Światłowody w przemyśle. Część 1. Światłowodowe sieci komunikacyjne

Realizacja w większości zautomatyzowanych procesów przetwórczych i wytwórczych w różnych gałęziach przemysłu wymaga zapewnienia niezawodnej oraz szybkiej transmisji danych, w tym często na duże odległości i w obrębie rozległych instalacji technologicznych. W tym celu buduje się sieci przemysłowe za pośrednictwem których do systemów sterowania, nadzoru i wizualizacji docierają wyniki pomiarów oraz wskaźniki stanu pracy maszyn, a po ich przetworzeniu przesyłana jest informacja zwrotna do elementów wykonawczych. Sprawnie działająca sieć ma duży wpływ na ciągłość pracy zakładu i pozwala uniknąć kosztownych przerw w produkcji i awarii.

Posłuchaj
00:00
Spis treści

Sieci przemysłowe, w zależności od potrzeb i możliwości, realizuje się jako bezprzewodowe oraz przewodowe, w przypadku których jako medium transmisyjne używane są kable miedziane lub światłowodowe.

W artykule przedstawimy budowę, klasyfikację oraz przykłady wykorzystania tych ostatnich, wyjaśniając dlaczego światłowody coraz częściej zastępują w sieciach przemysłowych tradycyjne okablowanie z przewodami miedzianymi.

Podstawy technologii światłowodowych

Transmisja optyczna

Rys. 1. Informacja w światłowodach jest przesyłana w postaci promieni świetlnych, które ulegając kolejnym całkowitym odbiciom, rozchodzą się wzdłuż rdzenia pokrytego płaszczem

W światłowodach informacja przesyłana jest w postaci impulsów świetlnych rozchodzących się wzdłuż rdzenia pokrytego płaszczem. Promienie przemieszczają się, ponieważ ulegają kolejnym tzw. całkowitym odbiciom.

Istotę tego zjawiska wyjaśnia prawo Snella, zgodnie z którym światło padając na granicę między dwoma ośrodkami o różnych współczynnikach załamania, zmienia swój kierunek, załamując się w drugim ośrodku.

Jeżeli jednak promień pada od strony ośrodka o większym współczynniku załamania (w światłowodach jest to rdzeń) pod kątem większym niż tzw. kąt graniczny to nie przenika do drugiego ośrodka, tylko w całości się od niego odbija (rys. 1).

Straty mocy światła, a tym samym przesyłanej informacji są wówczas pomijalnie małe. Dzięki temu segmenty sieci światłowodowej między kolejnymi wzmacniaczami sygnału mogą mieć długość nawet kilku kilometrów, co umożliwia realizację transmisji na bardzo duże odległości.

Klasyfikacja światłowodów

Światłowody dzieli się na szklane, wykonywane przeważnie z charakteryzującego się dużą przezroczystością szkła kwarcowego oraz plastikowe. Produkuje się też kable, w których rdzeń jest wykonany ze szkła, a płaszcz z tworzywa sztucznego. Ze względu na sposób propagacji promieni świetlnych w rdzeniu w grupie światłowodów szklanych wyróżnia się włókna jednomodowe oraz wielomodowe.

W jednomodowych fala świetlna rozchodzi się jako pojedynczy mod wzdłuż osi światłowodu. W tych drugich natomiast występuje wiele modów światła, które docierają do odbiornika różnymi drogami. Aby w światłowodzie możliwa była propagacja jednomodowa, średnica rdzenia musi mieć rozmiar zbliżony do długości fali świetnej.

Dlatego taki światłowód jest bardzo cienki - typowo od 3 do 10 μm (przeważnie 9 μm) przy długości fali w zakresie 1300- 1550 nm. Standardowa średnica płaszcza to z kolei 125 μm. W porównaniu do światłowodów wielomodowych i plastikowych, jednomodowe charakteryzuje bardzo małe tłumienie mocy świetlnej (około 0,4-0,6 dB/ km przy długości fali 1300 nm, a nawet 0,25-0,35 dB/km przy 1550 nm) oraz duża przepustowość dla transmisji danych.

Dzięki temu maksymalna długość segmentu sieci może w ich przypadku wynosić kilkadziesiąt kilometrów (nawet 150 km). Ich główną wadą są natomiast trudności w precyzyjnym łączeniu włókien.

