Az ipari automatizálásban is egyre szélesebb körben kerülnek alkalmazásra optikai adatátviteli megoldások. Ennek fő oka a fényvezető kábelek, átalakítók árának csökkenése. Rövid ismeretterjesztő cikksorozatunk célja hogy összefoglaljuk azon alapismereteket, melyek birtokában már el lehet kezdeni a komolyabb ismerkedést a témával. A stílus - szokás szerint - kissé "szájbarágós", a témával ismerős olvasóktól emiatt előre elnézést kérek. Az automatizálási iparban működő adatátviteli rendszerek kizárólag digitálisak, ezért csak ezzel fogunk foglalkozni.
Miért opto, miért nem réz?
Ipari környezetben az adatátviteli feladatok megoldásán dolgozók számára négy olyan probléma is van, mely a megoldást nehezíti, bonyolítja, drágítja:
- Az erős elektromágneses zavarok elleni védekezés,
- a galvanikus leválasztás (robbanásveszély, földhurok, EPH),
- az átviteli sebesség függése a kábelhossztól,
- nagy áthidalandó távolság.
Mindezekre gyógyírt jelent az opto átvitel.
Hogyan működik?
Az átvitel három fő alkatrészt igényel: adó - átviteli közeg - vevő. A jobboldali képen egy optokaput láthatunk. Itt az átviteli közeg a levegő. Nagy fényerejű lézer adó alkalmazásával akár 2 km távolság is "átlőhető". Gyakran használják ezt kábelezés kiváltására beépített területen, folyók partján. Ha köd van, az baj. Segít a fénykábel!
Úgy tanultuk, a fény egyenes vonalban terjed. Ez persze csak homogén közegekre igaz. Ha a fény egyik közegből a másikba megy át (melyeknek a törésmutatója eltér), fénytörés keletkezik. Ha pedig a közeghatárt az ún. "határszög" alatti szögben éri el a fénysugár, teljes visszaverődés következik be.
A baloldali, sötétkamrában készült fotón azt láthatjuk, hogy egy lézersugár nem bír kitörni a szép nagy ívben hajló vízsugárból. Ha a vízsugarat egy megfelelő üveg- vagy műanyag szállal helyettesítjük, előáll az optokábel.
Az optokábelekről:
Az optokábelben belül tehát van egy fényvezető mag, azon van egy felületi bevonat (erről verődik vissza a fény), azon egy "érszigetelés", és innentől bonyolódik a helyzet, ahogy azt később látni fogjuk.
Lényeg, hogy egy éren egy irányba halad a fény. Duplex kapcsolatokhoz kettő "kábelér" kell: Az egyiken adunk, a másikon veszünk. A szál egyik vége tehát az egyik interfész adás (Tx) lábára, másik vége a másik interfész vétel (Rx) lábára megy!
Multi-módus
A legegyszerűbb esetben a mag vége egyszerűen le van csiszolva (smirglizve), és egy LED-et illesztünk hozzá - többnyire légrés maradásával. A túlsó végen - szintén kényszerű légréssel - egy fototranzisztor veszi a fényimpulzusokat. Ehhez elég vastag mag (az alkalmazott fény hullámhosszának többszöröse) kell, hogy a LED fényéből minél több bejusson. Az átmérő akár 1 mm is lehet! Mivel a LED-ből kilépő fény nem koherens, a fotonok minden lehetséges irányban lépnek be a fényvezetőbe. Ebből kifolyólag annak faláról számtalanszor visszaverődve haladnak előre (baloldali ábra). Mivel több "fényút" alakul ki, ezt multi-módusúnak nevezzük. Az ilyen mag teljes keresztmetszetében azonos törésmutatójú, így olcsón gyártható - többnyire műanyagból.
