Transmisja optyczna w rozległych systemach sterowania i nadzoru

Rys. 5. W systemie e-kopalnia firmy Famur głównym medium transmisyjnym są światłowody

Na przykładzie przemysłu wydobycia i przetwórstwa ropy naftowej, energetyki oraz transportu przedstawiono poniżej, gdzie w rozległych systemach sterowania wykorzystuje się komunikację światłowodową. Ze względu na specyfikę pierwszej branży medium to jest używane do budowy łączy transmisyjnych na prawie wszystkich etapach produkcji, tzn. na platformach wiertniczych, w systemach transportu i w zakładach przetwarzania surowców.

Na etapie wydobycia z powodu dużego zagrożenia wybuchem światłowody są wykorzystywane powszechnie. Za ich pośrednictwem do centralnego systemu SCADA przesyłane są wyniki pomiarów wielkości kluczowych dla przebiegu tego procesu (temperatury, ciśnienia, parametrów przepływu) oraz dane z elementów wyposażenia platformy (pomp, głowicy odwiertu, separatorów trójfazowych rozdzielających ropę, gaz, wodę oraz piasek, generatorów, sprężarek oraz systemów zabezpieczeń).

Na tej podstawie operatorzy systemu sterują pracą wiertła oraz zaworów pomp i separatorów, wstrzymując wydobycie w razie zagrożenia wybuchem. W przypadku platform morskich dodatkowym elementem wyposażenia są systemy użytkowe (klimatyzacja, oświetlenie, ogrzewanie, dystrybucja mediów, telewizja przemysłowa) umożliwiające normalne codzienne funkcjonowanie jej pracownikom.

Ze względu na konieczność zachowania wysokich standardów bezpieczeństwa, również w systemach zarządzania tymi instalacjami jako medium transmisyjne używa się prawie wyłącznie światłowodów.

Światłowody w transporcie i przetwórstwie ropy naftowej

Ponieważ rurociągi mogą mieć długość setek kilometrów, nierzadko przekraczając granice państw, a ograniczenie zagrożenia wybuchu, pożaru, wycieku lub ingerencji osób trzecich jest priorytetem w sieciach przewodowych łączących czujniki nadzorujące ich pracę, prawie zawsze używane są światłowody.

Łączność z wykorzystaniem tego typu sieci preferowana jest też na etapie magazynowania ropy naft owej. W tym wypadku światłowody są wykorzystywane do transmisji danych z sensorów monitorujących poziom napełnienia zbiorników oraz ciśnienie i temperaturę zgromadzonych w nich surowców.

Na tej podstawie m.in. steruje się pracą pomp, by zapobiec przepełnieniu, można też wykryć wyciek. Dla zastosowania światłowodów w rafineriach istotna jest z kolei także duża szybkość transmisji.

W zakładach tych niesprawność pojedynczego elementu systemu może powodować kosztowne wstrzymanie całej produkcji, dlatego tak ważna jest możliwość przesyłu i przetwarzania danych z licznych czujników i systemów nadzoru w czasie rzeczywistym.

Mariusz Pajkowski

LappKabel

Jakie są zalety światłowodów? Co zmienia się w ich technologiach?

Jesteśmy producentem działającym głównie na rynkach przemysłowych od wielu lat dostarcza klientom światłowody plastikowe POF. Głównymi ich zaletami, poza wymienionymi w artykule, są: wysoka giętkość i, w zależności od rodzaju płaszcza zewnętrznego, odporność na środki chemiczne.

Właśnie w tę stronę idzie rozwój światłowodów plastikowych. Budowa samego włókna jest ustandaryzowana, a postęp technologiczny widoczny jest w budowie płaszcza.

Dla porównania: przewód światłowodowy dla producenta obrabiarek do metalu musi być odporny na gorący olej, uszkodzenia mechaniczne i ekstremalnie giętki. Natomiast dla producenta maszyn rozlewniczych istotna jest odporność na wilgoć i środki myjące. Za oczekiwaniami klientów idą producenci.

Czego wymagają klienci kupujący światłowody od ich dostawców?

Zauważyliśmy, że klienci przemysłowi - działy utrzymanie ruchu, zazwyczaj oczekują dostawy światłowodu razem z usługą montażu. Dla światłowodów szklanych jest to niemal 100% wszystkich zamówień. Dlatego "szkło" LappKabel dostarcza praktycznie tylko do firm świadczących takie usługi.

