使用光纤升级现有的工业以太网络

使用光纤升级现有的工业以太网络2015-07-3010:58OFweek工控网工厂自动化、控制和管理已经成为全球供应链的决定性竞争力，举例来说，大批量生产的消费类产品和汽车制造都需要安全、高成本效益并且稳健的数据通信以确保可以对如果没有快速受到处理，便可能引起严重利润损失和消费者不良印象的问题做出反应。许多不同产业的设计工程师逐渐转向采用光纤链路方案作为铜电缆媒介的替代品，光纤解决方案可以带来能够进行由数英吋到数公里等各种不同距离数据传输的可靠数据链路，并且对于噪声的耐受力更高，可以藉由光纤解决方案获益的工业网络应用包括飞机上的信息娱乐系统、火车运输系统、医疗设备、赌场以及风力和太阳能光伏发电等可再生能源应用。可以取代铜电缆数据链路并且安装简易的光纤虽然铜电缆和光纤都可以作为传输媒介，但光纤解决方案为系统设计工程师提供了许多明显的好处，相较于铜电缆解决方案，通过塑料光纤(POF，PlasticOpticalFiber)或较长距离时硬包层石英(HCS，HardCladSilica)光纤运行的工业用快速以太网(FastEthernet)有许多优势，采用铜电缆的通信链路容易受到电磁场的干扰，并且也会发出可能干扰其他设备的电磁波，而光纤链路则不会受到电磁场影响，也不会产生任何电磁干扰(EMI，ElectroMagneticInterference)。选择光纤的其它好处包括重量轻、链路两侧完全电气隔离、容易现场进行终端处理和维护、因较小弯折半径更易于安装，以及较不容易因为极端温度和湿度情况造成性能变化等。光纤解决方案也非常适合存在电机和高电压的高速开关电路，如电力转换、汽车制造、医疗以及风力和太阳能光伏发电等可再生能源应用的的高噪声工业环境，光纤技术并提供了数据的安全性，因为几乎不可能盗接光波通信。如图1，多模HCS和POF光纤提供了长距离数据传输最高等级的信号完整性，多模光纤特别适合离岸风力发电涡轮机控制系统作为风力发电机舱和地面的连接，在这类应用中链路长度超过200米。图1：快速以太网通信距离可以通过光纤技术延伸到数公里。光纤可以隔离系统并提供带来更佳可靠度和安全性的电隔离由于光纤链路媒介基本上采用玻璃或塑胶，因此在绝缘和隔离特性上远比常见的铜电缆优秀许多，原因是它们不会受到EMI的干扰，如图2中以红色标示的5米长POF或100米长HCS光纤就提供了高噪声环境下相对于铜电缆线的许多优势。采用光纤解决方案，在光纤本身或者是光纤和铜电缆间不会有相互干扰问题，使得数据传输更加安全。光纤对于闪电电击有较高的耐受力，并且有助于消除接地环路所造成的错误，在面临恶劣条件或可能暴露的环境时，适当使用光纤解决方案可以藉由通过降低闪电电击可能带来的损害以及电气火花造成的冲击而提高安全性。图2：以红色标示的光纤链路不会受到工业生产环境所产生EMI的影响。除了成为相较于铜电缆更高成本效益的解决方案外，光纤，如单模、多模，HCS和POF等都可以被放置在缆线导管内，不会受到临近电源的影响，另一方面，使用光纤也更容易符合电磁兼容(EMC，ElectronMagneticCompliance)相关规章和法规的要求，请参考图3。图3：光纤具有铜电缆无法匹敌的EMI耐受力和通信链路距离。另外，以塑料光纤为例，在安装时不需特别的工具，并且训练也非常容易，POF光缆已经被应用在各种恶劣的工业环境，例如汽车组装等超过15年，POF也适合短距离到中等距离链路应用，并且非常容易于现场安装，有助于简化设备和现有网络的连接，工业应用中另一个关键设计优势是维护成本非常低。