Mono-módus
A multi-módusú szálak nagy távolságra nem alkalmasak, két okból: Egyrészt az alkalmazott (olcsóbb) alapanyagnak nagyobb a csillapítása (kevésbé átlátszó), másrészt a sok visszaverődés is sok veszteséggel jár. Olyan megoldást kellett találni, ahol a fény nem verődik össze-vissza. Ez a mono-módusú módszer (jobboldali ábra). Ebben az esetben a fényvezető igen kis átmérőjű (az alkalmazott fény hullámhosszával össze- hasonlítható), ráadásul törésmutatója is változik, ahogy a mag közepétől a kerülete felé haladunk. A gyakorlatban az átmérők 0.05 mm környékén vannak. Az ilyen szálban a fény igyekszik mindig középen haladni. Ehhez persze koherens fény kell, tehát az adó itt lézer kell legyen. Az adó és a kábel között finoman illesztett érintkezés van, a veszteségek csökkentésére.
A fényvezető anyaga
Az ipari gyakorlatban két fő kategóriával találkozhatunk, mindkettő kacagva képes az automatizálási rendszerek által kívánt sávszélesség-igény (max. 100 MBPS) átvitelére.
- Műanyag fényvezetős kábelek:
A szakirodalomban gyakran POF (Plastic Optical Fibre) rövidítéssel látják el. Az alkalmazott anyagok köre igen széles. Ennek következtében műszaki paramétereik széles sávban széthúzódnak azonban általánosságban elmondható hogy ezek a kábelek alacsonyabb árfekvésűek, hajlékonyabbak, viszont nagyobb csillapításúak mint üvegalapú társaik. Egyszerűbb a szerelésük is, igaz nagyobb a veszteség is a csatlakozón. Többnyire multimódusúak, bár létezik "single-mode" is.
Az automatizálási rendszerek jellemzően használatos kábelei ezek. Az 1-50 méteres tartományban a polimerek dominálnak koax-szerűen alacsony árukkal, 50-500 méterig a HCS és egyéb, akrilát típusok használandóak. Ezek egy kicsivel drágábbak. Mind soros vonalak, mind buszok, vagy Ethernet átvitelére alkalmazhatjuk a POF kábeleket.
- Üveg fényvezetős kábelek:
Ezek neve GOF (Glass Optical Fibre) az angol nyelvű szakirodalomban. Kis csillapítású, professzionális csatlakozókkal szerelhető kábelek ezek. A magas ár csak úgy térül meg az IT szektorban, ha nagyon szélessávú (több GBPS) átvitelre használják. Ipari automatizálási alkalmazások szempontjából ritkábban használatosak, inkább csak nagyobb távolságokra levő üzemek összekötésére. Ezekkel a szálakkal akár 100 km is lehet az áthidalt távolság!
A fényátvitel ipari alkalmazása jóval egyszerűbb mint az IT alkalmazások. Ennek oka az, hogy mi - ipari népek - 100 MBPS átviteli sebességnél nagyobbat nem igénylünk. Ennek eredménye az, hogy a nüanszok nem kell hogy érdekeljenek bennünket. Hasonló a helyzet a soros vonalak kábelezéséhez. Ha 600 Baud elegendő, nem sokat vacakolunk a kábelválasztással. Nézzük a legfontosabb jellemzőket! Csillapítás
A csillapítás nem más, mint a ki- és bemeneten mért fényerősség viszonya, logaritmikus mértékegységben:
A= -log (Xki/Xbe) [Bel]
A gyakorlatban a csillapítás mértékegységeként a deciBel használatos, ezért a fenti képlet elé egy 10-es szorzó gyakran odakerül. Ennek megfelelően (ha még emlékszünk a logaritmus mélységeire) a 3 dB csillapítás azt jelenti, hogy a kimeneti jel kb. feleakkora mint a bemeneti. Alaposan képzett szakemberek tudják, hogy az erősítés a csillapítás reciproka. Logaritmikus mértékegységekben számolva ez (-1)-gyel való szorzást jelent. Ezért van ott az a negatív előjel. Az optikai kábel csillapítása nyilvánvalóan egyenesen arányos a hosszával, ezért a katalógusokban a fajlagos csillapítást szokás megadni, dB/km mértékegységben.