Światłowody wielomodowe i plastikowe

Rys. 2. Kable światłowodowe mają budowę warstwową

Rdzeń światłowodów wielomodowych jest znacznie grubszy niż jednomodowych - zwykle ma średnicę z przedziału od 50 do 400 μm (przeważnie 62,5 μm). Standardowa grubość płaszcza to również 125μm.

W przypadku tego typu światłowodów z reguły wykorzystuje się źródło promieniowania o długości fali 850 - 1300nm. Włókna wielomodowe dodatkowo dzieli się na dwie podgrupy. Pierwszą stanowią światłowody o skokowej zmianie współczynnika odbicia na granicy rdzeń - płaszcz.

Ta cecha ich konstrukcji sprawia, że poszczególne mody światła przemieszczające się wzdłuż włókna przebywają drogę o różnej długości, w efekcie czego impulsy świetlne ulegają rozproszeniu. Pogarsza to przepustowość oraz zwiększa tłumienie mocy świetlnej, które w tym typie światłowodów wynosi zwykle 4-15 dB/km.

Nieco mniejsze tłumienie - typowo od 2 do 10 dB/km oraz większe pasmo przenoszenia udaje się uzyskać w światłowodach wielomodowych zaliczanych do drugiej podgrupy. W ich przypadku współczynnik odbicia maleje stopniowo wraz ze wzrostem odległości od środka rdzenia w kierunku płaszcza.

Dzięki temu światło rozchodzi się w nich szybciej i głównie w środku rdzenia. Światłowody wielomodowe obu podgrup nie nadają się do budowy segmentów sieci dłuższych niż kilka-, kilkanaście kilometrów.

W porównaniu do światłowodów szklanych plastikowe są dużo grubsze - ich średnica wynosi zazwyczaj około 1 mm. Charakteryzuje je też bardzo duże tłumienie mocy świetlnej (nawet 1000 dB/km), dlatego mogą być używane wyłącznie do budowy łączy na stosunkowo krótkich odległościach (maksymalnie 20‒50m).

Budowa kabli światłowodowych

Kable światłowodowe mają budowę warstwową. Rdzeń i płaszcz otaczane są powłokami ochronnymi (rys. 2), których liczba i rodzaj zależą od przeznaczenia okablowania (do wykorzystania wewnątrz budynku, na zewnątrz lub w nietypowych warunkach) oraz sposobu jego prowadzenia (pod ziemią, w kanale, jako kable samonośne lub podwieszane).

Pierwszą warstwą jest standardowo tuba z tworzywa sztucznego. Chroni ona włókno przed wpływem zewnętrznych czynników oraz wzmacnia konstrukcję kabla, zapobiegając powstawaniu mikropęknięć z czasem prowadzących do złamania światłowodu.

Tubę wykonuje się jako ścisłą, tzn. szczelnie przylegającą do włókna światłowodu oraz luźną (rys. 3), którą wypełnia się żelem o specjalnych właściwościach (na przykład tiksotropowym, czyli zmieniającym swoją lepkość pod wpływem mechanicznych oddziaływań). W tubie luźnej umieszcza się przeważnie kilka włókien.

Kolejną warstwę stanowi taśma wchłaniająca wilgoć. Pokrywa się ją powłoką wzmacniającą, na przykład z kevlaru, która zwiększa wytrzymałość kabla na rozciąganie. W przypadku konstrukcji wzmocnionych następna jest wewnętrzna powłoka z tworzywa sztucznego, na którą nakłada się stalową siatkę zabezpieczającą m.in. przed pogryzieniem przez gryzonie.

Ostatnią warstwą ochronną jest zewnętrzna koszulka wykonywana z tworzyw sztucznych o odpowiednich właściwościach (na przykład odpornych na ścieranie, wpływ promieni UV lub spełniających wymagania norm przeciwpożarowych w zakresie nierozprzestrzeniania płomieni).

Sieci i złącza światłowodowe

Rys. 3. Tuba ścisła (a) oraz luźna (b). W tubie luźnej umieszcza się przeważnie kilka włókien

Oprócz

Rys. 4. Przyczyny strat mocy optycznej w trwałych złączach światłowodowych: (a) - przerwa między końcówkami włókien, (b) - ich nieprecyzyjne nakierowanie poprzeczne oraz (c) - kątowe, (d) - złączenie włókien o różnych współczynnikach załamania światła, (e) - złączenie różnych typów światłowodów, (f) - złączenie włókien o różnych średnicach

Na rosnącą popularność komunikacji światłowodowej w przemyśle wpływa kilka czynników. Istotna jest zwłaszcza ich duża odporność na czynniki powodujące pogorszenie jakości transmisji - np. skrajne temperatury i wilgotność oraz zjawiska atmosferyczne (śnieg, deszcz, formowanie się lodu), na które okablowanie jest narażone, jeżeli jest prowadzone na zewnątrz budynku.

