Jakie światłowody wybrać do swojej sieci?
Coraz więcej zakładów przemysłowych docenia korzyści ze stosowania sieci obiektowych do celów prognozowanego utrzymania ruchu oraz z uwagi na uzyskiwane oszczędności operacyjne. Sprawniejsze zarządzanie środkami trwałymi wynika z możliwości zgłaszania stanu przez urządzenia podłączone do sieci oraz ciągłego monitorowania stanu technicznego całego systemu. W wielu zakładach sieci obiektowe w standardzie m.in. DeviceNet czy Profibus odpowiadają za przesyłanie danych z odległych lokalizacji do centrum sterowania i z powrotem. Jednakże tradycyjne systemy magistralowe oparte na kablach miedzianych mają wiele ograniczeń.
Całkowite lub częściowe zastąpienie techniki miedzianej światłowodową gwarantuje liczne korzyści, do których zalicza się m.in.:
- odporność na zakłócenia elektryczne,
- izolacja galwaniczna segmentów sieci,
- obejście ograniczeń wynikających z natury prądu elektrycznego, takich jak maksymalna długość połączenia, szybkość przesyłu czy topologia,
- większa niezawodność całej infrastruktury sieci.
Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne i na częstotliwościach radiowych
Kable światłowodowe są wykonywane z różnych materiałów. Rodzaj materiału wpływa na koszt, dopuszczalną długość oraz dostępną przepustowość kabla. Zależnie od zastosowania do wyboru mamy kable zawierające włókna polimerowe (z tworzyw sztucznych – Polymer Optical Fibre, POF), włókna HCS (Hardened Clad Silica), szklane wielomodowe oraz szklane jednomodowe. Wspólną cechą wszystkich tych materiałów jest to, że nie przewodzą prądu elektrycznego. Dzięki temu są całkowicie odporne na zakłócenia elektromagnetyczne i na częstotliwościach radiowych, jakie mogą zostać wzbudzone w przypadku standardowego przewodu miedzianego. Odporność ta sprawia, że światłowody doskonale sprawdzają się w środowisku przemysłowym z wieloma źródłami zakłóceń elektrycznych, ponieważ nie jest potrzebne uziemienie i ekranowanie przewodów. Co więcej, na długich odcinkach możemy obok siebie poprowadzić kilka kabli bez ryzyka przeniku. Ponadto kabel światłowodowy może znajdować się obok linii elektroenergetycznych, torów wysokiego napięcia oraz na liniach produkcyjnych w zakładach motoryzacyjnych, gdzie pracują roboty spawalnicze.
Odporność na przepięcie
Odporność kabla światłowodowego na zakłócenia elektryczne pociąga za sobą naturalną odporność na przepięcia. Dzięki temu uderzenie pioruna w pobliżu światłowodu nie spowoduje uszkodzenia bezpośrednio podłączonych urządzeń. Wprawdzie w instalacji światłowodowej udział zabezpieczeń przeciwprzepięciowych może być minimalny, to jednak instalacje elektroenergetyczne i połączenia miedziane muszą być zawsze zaopatrzone w te elementy.
Pełna separacja potencjałów
Uziemienie i ekranowanie stosuje się często w wielu punktach zakładu, a między nimi może występować wyrównywanie potencjałów (pętla zwarciowa doziemna). Konsekwencją tego zjawiska są zakłócenia danych i zbędne powtórki pakietów, a przy tym z uwagi na nieciągły charakter takich zakłóceń niełatwo je wyeliminować. Pętlę zwarciową przerywa jednak kabel światłowodowy. Jej eliminacja znacznie upraszcza instalację w porównaniu z projektem opartym na standardowych kablach transmisyjnych, ponieważ pozbywamy się kwestii ekranowania i uziemienia.
Przewaga nośnika
Wybór między techniką miedzianą a światłowodową zależy od kilku czynników. Światłowód zdecydowanie najlepiej sprawdzi się na długich odcinkach o koniecznej dużej przepustowości, rzędu nawet kilku terabitów na sekundę. Dla tak określonych wymogów należałoby użyć tysięcy łączy miedzianych.
Kolejną zaletą kabla światłowodowego jest możliwość transmisji danych do wielu urządzeń w jednym kablu, poprzez utworzenie różnych kanałów dla danych. Dzięki technice zwielokrotniania falowego (Wavelength Division Multiplexing, WDM) możemy uzyskać do 80 odrębnych kanałów. Ponadto typowy dla kabli światłowodowych niski spadek jakości sygnału pozwala prowadzić je na dużych odległościach bez dodatkowych wzmacniaczy lub regeneratorów.