Átviteli karakterisztika
A fényvezető szál a különböző hullámhosszú fényeket különböző mértékben nyeli el. Nyilván azokat a hullámhossz-tartományokat (ablakokat) kell használni, ahol a csillapítás minimális. Vannak általánosan használt ablakok, így lehetséges az, hogy X gyártó kábelét Y gyártó interfészére lehet kötni.. A multimódusú kábelek leggyakrabban a 660 és 850 nanométeres ablakokat használják, míg a jobboldali ábrán látható görbe egy single-mode kábelé, amit 1350 nm környékén, vagy 1500 nm felett célszerű használni. A 660 nm-es fény még látható (a működés könnyebben ellenőrizhető), vörös színű, a 850 nm már az infra határon van, 1350 nm pedig már láthatatlan. A monomódusú kábelek által használatos hullámhossz-tartományt az alábbi sávokra osztják: S-Band: Short Band (1450-1510nm), C-Band : Conventional Band (1525-1560 nm), L-Band: Long Band (1570-1620 nm). Sok esetben ennél nagyobb hullámhosszú jeleket használnak a kábelfolytonosság folyamatos ellenőrzésére. Diszperzió A bemenetre adott fény (ha nem lézer) egy adott spektrális eloszlást mutat. A kimeneten érzékelt fény eloszlásfüggvénye ettől laposabb és szélesebb lesz. A bemenetre adott négyszögjel (ipari alkalmazásokban csak ezt használunk) tehát a kimeneten torzan jelenik meg. Ennek három fő oka van: Módusdiszperzió: A multimódusú szálakban a végtelen számú lehetséges fényút miatt az egyik foton hamarabb ér a kábel végére mint a másik, mely többször verődött a falhoz.
Kromatikus diszperzió: A magban a különböző hullámhosszú fények különböző sebességgel terjednek. Kábeleknél meg szokás adni a nulla kromatikus diszperziójú ablak szélességét, és az ablakon kívüli tartományra a kromatikus diszperzió növekedésének mértékét.
Hullámvezetési diszperzió: Az egymódusú szálaknál nem csak a magban, hanem annak elsődleges borításában is terjed a fény, természetesen eltérő sebességgel. Ez is diszperziót okoz. A kis sávszélességű, rövidtávú ipari alkalmazásokban a diszperziónak nem sok jelentősége van. Az általunk jelenleg használt négyszögjelek sokkal szélesebbek mint a diszperziós torzulás.
Anyaghiba
A kábelben mindig vannak pontszerű anyaghibák (point discontinuity) , melyek a fényvezető képességet rontják. Ezek hatását dB/km-ben szokás megadni. Normális gyártónál sem elhanyagolható ez, hiszen akár a fajlagos csillapítás 5-10%-a is lehet! Tervezéskor ne feledkezzünk meg erről! Szintén point discontinuity-t okozhat, ha a jókezű műszerész jó feszesen meghúzza a kábelrögzítő bilincset egy páncélozatlan fényvezetőnél! Létezik kíméletesebb kábelrögzítő bilincs is, optikai szálakhoz. Egy ilyen látható a jobboldali képen.
Mechanikai tulajdonságok:
Hajlítási sugár minimuma:
Általában 20-szorosa a külső átmérőnek. A fentebb említett erőskezű műszerész a kábelrögzítő bilinccsel e téren is gyorsan átlépheti a határt! Húzási feszültség: A műanyag átlátszósága csökken ha megnyújtják, az üvegszál pedig elszakadhat! Ez már akkor is bekövetkezhet, ha hosszabb rögzítetlen szakasz függőleges csatornában halad. Ilyen esetekben páncélozott, vagy tartósodronnyal egybe extrudált kiviteleket kell alkalmazni!
Hőfoktartomány:
Sem a mag, sem a köpeny szempontjából nem közömbös. Az optikai kábelek körülbelül annyit bírnak mint a rézkábelek. Az optikai kábelek paramétereinek vizsgálatára, a telepítésre, üzembehelyezésre vonatkozóan egyébként a TIA (Telecommunications Industry Association) dolgozott ki kváziszabványként elfogadott ajánlásokat. Ezeket a www.tiaonline.org weblapon lehet jó pénzért megvásárolni. A következő részben a csatlakozókról lesz szó.