Inaczej wygląda rynek światłowodów plastikowych. Samodzielny montaż POF jest stosunkowo łatwy, więc pojawiają się klienci indywidualni. Są to zazwyczaj producenci maszyn, w których zdecydowano się na sterowanie oparte na światłowodach, a także automatycy utrzymania ruchu.

Należy również podkreślić wyraźny spadek cen urządzeń sieciowych, co sprawiło, że technologia POF stała się realną konkurencją dla tradycyjnych połączeń miedzianych.

Światłowody w kopalni, transporcie i infrastrukturze

Rys. 6. Światłowody jako medium transmisyjne w instalacji elektrowni słonecznej

Przykładem innego środowiska, w których wykorzystanie miedzianych sieci komunikacyjnych jest utrudnione, są kopalnie. W systemach sterowania w tym wypadku również często używane są światłowody. Przykładem jest e-kopalnia firmy Famur.

Jest to nadrzędny system zarządzania eksploatacją węgla od przodka ścianowego na powierzchnię kopalni. Składa się on z kompatybilnych i zintegrowanych ze sobą maszyn i urządzeń oraz spajającej całość podziemnej infrastruktury informatycznej stanowiącej system sterowania wszystkimi procesami (rys. 5).

Światłowody ze względu na swoje zalety są też instalowane w sieciach przebiegających na przykład w tunelach drogowych i kolejowych, na mostach oraz wzdłuż autostrad i w komponentach sygnalizacji świetlnej.

Oprócz tego są wykorzystywane w samolotach - na przykład w systemach informacji pasażerskiej - głównie dlatego, że są lekkie. Ponadto łącza światłowodowe używane są też w pociągach, zarówno do realizacji łączności między centralnym systemem sterowania w lokomotywie i czujnikami zamontowanymi w wagonach, jak również w systemach monitoringu oraz informacji pasażerskiej.

W tym zastosowaniu decydująca jest odporność tego medium na zaburzenia elektromagnetyczne, ponieważ w pociągach znajduje się wiele urządzeń elektroenergetycznych będących ich źródłem.

Czujniki światłowodowe

Światłowody, poza wykorzystaniem do transmisji danych, używane są także jako czujniki do pomiaru różnych wielkości fizycznych - m.in. temperatury, ciśnienia, naprężeń, odkształceń, położenia, odległości i wibracji. W drugiej części artykułu przedstawimy klasyfikację, charakterystykę wybranych typów oraz przykłady zastosowania sensorów światłowodowych.

Łącza optyczne w elektrowniach słonecznych i wiatrowych

Światłowody są też coraz powszechniej używane w energetyce odnawialnej - na przykład w elektrowniach słonecznych. W tym zastosowaniu są wykorzystywane do zapewnienia łączności między poszczególnymi elementami tych instalacji i urządzeniami sterującymi (rys. 6), a także w systemach automatyki podstacji, z których energia elektryczna generowana w panelach słonecznych przekazywana jest do sieci publicznej.

Kluczowe w tym przypadku jest to, że światłowody zapewniają niezawodną transmisję na dużych odległościach oraz izolację galwaniczną. To pierwsze umożliwia sterowanie ustawieniem paneli rozmieszczonych na rozległym terenie na podstawie danych z centralnego systemu śledzącego położenie słońca.

Z kolei dzięki izolacji poszczególne komponenty systemu są zabezpieczone przed przepięciami i przeciążeniami. O przydatności światłowodów w elektrowniach wiatrowych decyduje z kolei głównie ich wytrzymałość na trudne warunki.

W ramach turbin instalowane są bowiem liczne czujniki (monitorujące pracę łopatek, mierzące wibracje, temperaturę pozwalającą określić stopień oblodzenia łopatek oraz prędkość i kierunek wiatru), a okablowanie używane do przesyłu wyników pomiarów do centralnego systemu sterowania nieustannie jest narażone na ekstremalne warunki - wysokie lub skrajnie niskie temperatury, deszcz, śnieg oraz wyładowania atmosferyczne.

Elementy turbiny są też źródłem zaburzeń elektromagnetycznych. Ponadto, ze względu na brak miejsca, okablowanie często jest prowadzone w pobliżu przewodów zasilających. Światłowody wykorzystuje się też dlatego, że nie wymagają częstej konserwacji. Jest to istotne, ponieważ dostęp do elektrowni wiatrowych ze względu na wysokość i lokalizację, zwłaszcza w przypadku instalacji morskich, jest często utrudniony.

Monika Jaworowska