光纤和光纤收发器、接收器以及发射器全部都通过严格的质量标准要求，光纤技术已经经过高容量电信链路系统的验证，其中产品寿命更超过10年以上，部份光纤零组件供应商更拥有垂直整合能力，可以自行生产发射器中使用的激光二极管以及接收器中的PIN二极管，进一步完整掌控产品质量和交货时间。光纤技术提供许多工业应用环境高带宽、轻量化和EMC兼容性目前飞机上的信息娱乐系统已经变得越来越先进并且越来越复杂，随着视频质量的提升，较大尺寸视频屏幕变得越来越普遍，飞机制造商随时都在寻求可以降低飞机重量的方法，以单一线路而言，由于光纤解决方案相较于铜电缆在重量上轻了许多，并且可以传输更多的数据，因此成为航空信息娱乐系统的良好选择。光纤技术也出现在航空母舰和游轮上，许多现代化的火车也使用光纤以及光纤收发器、接收器和发射器，火车动力源、推进系统以及驾驶控制系统的可靠运行是必备的条件，但是有关乘客便利性、信息和娱乐系统也可经由使用光纤获益，包括更长距离的更高带宽传输、原生的电隔离能力、卓越的EMC特性以及静电放电(ESD，Electro-StaticDischarge)耐受力等。IEC61375火车通信网络(TCN，TrainCommunicationNetwork)标准的制定目的在定义火车使用的通信架构和通信协议，基本上TCN定义了列车总线(WTB，WireTrainBus)和多功能车辆总线(MVB，MultifunctionVehiclesBus)。WTB用来连结车厢，MVB则用来连接一个车厢或多个车厢间的设备，MVB可以以三种不同媒介形式运行，包括短距离的RS-485，低于200米的变压器耦和双绞线对，以及长达2公里的光学玻璃光纤。光学玻璃光纤由于对电气噪声具有高耐受力，因此是火车机车MVB的较佳选择。光纤将控制器连接到设备或次系统，例如电力电子设备、电机控制器和无线电等，MVB也连接驾驶车厢中的设备以用来控制灯光、车门、空调以及火车车站和到站信息等乘客便利显示系统，采用冗余设计可以提高可靠度，MVB使用冗余光纤设计，设备传输可以在两条线路上进行，如果其中一条故障，那幺就可以使用另一条进行通信。火车网络目前已经变得越来越复杂，每个车站都连接到中央计算机以便进行排班和事件的更新，车站必须来回传送数据，距离可能达到数百米甚至数公里，通过光缆的使用，可以在更长的距离传输更多的数据，包括视频等，并且比铜电缆更加可靠。另外，这些应用的缆线会被安排在一起，由一个车站连接到另一个车站，或者由一个火车车厢连接到另一个，铜电缆在这样相邻布线的情况下可能会造成干扰，但光缆在EMI上的优势使它们不会受到这些问题的影响。在使用电力网供电的火车中，会由三相交流电网取得单相电源以提供火车所需的两相电源，这会造成电网的不平衡而必须加以补偿，一个最常用来平衡并回复电网供电质量的方法是使用晶闸管投切电容器(TSC，Thyristor-SwitchedCapacitors)和晶闸管控制电抗器(TCR，Thyristor-ControlledReactor)进行静态虚功补偿(SVC，StaticVARCompensation)，TSC和TCR主要被用来进行高电压和大电流的开关控制和操作，这就产生了会把电气噪声感应到邻近铜电缆的超高电磁场，光纤由于不会受到电磁场的影响，因此可以说是SVC系统中传送控制信号到设备的最好媒介。火车的信号传送也可以由光纤技术在高噪声环境中可靠的长距离数据通信能力以及超高EMI环境耐受力而获益。另一方面，光纤技术也已经逐渐普及到医疗影像处理设备，例如核磁共振摄影(MRI，MagneticResonanceImaging)和X光机等应用，在电机和电磁辐射环境下，这些机器会产生非常高的电磁干扰，因此它们的通信和控制链路必须具有高EMI耐受力才能可靠安全地运行，高EMI耐受力和电气隔离对于病人的安全可以说是必要的条件，因此光纤产品就提供了一个非常合适的解决方案。