS 63444:2023草案2.0端口配置文件10BASE-T1L标准，可支持智能工厂或非危险区域的长距离通信（最远1000米）；而Ethernet-APL则提供本质安全（IS）功能（覆盖距离最远200米），成为危险区域的理想解决方案。以太网协议具有高度通用性，支持多种工业协议（如EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET、IO-Link等），能够实现确定性通信和低延迟性能。
值得注意的是，无论是新建还是既有设施，线缆、线缆管理系统及人工成本可能占网络建设总成本的30%-50%。因此，通过优化线缆选型与安装流程以确保符合标准，对保障系统可靠性及履行质保承诺至关重要。
本文将探讨:
• Ethernet-APL 的技术优势及其对电缆的要求
• 测试现有电缆与新电缆的必要性
• 电缆测试的经济效益和行业实例
3. 以太网-APL 和以太网-SPE 的技术特性和电缆要求
工业以太网应用使用多种电缆类型，这些电缆在性能和电气特性方面各不相同。以太网 APL 网段的首选电缆类型基于符合 IEC 61158-2：2023 第 B.1 条的现场总线 A 型电缆 MAU 类型 1+3。此电缆符合 2-WISE 中所述的本质安全应用要求，但需要验证。这些电缆也可用于非本质安全应用。
3.1 Ethernet-APL 核心优势
Ethernet-APL 是专为过程工业设计的以太网物理层标准，具有以下特点:
• 本质安全 （IS）：符合 IEC 60079 标准，适用于 0/1/2 区的危险区域。
IEC 60079-14:2024
涵盖爆炸性环境中电气装置的设计、选择、安装和初步检查。它包括对电缆的特定要求，如下：
• 适用于危险区域的电缆类型（例如，铠装、屏蔽、隔爆或本质安全等级）。
• 温度等级（例如 -40 至 70 摄氏度）、机械保护（例如电缆导管）和耐化学性。
• 本质安全和非本质安全电路的布线和隔离。
• 电缆接头的选择和密封，以保持防爆完整性。
IEC 60079-25:2020
本部分重点介绍 本质安全系统 ，包括以下要求:
• 电感、电容和电阻等电缆参数对于保持本质安全至关重要的信息。
• 电缆长度限制基于系统的能量水平，需要限制直流回路电阻和插入损耗。
• 验证和系统设计中的电缆特性信息，包括屏蔽类型、接地方法和布线建议。
• 长距离通信：10BASE-T1L 以 10 Mbps 的速率支持长达 1000 米的传输，远超传统以太网 100 米的限制。
• 以太网 APL 工程电源
对于本质安全型 SPUR（支路，S）设备，有独特的电力要求，其工作电压和电流极低。对应支路设备功率等级 A为540 毫瓦，功率等级 B为1.17 瓦，功率等级 C为1.11 瓦；相比之下，非本质安全型 TRUNK（主干，T）设备支持更高的电压和电流，适用于不需要本质安全保护的区域。其供电等级包括功率等级 3为57.5 瓦，功率等级 4为92 瓦。
| Power Classes | | Maximum voltage / minimum output power | Permitted segment classes | | Permitted load power classes | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
随着电缆长度的增加，链路段的插入损耗（Insertion Loss）和直流回路电阻（DC Loop Resistance）也会相应增加。本质安全型在 SPUR（支路）电缆采用 IV 型（18 AWG）导线时，其推荐最大长度为 200 米；而非本质安全型 在Trunk（主干）电缆在相同类型导线下，其推荐最大长度为 1000 米。
| Parameter | | | | | | Maximum trunk cable length [m] | | | | | Maximum spur cable length [m] | | | | |
注意：由于此长度的电缆损耗，功率等级为 3 和 4 的现场开关将无法向超过 1000 米的终端设备提供全部功率输出。
3.2 以太网 SPE 核心优势
| Class power requirements matrix for PSE, PI and PD for Class 10 to 15 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
如果超过最高工作温度 70 摄氏度的条件下运行 Ethernet-SPE Type E 功率等级为 10 至 15 的设备，则电缆长度将根据导体线径与功率等级的不同而变化，具体可参考《IEC DTS 63444:2023 草案 2.0》中的表 D.4。
根据 IEEE 802.3-2022 第 104.2 条的规定，以太网-SPE 传输通道在功率等级 10 和 13时直流回路电阻应小于 65 Ω，在功率等级 11 和 14 时应小于 25 Ω，以及功率等级 12时直流回路电阻应小于 9.5 Ω。
| Calculated cable length on power class and wire size | AWG size w/o Interconnection module | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
注意：大电流功率等级 12 和 15 的电缆长度比低电流功率等级短，因为电缆电压和功率损耗与其直流电阻和长度成正比。
• 双线制供电 （PoDL）： 简化布线并降低安装成本。以太网 SPE 现场开关和设备将支持串行通信分类协议，以确定终端设备需要现场开关提供哪个 E 型功率等级，功率等级为 10、11、12、13、14 或 15。这使得低功率和高功率设备能够在各种应用中通过单根双绞线电缆连接作远程运行。
• 强抗干扰能力： 适用于电磁环境复杂的工业场景。以太网-APL EMC 测试规范在 IEC 61326-2-7 中定义。适用在具有高频开关设备（例如，变频驱动器 （VFD）/逆变器、开关模式电源、脉宽调制 （PWM） 控制器、DC-DC 转换器、螺线管、执行器和传感器）的区域。
3.3 电缆的关键参数
Ethernet-APL 对电缆有严格的要求（IEC TS 60079-47），主要参数包括：
• 阻抗匹配: 100Ω ±20% 在 100kHz 至 20MHz 的频率范围内（根据 ASTM D4566-05 或同等国际标准测量），以确保信号完整性。
• 衰减 (插入损耗）限制特性:
<= (length(m) /10)_ * (1.23 * f^0.5 +0.01*f +0.2 * f^0.5 )
(f is frequency in MHz; 0.1 ≤ f ≤ 20)
(避免过度的信号衰减)
• 屏蔽性能: 独立屏蔽双绞线电缆。整体屏蔽覆盖率应大于或等于 90%。这意味着电缆必须有一个覆盖至少 90% 电缆圆周的整体屏蔽层（通常是铝箔或箔加编织层）。Ethernet-APL 和 Ethernet-SPE 遵循相同的电缆屏蔽端接规则。
• 电缆构成
Ethernet-SPE
o 外护套: 提供机械保护和耐环境性。
o 铝箔屏蔽: 提供 ≥90% 的覆盖率以阻止 EMI。
o 双绞导体: 通常为 18 AWG，绞合或实心，极性用颜色编码。
o 绝缘: 对每个导体进行电气隔离。
o 排扰线： 确保屏蔽层正确接地。
Ethernet-APL - 本质安全
o 阻燃外护套: 符合 IEC 60079-14 爆炸性环境标准。
o 铝箔屏蔽 + 排扰线: 提供 ≥90% 的 EMI 屏蔽，符合 IEC 61158-2 标准。
o 双绞导体: 18 AWG 实心铜，颜色编码。
o 绝缘: PVC（聚氯乙烯）或 LSZH（低烟无卤素），额定工业温度范围。
导体 1 是正极导体，导体 2 是负极导体，引脚 3 是屏蔽线。
| Ethernet-SPE device | Ethernet-SPE transmission channel | | | | | | | Preferred solution is direct shielding. |
电容器必须提供 3 至 10nF 的屏蔽对地耦合电容。从屏蔽层到地的直接电阻耦合必须小于 200 毫欧姆。
• 耦合 衰减 （dB） 为 >= 60，在 f 频率范围 0.1 到 20 MHz
• 回波损耗 (dB)
>= 15 + 8 * 频率：频率从0.1 to 0.5以MHz单位
>= 19 ；频率从0.5 to 20以MHz单位
• 串扰 (PSANEXT/PSAFEXT 线对线) (dB)
>= 60 ；频率从0.1 to 20以MHz单位
• 机械强度: 耐油、耐腐蚀、高抗拉强度
不符合这些标准的现有电缆可能会导致通信故障、数据丢失，甚至安全风险。
4 电缆测试的必要性
4.1 现有电缆的再利用价值
根据《2025 年全球工业以太网市场研究报告》，电缆、电缆管理和人工成本可能占整个网络部署成本的 30-50%，尤其是在长距离、冗余布线和防爆区域。与此同时，铜价自 2020 年以来持续上涨，2024 年全球平均铜价已超过每吨 10,300 美元，目前伦敦金属交易所平均价格为每吨 10,100 美元，进一步推高了布线成本。
在过去十年中，许多工厂为 PROFIBUS PA 或 HART 部署了大量现场总线 A 型屏蔽双绞线电缆。如果这些旧电缆能够满足 Ethernet-APL 和/或 Ethernet-SPE 的传输性能和安全要求，升级成本和施工难度将大大降低。
虽然企业倾向于重复使用现有电缆，但 Ethernet-APL 和 Ethernet-SPE 的电气特性对于传统电缆至关重要;因此，测试对于确保将来不会因设备通信故障而停机至关重要。电缆必须经过鉴定，以查看 10BASE-T1L 设备是否正在连接并且有足够的裕量。
电缆测试的必要性：从“可用”到“可靠”
Ethernet-APL 和 SPE 对电缆的性能要求比传统的现场总线高很多，主要体现在以下几个方面：
| | | | | | | | | ≤ 25.4 dB @ 3.75 MHz (1000 m) | | | | | | | | | | | | ≤ 25 Ω per conductor (典型 AWG 18) | ~21.8 Ω per conductor (AWG 18) | |
