В нашей предыдущей статье мы рассматривали основные типы оптических волокон. Среди всего прочего, обращалось внимание на то, что область применения оптического волокна не ограничивается лишь компьютерными сетями. Растет число областей промышленности, в которых используются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).
имеет большой опыт в поставке волоконно-оптических компонентов для индустриальных применений. И в этой статье мы рассмотрим основные особенности оптического волокна с точки зрения специфики промышленных условий и приведем некоторые конкретные примеры его применения в разных областях промышленности.
В промышленных применениях редко возникает необходимость в высокоскоростной передаче сигнала на большие расстояния. Типичные значения скорости передачи ограничиваются сотнями Мбит/с, а длина участка линии связи составляет десятки-сотни метров. Этим условиям вполне отвечают стандартные линии на основе витой пары или коаксиального кабеля, а также беспроводная связь. Однако в промышленных условиях на первый план выходят такие факторы, как безопасность и надежность передачи информации. И в этой связи дают о себе знать другие преимущества оптоволокна, существенно выделяющие его на фоне конкурентов. В первую очередь, речь идет о следующих двух особенностях оптического волокна:
- Невосприимчивость к электромагнитному излучению (ЭМИ)
. Промышленные процессы зачастую сопровождаются повышенным уровнем электромагнитного шума, источником которого могут быть силовые установки, радиоаппаратура и прочее технологическое оборудование. Электромагнитные помехи могут привести к искажению или даже полной потере данных. В отличие от своих конкурентов, оптическое волокно изготавливается из диэлектрического материала, а потому абсолютно невосприимчиво к электромагнитным помехам. Это позволяет прокладывать оптическую линию связи в непосредственной близости к источникам ЭМИ (в частности, к силовым линиям питания технологического оборудования). Вдобавок, оптоволокно само не создает электромагнитных полей в окружающем пространстве, поэтому между соседними оптоволоконными линиями связи не возникает перекрестных помех. - Гальваническая развязка
. Поскольку оптическое волокно является диэлектриком, между передающей и приемной стороной отсутствует электрический контакт. Это позволяет решить большое количество проблем, связанных с разностью потенциалов соединяемого оборудования, протеканием выравнивающего тока при неидеальном заземлении, а также скачками напряжения и другими аварийными ситуациями. Оптоволокно обеспечивает изоляцию значительно более высокого напряжения, чем оптроны и другие микросхемы, используемые для гальванической развязки.
По этим причинам во многих промышленных применениях наилучшим, а подчас и единственно верным, решением является использование оптического волокна. Большую популярность получили индустриальные линии связи на основе пластикового (полимерного) оптического волокна (POF), поскольку они полностью отвечают предъявляемым требованиям и в то же время привлекают сравнительно низкой стоимостью компонентов и простотой работы с POF. Спектр возможных применений оптоволокна (в частности, POF) в промышленности очень разнообразен. Далее мы вкратце рассмотрим некоторые конкретные примеры, взятые из руководства по применению (Application Note), выпущенного компанией Avago Technologies (сейчас – Broadcom Limited), – одним из ведущих производителей индустриальных волоконно-оптических компонентов.
Управление технологическими процессами
В автоматизированных промышленных системах контроллеры получают сигналы управления от компьютера, который может быть удален на некоторое расстояние. Линии связи, по которым передаются эти сигналы, часто располагаются вдоль линий питания и вблизи технологических установок. Чтобы исключить влияние помех на передаваемые сигналы, применяется оптическое волокно. Так, при помощи оптоволокна можно организовать связь между компьютером и программируемым логическим контроллером (ПЛК), а также связь между несколькими ПЛК, объединенными в общую информационную сеть.
Другим примером является управление промышленными роботами, в конструкцию которых входят электродвигатели, соленоиды и прочие элементы, создающие электромагнитные помехи. Относительная гибкость оптического волокна позволяет также использовать его для связи между движущимися частями робота.