在娱乐应用方面，赌场拥有许多连接到中央计算机服务器进行数据处理、营销活动以及视频保安的需求，对于赌场的通信网络来说，安全性是最重要的要求，光纤为赌场经营者提供了安全的网络，因为几乎不可能盗接光缆上的信号。可再生能源市场目前也已经采用光纤技术，在部分风力发电应用中，由于EMI电磁干扰问题，光纤成为唯一合适的通信技术，由于风力电厂和太阳能发电在远端甚至离岸地区运作，因此大量光纤技术的采用就成了它可靠度和稳健性的最好证明，停机和意外修复可能会大幅度影响可再生能源系统的成本和使用，因此在系统设计时就必须加以避免，光纤链路应用在风力涡轮发电机舱内，它的位置可能高于地面或海平面超过100米，另外光纤也可以作为风力涡轮和远端管理设备间的数据链路。光纤本身的隔离能力也带来了只需数英吋距离光纤通信产品的推出，Avago的HFBR-3810Z光纤短距离链路器件是一款可以提供单一电路板上达到12kV瞬态电气隔离的高成本效益发射器和接收器，采用650nm光纤技术，HFBR-3810Z非常适合如风力涡轮逆变器、IGBT/MOSFET驱动以及医疗设备等应用，为了提供更高的可靠度，Avago也推出了HFBR-3810MSZ，加入金属屏蔽带来更高的EMI和ESD耐受力。现代光纤系统可以有效监测运行避免停机和意外修复在速度、可靠度以及主动系统监测上，Avago的AFBR-5978Z工业快速以太网收发器是一个使用光纤收发器可以达到何种成果的例子，另外，这个器件的-25oC到85oC工作温度范围更有助于确保收发器可以承受工业应用的恶劣环境。AFBR-5978Z收发器具有一个强化的数字诊断接口，符合“光纤收发器数字诊断接口(DMI，DigitalDiagnosticMonitoringInterface)”标准要求，依多源协议(MSA，MultiSourceAgreement)SFFA-8472，由光纤相关产品制造商制订采用类似产品封装和功能以简化零组件的代换，工业快速以太网光纤网络为现场总线(FieldBus)网络提供了升级路径，相较于INTERBUS的2MBd、PROFIBUS的12MBd以及SERCOS的12MBd和16MBd，可以达到125MBd的传输速度，它同时也提供了开放式架构多重通信协议接口，允许标准以及特有现场总线可以交互操作，升级到工业用快速以太网允许工厂厂区的机器可以被指定IP或MAC位址，带来通过互联网的高速远端诊断和机器生产流程变换的便利性。DMI提供了由收发器模块取得实时运行信息的能力，取得的参数包括模块温度、电源电压大小以及接收器输入平均光功率，具备DMI功能，使用者也可以在收发器应用中拥有进行零组件监测、故障隔离以及失效预测的能力，另外，DMI也完整地集成了实现数字警报的功能。在更高等级的网络中，工业以太网将工程和管理工作站连接到工业以太网集线器进行整个企业的数据分享和控制，带来更高的价值主张，光纤解决方案提供有多种数据率和连接器选择，可以满足各种工业通信和工厂自动化应用需求。具有可以使用分立或集成型光纤零组件解决方案的选择为设计工程师带来聚焦于特定设计目标的优势，分立零组件可以提供符合特定要求的设计灵活度，而集成型零组件解决方案则可以节省设计花费，极小化风险并降低成本，最重要的是，光纤的EMI耐受力以及它的隔离特性非常适合工厂环境。使用光纤技术有许多好处，需要高度电绝缘和隔离、安装容易、在如闪电等恶劣环境中的生存能力、可以带来更高可靠性和系统稳健度的EMI耐受力、可在长距离下维持的信号完整性，以及高数据安全性等应用设计都可以藉由采用光纤技术而获益，简单来说，光纤以及光纤收发器、接收器和发射器提供了一个可行的网络和控制解决方案。