Norma elektryczna a protokół
Na rynku jest dostępnych wiele systemów magistralowych opartych na tych samych normach elektrycznych, takich jak RS-485 i RS-422. Powszechnym nieporozumieniem jest jednak traktowanie protokołu używanego w sieci magistralowej jako odpowiednika normy elektrycznej.
Norma elektryczna, czyli norma zalecana (Recommended Standard, RS), określa parametry elektryczne magistrali, wymogi dotyczące napięcia, topologię sieci, tryb pracy w sieci – tryb multidrop lub wielopunktowy – oraz maksymalny transfer i długość magistrali.
Z kolei protokół to zestaw reguł używanych w odniesieniu do danych wymienianych między dwoma urządzeniami końcowymi lub programami. Reguły te określają takie protokoły, jak Profibus, Modbus czy DeviceNet. Parametry definiowane poprzez protokoły to m.in. użycie technologii dwu- albo czteroprzewodowej, konfiguracja multi-master albo master/slave, szybkość transmisji oraz sposób kodowania i format danych. Do prawidłowej instalacji sieci światłowodowej potrzebna jest znajomość protokołu w danym systemie magistrali.
Zaawansowane parametry światłowodów
W ciągu minionych 10–15 lat technologia światłowodowa przeszła wiele zmian. W efekcie dostępne dziś konwertery światłowodowe to urządzenia oferujące szeroki zakres funkcji. Nie ograniczają się już tylko do konwersji sygnału z przewodu miedzianego na sygnał odpowiedni dla światłowodu. Oferowane są modele wyposażone w kilka gniazd światłowodowych, przy użyciu których możemy tworzyć redundantne konfiguracje punkt-punkt lub kompletne sieci światłowodowe o topologii gwiazdy, drzewa lub pierścienia z redundancją, w zależności od użytego protokołu.
Za pomocą diod LED wbudowane układy diagnostyczne lub pomiarowe sygnalizują moc sygnału przesyłanego między modułami. Z kolei użycie styku bezpotencjałowego, który zmieni stan przed zanikiem komunikacji, pozwala wykorzystać dodatkowe funkcje zdalnego alarmu. W tym celu odbiornik stale monitoruje jakość sygnału między dwoma urządzeniami światłowodowymi oraz sygnalizuje przekroczenie progu bezpieczeństwa.
Normy elektryczne mają pewne ograniczenia, jednak dostępne są urządzenia pozwalające ominąć niektóre z nich. Stosując kilka urządzeń światłowodowych ze wspólną płytą montażową i funkcją komunikacji z kilkoma modułami, możemy skonfigurować różne struktury sieci bez uszczerbku dla jakości transmisji danych.
Funkcje odtworzenia parametrów czasowych i nadpróbkowania bitów strumienia danych pozwalają budować w sposób kaskadowy wiele poziomów sieci z odgałęzieniami. Zanim sygnał zostanie przesłany z jednego urządzenia do kolejnego, może zostać odtworzony, jeśli poziom zakłóceń na wejściu wynosi do 35%. Dzięki takim zaawansowanym funkcjom możemy projektować złożone sieci o wymaganej dostępności, łatwe w obsłudze i zapewniające wysoką jakość działania systemu.
Podstawowe informacje
Użycie techniki światłowodowej w uproszczeniu polega na konwersji sygnałów elektrycznych na impulsy świetlne, które po przesłaniu za pośrednictwem kabla światłowodowego są konwertowane z powrotem do postaci sygnału elektrycznego. Ponadto w pewnych konfiguracjach sygnał elektryczny może być konwertowany z jednego standardu na inny, np. z RS-232 do RS-422.
Dla ułatwienia założymy, że sygnał z przewodu miedzianego po przekształceniu w impulsy świetlne i z powrotem do postaci elektrycznej zachowuje ten sam standard elektryczny. Konwertery mogą być zaopatrzone w złącze dla kanału nadawczego, odbiorczego, oba złącza, jak również po dwa złącza obu rodzajów. Dostępność różnych modeli pozwala na znaczną elastyczność przy projektowaniu i doborze topologii sieci.
Budowa światłowodu
Kable światłowodowe są projektowane i produkowane do wielu różnych zastosowań. Do wyboru mamy kable do instalacji w pomieszczeniach, pod gołym niebem czy pod ziemią, a także do zastosowań wymagających dużej elastyczności, np. dla poruszających się maszyn. Niezależnie od materiału użytego do produkcji danego kabla, wszystkie ich rodzaje mają kilka wspólnych elementów.
Nośnikiem, w którym porusza się światło, przekazując dane, jest rdzeń włókna światłowodowego. Rdzeń jest otoczony płaszczem, który jest integralną częścią kabla światłowodowego, ma nieco inne właściwości niż rdzeń oraz odgrywa rolę przy załamywaniu światła. Ostatnią warstwą jest pokrycie ochronne, które nie bierze udziału w załamywaniu światła, natomiast chroni kabel przed wpływami środowiska. Czasami do ochrony kabli stosuje się także włókninę aramidową oraz płaszcz zewnętrzny.
Do produkcji kabli światłowodowych wykorzystuje się trzy rodzaje materiałów: szkło, tworzywo sztuczne lub ich kombinację, określaną jako HCS (Hardened Clad Silica) lub PCS (Plastic Clad Silica). Kable HCS/PCS to kable zawierające światłowody ze szklanym rdzeniem w pokryciu ochronnym z tworzywa sztucznego/polimeru.
Dostępne na rynku kable światłowodowe mają różne średnice. Parametr ten określa się w mikronach ze wskazaniem kolejno średnicy rdzenia oraz średnicy rdzenia i płaszcza. Typowe średnice włókien to 980/1000, 200/230, 50/125 oraz 9/125 µm. Materiał i średnicę światłowodu dobieramy z myślą o możliwie najmniejszym tłumieniu dla określonej długości fali. Poszczególnym kablom światłowodowym odpowiadają różne długości fali (tabela).
Kolejnym parametrem kabla światłowodowego jest rodzaj propagacji: wielomodowy lub jednomodowy.
Ścieżka propagacji we włóknie wielomodowym obejmuje kilka modów (promieni) światła poruszającego się wzdłuż światłowodu. Tego rodzaju włókno ma grubszy rdzeń i cieńszy płaszcz, w związku z czym cechuje się wyższym poziomem tłumienia światła i może być używane na krótszym odcinku. W światłowodzie polimerowym promienie światła odbijają się od ścian płaszcza.
Światłowód wielomodowy może być także zbudowany na bazie włókna HCS i szkła. Mniejsza średnica rdzenia i większa średnica płaszcza zapewniają prostszą ścieżkę dla światła poruszającego się wzdłuż włókna. Efektem jest mniejsze tłumienie i możliwość zastosowania na większych odległościach.
I wreszcie włókno jednomodowe cechuje się najmniejszą średnicą rdzenia oraz największym procentowym udziałem płaszcza. Dzięki takiej budowie pojedynczy promień światła może poruszać się wzdłuż włókna z minimalnym tłumieniem i na najdłuższych odcinkach. Do produkcji włókien jednomodowych używa się szkła.
Często pada następujące pytanie: po co włókno z tworzywa sztucznego o średnicy 980/1000 µm podłączać do nadajnika światłowodowego generującego sygnał o długości fali 660 nm? Wynika to z położenia okien transmisji, czyli lokalnych minimów na wykresie tłumienności, których wykorzystanie pozwala użyć kabla o maksymalnej długości.
Dlaczego jednak nie używa się zawsze włókien jednomodowych, które cechuje najniższe tłumienie i maksymalna długość? Odpowiedź jest prosta: koszty. Urządzenia konieczne do wytworzenia laserowych promieni świetlnych są dużo droższe niż prosta dioda LED, która może pełnić rolę nadajnika w przypadku kabla ze światłowodami z tworzywa sztucznego. Skoro już mowa o kosztach, warto zauważyć, że dzięki postępom w technice światłowody są poważną konkurencją dla kabli miedzianych, szczególnie w zakładach produkcyjnych.
Skorzystajmy z danych w tabeli w kolumnie POF (polimery). Włókno HCS/PCF z kolumny 660 nm kosztowałoby półtora raza więcej, a z kolumny 850 nm dwukrotnie więcej niż włókno POF. Z kolei włókno szklane dla długości fali 850 nm kosztowałoby 2,5 razy więcej, a dla długości fali 1300 nm – od trzech do pięciu razy więcej niż włókno POF.
Logiczną decyzją jest więc wybór takiej technologii światłowodowej, która najlepiej odpowiada wymogom konkretnego zastosowania. Z pewnością nie jest to dziedzina, w której istnieje jedno rozwiązanie odpowiednie do wszystkich zastosowań.
Todd Shadle jest głównym specjalistą ds. marketingu produktów w firmie Phoenix Contact.
Artykuł pod redakcją Michała Andrzejczaka
Autor: Todd Shadle