Физические основы работы оптоволокна
В основе физических принципов работы оптического волокна лежит принцип полного отражения. Если взять две среды с различными коэффициентами преломления n1 и n2, причем n2< n1 (например, воздух и стекло или стекло и прозрачный пластик) и пустить луч света под углом α к границе раздела, то произойдут два события.
Луч (на рисунке обозначен красным цветом), пущенный сверху слева (по стрелке), частично преломится и пойдет по среде с коэффициентом преломления n2 под углом α1<�α – эта часть луча обозначена штриховой линией. Другая часть луча отразится от границы раздела под тем же углом. Если пустить луч под более пологим углом β (зеленый луч на рисунке), то произойдет то же самое – частичное отражение и частичное преломление под углом β1.
Если угол падения α уменьшить еще (синий луч на рисунке), то можно добиться, чтобы преломленная часть луча «скользила» практически параллельно границе раздела сред (синяя штриховая линия). Дальнейшее уменьшение угла падения (зеленый луч, падающий под углом β) вызовет качественный скачок – преломленная часть будет отсутствовать. Луч полностью отразится от границы раздела двух сред. Этот угол называется углом полного отражения, а само явление – полным отражением. То же самое будет наблюдаться и при дальнейшем уменьшении угла падения.
Системы сбора данных и измерительные системы
Большое значение на производстве также играют контрольно-измерительные системы. Зачастую необходимо проводить мониторинг различных параметров высоковольтного оборудования. Обработка полученных данных при этом осуществляется при помощи низковольтной микропроцессорной техники. Поэтому для передачи сигналов необходима надежная гальваническая развязка, которая достигается при использовании оптического волокна.
В автоматизированных контрольно-измерительных системах также широко используется интерфейсная шина GPIB (IEEE-488). При помощи оптоволокна можно увеличить расстояние между измерительным прибором и компьютером, обрабатывающим информацию. При этом обеспечивается гальваническая развязка и защита от электромагнитных помех, что критично с точки зрения точности измерений.
Силовое оборудование
Оптическое волокно используется не только для передачи информации от одних промышленных установок к другим. Оптоволоконные интерфейсы часто применяются внутри оборудования для связи между его частями. В качестве примера можно привести управление IGBT транзисторами, служащими в качестве электронных ключей в инверторах, импульсных источниках питания и других силовых приборах. Оптоволокно обеспечивает надежную гальваническую развязку между низковольтным микроконтроллером, формирующим управляющие сигналы, и затвором силового транзистора.
Другим устройством силовой электроники, в котором используется оптическое волокно, является статический компенсатор реактивной мощности (SVC – Static VAR Compensator), применяемый в высоковольтных системах для уменьшения нагрузки на распределительную сеть, улучшения качества подаваемой электроэнергии и снижения расходов. Основными элементами SVC являются конденсаторы с тиристорным переключением (TSC – Thyristor-Switched Capacitors) и реакторы с тиристорным управлением (TCR – Thyristor-Controlled Reactor), переключение которых приводит к возникновению сильных электромагнитных полей. Поэтому для передачи управляющих сигналов и сигналов обратной связи в SVC применяется оптическое волокно, невосприимчивое к помехам и обеспечивающую гальваническую развязку.
Устройство оптоволоконной линии
По ВОЛС передается световой сигнал, создаваемый светодиодом или лазером. В передающем устройстве формируется электрический сигнал. Конечному прибору также нужен сигнал в виде электрических импульсов. Поэтому потребуется дважды преобразовать исходные данные. Упрощенная схема оптоволоконной линии показана на рисунке.
Сигнал от передающего устройства преобразовывается в световые импульсы и передается по оптической линии. Мощность излучателей на передающей стороне имеет ограничения, поэтому на линиях большой протяженности через определенные промежутки ставятся устройства, компенсирующие затухание – оптические усилители, регенераторы или повторители. На приемной стороне стоит другой преобразователь, который трансформирует оптический сигнал в электрический.
Установки альтернативной энергетики
Из рассмотренного выше видно, что оптоволокно может применяться на разных этапах одного и того же технологического процесса. В качестве примера рассмотрим такую набирающую популярность в последние годы область промышленности, как альтернативная энергетика. Наиболее распространенными направлениями на сегодняшний день являются ветроэнергетика и солнечная энергетика.
Ветрогенератор
(ВЭУ – ветроэлектрическая установка) преобразует кинетическую энергию ветрового потока в электрическую энергию. В конструкцию ветрогенератора входят выпрямители, инверторы, трансформаторы и фильтры, осуществляющие необходимое преобразование выработанной электроэнергии для ее последующей передачи на большие расстояния. Соединение силового оборудования ветрогенераторов при помощи оптического волокна позволяет исключить влияние скачков напряжения и электромагнитных помех на передаваемые сигналы. Волоконно-оптические компоненты могут располагаться в непосредственной близости к оборудованию и силовым линиям. Оптическое волокно может применяться в следующем оборудовании ветровой электростанции:
- Драйверы затвора силовых транзисторов в выпрямителях и инверторах.
- Приборные и коммуникационные панели.
- Блоки управления турбиной.
- Системы мониторинга условий окружающей среды и состояния оборудования.
- Информационные сети ветровых электростанций.
Аналогичным образом оптическое волокно применяется и в оборудовании электростанций на основе солнечных батарей, преобразующих солнечную энергию в электрический ток. Оптоволокно на солнечных электростанциях
применяется в следующих системах:
- Драйверы затвора транзисторов в силовых инверторах.
- Приборные и коммуникационные панели.
- Оборудование автоматизации подстанций и релейной защиты.
Кварцевое одномодовое волокно
В одномодовом волокне
, как следует из названия, распространяется только одна (основная) мода излучения. Это достигается за счет очень маленького диаметра сердцевины (обычно 8-10 мкм). Диаметр оптической оболочки такой же, как и у многомодового волокна – 125 мкм. Отсутствие других мод положительно сказывается на характеристиках оптоволокна (нет межмодовой дисперсии), увеличивая дальность передачи без ретрансляции до сотен километров и скорость до десятков Гбит/с (приводим стандартные значения, а не те «рекордные», которые достигаются в исследовательских лабораториях). Затухание в одномодовом волокне также крайне низкое (менее 0,4 дБ/км).
Диапазон длин волн для одномодового волокна достаточно широк. Обычно передача осуществляется на длинах волн 1310 и 1550 нм. При использовании технологии спектрального уплотнения каналов используются и другие длины волн (об этом чуть ниже).
Классификация.
Ассортимент кварцевых одномодовых волокон весьма разнообразен. Международный стандарт ISO/IEC 11801 и европейский EN 50173 по аналогии с многомодовым волокном выделяют два больших класса одномодовых волокон: OS1 и OS2 (OS – Optical Single-mode). Однако в связи с существующей путаницей, связанной с этим делением, не рекомендуем ориентироваться на эту классификацию. Гораздо более информативными являются рекомендации ITU-T G.652-657, выделяющие больше типов одномодовых волокон.
В таблице ниже представлена краткая характеристика этих волокон и их применение. Но прежде – пара комментариев. Межмодовая дисперсия, отсутствующая в одномодовом волокне, является не единственным механизмом уширения оптического импульса. В одномодовом волокне на первый план выходят другие механизмы, прежде всего, хроматическая дисперсия, связанная с тем, что ни один источник излучения (даже лазер) не испускает строго монохроматичное излучение. При этом существует длина волны, при которой коэффициент хроматической дисперсии равен нулю. В большинстве случае работа на этой длине волны оказывается предпочтительной, но не всегда.
| Тип волокна | Описание | Применение |
| G.652. Одномодовое волокно с несмещенной дисперсией | Наиболее распространенный тип одномодового волокна с точкой нулевой дисперсии на длине волны 1300 нм. Различают 4 подкласса (A, B, C и D). Волокна G.652.C и G.652.D отличаются низким затуханием вблизи «водного пика» («водным пиком» называют область большого затухания в стандартном волокне около длины волны 1383 нм). | Стандартные области применения. |
| G.653. Одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией | Точка нулевой дисперсии смещена на длину волны 1550 нм. | Передача на длине волны 1550 нм. |
| G.654. Одномодовое волокно со смещенной длиной волны отсечки | Длина отсечки (минимальная длина волны, при которой волокно распространяет одну моду) смещена в область длин волн около 1550 нм. | Передача на длине волны 1550 нм на очень большие расстояния. Магистральные подводные кабели. |
| G.655. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией | Это волокно имеет небольшое, но не нулевое, значение дисперсии в диапазоне 1530-1565 нм (ненулевая дисперсия уменьшает нелинейные эффекты при одновременном распространении нескольких сигналов на разных длинах волн). | Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (DWDM). |
| G.656. Одномодовое волокно c ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной передачи | Ненулевая дисперсия в диапазоне длин волн 1460-1625 нм. | Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (CWDM/DWDM). |
| G.657. Одномодовое волокно, не чувствительное к потерям на макроизгибе | Волокно с уменьшенным минимальным радиусом изгиба и с меньшими потерями на изгибе. Выделяют несколько подклассов. | Для прокладывания в ограниченном пространстве. |
Применение.
Одномодовое кварцевое волокно, безусловно, является самым распространенным типом оптоволокна. С его помощью можно организовать передачу высокоскоростного сигнала на очень большие расстояния, а применение технологии спектрального уплотнения каналов (CWDM/DWDM) позволяет в разы увеличить пропускную способность линии связи. Одномодовое волокно часто применяется и на коротких дистанциях, например, в локальных сетях.
Оптические системы дуговой защиты
Следующий пример использования оптического волокна несколько отличается от всех предыдущих, поскольку здесь оптоволокно выступает не просто как канал связи, а как основной элемент системы. Речь идет об оптических системах защиты от электрической дуги в комплектных распределительных устройствах (КРУ) электрических подстанций. Такие системы регистрируют оптическое излучение вспышки света, возникающей при дуговом коротком замыкании. Этот подход позволяет минимизировать время срабатывания выключателя в случае аварии. В качестве чувствительного элемента обычно используется линзовый оптический датчик, собирающий излучение вспышки и передающий по оптоволокну на управляющее устройство, или же волоконно-оптический датчик, представляющий собой отрезок оптоволокна в прозрачной оболочке, который регистрирует свет всей своей поверхностью. Управление датчиками может производиться удаленно. Подробнее об оптических системах защиты от дуговых замыканий можно прочитать здесь.
Основные характеристики ММ волокон
Основные параметры ММ ОВ описаны и регламентированы в рек. G.651. Однако рек. G.651 не отражает, естественно, все разнообразие марок ММ ОВ. Значительно более информативны спецификации, приводимые в каталогах компаниями-производителями.
Параметры, перечисленные в спецификациях, как правило, достаточно понятны, однако некоторые из них нуждаются в пояснении.
- Тип волокна — стандартное или градиентное ММ ОВ. Иногда градиентное ОВ обозначается как GIF;
- Рабочие окна прозрачности — приведены только используемые окна: в окрестности 850 нм и 1310 нм;
- Затухание, прирост затухания, полоса пропускания, хроматическая дисперсия и групповой показатель преломления даются для двух длин волн — 850 и 1310 нм, соответствующих используемым окнам прозрачности;
- Широкополосность или параметр BW (band width) — имеет размерность [МГц∙км], т. е. соответствует ширине полосы, обеспечиваемой ВОЛС на длине 1 км (этот параметр иногда называют коэффициентом широкополосности, хотя правильнее говорить об относительной/нормированной полосе пропускания). Для ВОЛС длины L фактически обеспечиваемая полоса вычисляется как BW/L, т. е. она обратно пропорциональна длине линии. Этот параметр нормируется только для ММ ОВ, для которых трудно вычислить эквивалентную модовую дисперсию. Компания Corning чаще указывает гарантированное расстояние передачи гигабитного (GE) или 10-гигабитного (10GE) Ethernet, что более информативно, т. к. учитывает фактическую BW сигнала Ethernet.
- Динамическая усталость — фактор сопротивления динамической усталости, определяющий способность ОВ противостоять долговременным механическим нагрузкам (чем выше n, тем больше надежность волокна).
Другие автоматизированные системы
Необходимость в централизованном управлении различными установками возникает также и в других системах, не связанных с производством и энергетикой. Приведем два примера, в которых целесообразно использовать оптическое волокно.
Сеть POS-терминалов в магазинах, банках и других учреждениях.
Использование оптоволокна для передачи информации между POS-терминалами и центральным компьютером гарантирует высокую скорость связи и сохранность данных по проведенным операциям. Особенно это важно на крупных площадях, где могут присутствовать источники сильных помех.
Игровые развлекательные центры.
Оптоволокно также может быть использовано для автоматизации игровых развлекательных систем, а именно для связи центрального компьютера с игровыми автоматами, внутренних соединений автомата и связи между игровыми автоматами для многопользовательской игры.
Контрольный перечень параметров, необходимых для разработки оптоволоконной системы передачи данных
| Назначение (краткое описание задачи): | |
| Параметры аналогового сигнала: | |
| Входное напряжение | |
| Входной импеданс | |
| Выходное напряжение | |
| Выходной импеданс | |
| Отношение сигнал/шум | |
| Способ связи (по постоянному или переменному току) | |
| Полоса пропускания | |
| Разъемы | |
| Другие данные | |
| Параметры цифрового сигнала: | |
| Тип интерфейса (RS-232, 422, 485 и т.п.) | |
| Скорость передачи данных | |
| Способ связи (по постоянному или переменному току) | |
| Допустимая частота битовых ошибок | |
| Разъемы | |
| Другие данные | |
| Требования к источнику питания: | |
| Напряжение | |
| Ток | |
| Переменное или постоянное напряжение | |
| Разъемы | |
| Другие данные | |
| Требования к оптоволоконной линии: | |
| Длина линии | |
| Длина волны света | |
| Допустимые потери | |
| Оптические разъемы | |
| Тип оптоволокна | |
| Диаметр оптоволокна | |
| Условия монтажа | |
| Общие требования: | |
| Размер корпуса | |
| Способ монтажа | |
| Характеристики окружающей среды | |
| Диапазон рабочих температур | |
| Диапазон температур хранения | |
| Другие данные | |
| Дополнительные комментарии: | |
Медицинское оборудование
Еще одна область, в которой активно применяется оптическое волокно, – это медицинское оборудование. Изолирующие свойства оптического волокна обеспечивают защиту пациента, персонала и электроники от высоковольтной части аппаратуры. В качестве примера можно привести рентгеновский аппарат. Для генерации излучения к рентгеновской трубке подводится высокое напряжение. Оптоволокно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. При этом также устраняется влияние электромагнитных помех, возникающих при переключении высоких токов и напряжений.
Конечно, невозможно перечислить всех возможных промышленных применений оптического волокна. Однако эта область телекоммуникаций активно развивается как во всем мире, так и в нашей стране.
Для реализации этих и других подобных систем передачи информации выпускаются индустриальные волоконно-оптические компоненты, отвечающие жестким условиям промышленности. Большую популярность среди разработчиков заслужили компоненты линейки Versatile Link, выпускаемые компанией Broadcom Limited (ООО «ЭФО» является официальным дистрибьютором Broadcom). Эта линейка компонентов предназначена для работы с пластиковым оптическим волокном и включает дискретные оптические передатчики и приемники, коннекторы, адаптеры (розетки) и POF патч-корды. Компоненты Versatile Link отличаются надежностью, экономичностью, а также простотой эксплуатации, благодаря чему могут использоваться практически в любых сферах промышленности. В нашей следующей статье мы сделаем подробный обзор этой линейки компонентов. С ассортиментом продукции Versatile Link Вы можете ознакомиться на сайте , посвященном волоконно-оптическим компонентам – InFiber.ru:
- передатчики
- приемники
- коннекторы
- адаптеры
- кабель POF
- отладочные платы