Dzięki temu, że informacja jest przesyłana w postaci impulsów świetlnych światłowody nie zakłócają pracy urządzeń w swoim otoczeniu, nie są też wrażliwe na zaburzenia elektromagnetyczne emitowane przez sąsiednie maszyny oraz przesłuchy od przewodów miedzianych prowadzonych w pobliżu.

Można je także bez obaw umieszczać w kanale kablowym w pobliżu przewodów zasilających. Brak sygnałów elektrycznych zapewnia również całkowitą separację galwaniczną między węzłami sieci światłowodowej. Minimalizuje to prawdopodobieństwo zniszczenia urządzeń sieciowych w wyniku przepięć powstałych przykładowo na skutek wyładowań atmosferycznych lub przebić od urządzeń pod napięciem.

Światłowody nie stwarzają również zagrożenia zapłonem wywołanym iskrą elektryczną, dzięki czemu jest to bezpieczne medium w rejonach zagrożonych wybuchem. Ponieważ praktycznie niemożliwe jest podłączenie się z zewnątrz do kabla tego typu łącza światłowodowe gwarantują bezpieczną transmisję danych. W przypadku sieci o dużym zagęszczeniu przewodów istotna jest też lekkość okablowania światłowodowego.

Kable światłowodowe - przykłady

  • Kable serii SL z oferty firmy Data Optics Poland. Wykorzystano w nich centralną luźną tubę o średnicy 3,3 mm dla kabli z 2-12 włókien i 4,5 mm dla kabli z 16-24 włókien (światłowody w rozmiarach średnica rdzenia/płaszcza: 9/125, 50/125, 62,5/125) wypełnioną żelem tiksotropowym, zbrojoną włóknem szklanym dla ochrony przed gryzoniami, zabezpieczoną wewnętrzną powłoką z PVC, taśmą stalową falowaną i suchym uszczelnieniem przeciwwilgociowym w postaci taśmy pęczniejącej pod wpływem wilgoci. Zewnętrzna powłoka kabla wykonana jest z materiałów trudnopalnych, bezhalogenowych, odpornych na promieniowanie UV, ścieranie i korozję. W przypadku pożaru kabel zapewnia zachowanie integralności systemu przez 90 minut (IEC 60331-11). Zakres temperatur składowania: -45ºC do +70°C (Data Optics Poland, tel. 77 442 80 82, www.dataoptics.com.pl).
  • Kable zewnętrzne serii A -DF(ZN)2Y(SR)2Y z oferty firmy Helukabel. Luźna tuba z centralnym elementem wzmacniającym. W zależności od modelu w kablu znajduje się 12, 24, 48 lub 60 włókien jednomodowych. Jest on chroniony wzmocnieniem z włókien aramidowych, stalowym zbrojeniem oraz wewnętrzną i zewnętrzną powłoką z PE. Spełnia wymagania norm regulujących odporność kabli na korozję oraz ich wodoodporność. Zewnętrzna powłoka jest też odporna na promieniowanie UV. Temperatury pracy kabli z tej serii zawierają się w przedziale: -5°C do +50°C w czasie przechowywania i -25°C do +60°C w czasie eksploatacji.
  • Kable wewnętrzne (I-VH, I-V11Y, I-VHH, I-V11Y11Y) firmy Helukabel. Linie światłowodowe jednowłóknowe i dwuwłóknowe (duplex) z włóknami jednomodowymi i wielomodowymi używane w stałych instalacjach wewnętrznych, takich jak trasy kablowe, zwłaszcza w połączeniach przełączników oraz terminali. Wykorzystano w nich tubę ścisłą, wzmocnienie z włókien aramidowych oraz powłokę zewnętrzną FRNC. W przypadku tego okablowania producent gwarantuje spełnienie wytycznych standardów określających wymagania w kwestii ochrony przed korozją, bezhalogenowości przewodu, ognioodporności oraz gęstości dymu w czasie jego spalania. (Helukabel, tel. 46 858 01 00, www.helukabel.pl).
  • Kabel zewnętrzny z oferty firmy Atel E lectronics. Kable z tubą centralną wypełnioną żelem o maksymalnie 24 włóknach. Jako wzmocnienie zastosowano w nich włókno szklane oraz ochronę przeciwgryzoniową. Koszulka jest bezhalogenowa, zabezpieczona przed wpływem promieni UV, spełnia też normy o nierozprzestrzenianiu płomieni i odporności na przenikanie wody. Zakres temperatur pracy: -40°C do +70°C (Atel Electronics, tel. 77 455 60 76, www.atel.com.pl).