| 性能指标 | | | | | | | ≤ 3.75Mhz 时为 25.4 dB（此限制可确保使用符合标准的屏蔽双绞线 （STP） 或非屏蔽双绞线 （UTP） 电缆进行长距离（最远 1000 米）的可靠通信） | | | | | | | | | | | | 符合 IEC TS 60079-47（2-WISE） 标准 | |
据估计，市场上 60-80% 的现场总线 A 型电缆可能与 10BASE-T1L / Ethernet-APL 兼容。 因此，仅凭线缆型号或经验来判断是否适合 Ethernet-APL 是不可靠的。 必须由专业仪表对电缆进行全面评估。如果电缆不工作，则需要进行故障排除，包括：
• TDR（时域反射法）测试: 检测开路、短路、阻抗不匹配。
• 插入损耗和回波损耗测试: 评估信号完整性;10BASE-T1L 实现了回声消除和回波损耗，并且必须在设计、材料选择和安装中管理阻抗不连续性。
• 直流回路电阻和对地泄漏测试: 测量双绞线电缆、正负导体与保护接地的隔离造成的损耗，并查找接地故障。对功率等级支持和安全性所必需的测试。
• 误码率和链路质量测试: 模拟真实通信环境中的性能。检查信噪比裕度并发送数据以评估误码率 （BER） 是否小于10-10。
个案研究：
根据一些行业技术报告（2023 年），一家石化厂测试了现有电缆，确认 42% 的双绞线符合 Ethernet-APL 标准，节省了约 120,000 欧元 的电缆更换成本。
4.2 新电缆的测试亦不容忽视
即使新电缆名义上符合 Ethernet-APL 标准，它仍然会因运输、存储或安装问题而降低性能。随着时间的推移，需要定期维护以检查双绞线电缆是否退化。例如：
• 连接器接触不良: 导致阻抗突变
• 机械损伤: 可能会降低屏蔽效果和覆盖范围
• 环境因素: 由于温度变化或水分进入而导致的参数漂移。
数据支持
根据行业统计数据，大约 15% 的新电缆在安装后存在潜在问题，如果不进行测试，可能会在 6-12 个月内导致故障。
5 电缆测试的经济效益
5.1 成本比较：测试与故障维修
结论： 测试的成本远低于修复故障的成本。
5.2 行业趋势和市场需求
• 金属价格上涨: 到 2025 年，工业以太网电缆成本将上涨 25%，这促使公司优化现有资源。
• 更严格的安全法规: 像 IEC 62443 这样的标准要求对工业自动化与控制系统（IACS）以及操作技术（OT）网络环境进行严格验证。
• 预测性维护需求: 电缆测试可以整合到智能工厂的健康监测系统中。
6 结论和建议
单对以太网 （SPE） 和以太网 APL 的引入彻底改变了工业通信，但电缆合规性与网络的可靠性和经济性直接相关。无论是旧电缆的再利用还是新电缆的铺设，测试都是必不可少的。
建议
• 建立标准化的测试流程: 使用专业测试仪进行全参数测试，相关测试产品可以咨询 Telebyte。
• 定期监测电缆状况: 结合预测性维护技术，可以在潜在问题发生之前识别它们。
• 行业协作推动标准: 鼓励设备制造商和系统集成商共同努力制定最佳实践方案。
通过科学的电缆测试，企业不仅可以降低网络建设成本，还可以保证通信安全，为工业 4.0 的实施提供坚实的基础。
参考资料:
1. IEC 60079-11: Explosive atmospheres – Part 11: Equipment protection by intrinsic safety "i"
2. IEEE 802.3cg-2019: 10BASE-T1L Ethernet Standard
3. Fluke Networks, "The Cost of Network Downtime," 2023
4. Industrial Ethernet Market Report, 2024
5. IEC DTS 63444:2023 Draft 2.0 Port Profile
6. IEC 60079-14:2024 Standard for Electrical Installations in Explosive Atmospheres
7. IEC 60079-25:2020 Explosive atmospheres - Part 25: Intrinsically Safe Electrical Systems
8. IEC 61156-13 Multicore and symmetrical pair/quad cables for digital communications – Part 13: Symmetrical single pair cables with transmission characteristics up to 20 MHz – Horizontal floor wiring – Sectional specification
9. IEC 61158-2 Industrial communication networks – Fieldbus specifications – Part 2: Physical layer specification and service definition
编者：Telebyte David Bessonen 与 Anderson Lam
lam.anderson@outlook.com
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