Prędkość transmisji danych w światłowodach

Oprócz możliwości przesyłu danych na większych odległościach w porównaniu do kabli miedzianych, światłowody zapewniają też znacznie większą szybkość transmisji. Na przykład w sieciach Profibus uzyskać można prędkość transmisji 12 Mb/s na odległości maksymalnie 80m w przypadku użycia światłowodu plastikowego, na 2‒3 km w sieci ze światłowodem wielomodowym oraz nawet powyżej 15 km w łączach ze światłowodem jednomodowym.

Dla porównania w przypadku transmisji przez RS485 maksymalna prędkość transmisji na odległości 1,2 km to 93,75 kb/s, 1km - 187,5 kb/s, 400 m - 500 kb/s, 200 m - 1,5 Mb/s i 100m - 12 Mb/s. Podobnie jest w sieciach Interbus.

Wykorzystując jako medium transmisyjne kabel miedziany, uzyskać można szybkość transmisji 500 kb/s, podczas gdy w przypadku światłowodów osiągana jest prędkość 2 Mb/s. W pierwszym wypadku maksymalna odległość między węzłami sieci to 400m, natomiast w sieciach światłowodowych - 3,6km.

Nie tylko światłowody

Sieć światłowodową tworzą też m.in. takie urządzenia jak wzmacniacze (repeatery) sygnału oraz konwertery sygnału elektrycznego na optyczny. Przykładem tych ostatnich są urządzenia KOM200-S-485/232 firmy Kyland, które dostępne są m.in. w ofercie TechBase.

W zależności od modelu zapewniają one konwersję sygnału optycznego ze światłowodu jednolub wielomodowego na sygnał szeregowy RS485/232 lub RS232/422.

Konstrukcję tych urządzeń przystosowano do pracy w ciężkich warunkach przemysłowych. Gwarantowana jest też ich odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. Najważniejsze parametry modelu KOM200-S-232/422 przedstawiono w tabeli.

Tabela 1. Wybrane parametry konwertera KOM200-S-232/422

Spis treści
Powiązane treści
Stabilne wzrosty rynku czujników światłowodowych
Prąd, gaz i woda + transmisja danych. Czyli wszystko o sieciach komunikacyjnych w instalacjach dostawców mediów użytkowych
Efektywna komunikacja sieciowa
Światłowody w przemyśle. Część 2. Czujniki światłowodowe
EtherCAT i światłowody - szybko i skutecznie
Wzrośnie popularność sieci bezprzewodowych w przemyśle
Wi-fi w przemyśle
Zobacz więcej w kategorii: Temat miesiąca
Przemysł 4.0
Sztuczna inteligencja i cyfrowy przemysł
Artykuły
Wod-kan, uzdatnianie wody i oczyszczanie ścieków
Roboty
Produkcja spożywcza, farmaceutyczna i medyczna - nowe technologie i wysoka czystość
Komunikacja
Szkolenia w przemyśle
Silniki i napędy
Kompendium serwonapędów i Motion Control
Artykuły
Oil&gas i sektor chemiczny - automatyka i pomiary w branżach procesowych
Zobacz więcej z tagiem: Artykuły
Temat miesiąca
Wod-kan, uzdatnianie wody i oczyszczanie ścieków
Technika
Ochrona przed korozją
Magazyn
Maj 2025

Poradnik doboru rozwiązań drukujących - drukarki mobilne, stacjonarne i przemysłowe

Jak dobrać drukarkę do zastosowań w logistyce, przemyśle czy handlu? Na co zwrócić uwagę, jeżeli chodzi o cechy i funkcje urządzenia? Jak zapewnić wysoką niezawodność pracy oraz trwałość systemu drukującego? A co z oprogramowaniem? W artykule odpowiadamy na powyższe pytania, przedstawiając przykłady nowoczesnych urządzeń drukujących, które z powodzeniem sprawdzają się w wymienionych zastosowaniach.
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów