使用光纖升級(jí)現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

工廠自動(dòng)化、控制和管理已經(jīng)成為全球供應(yīng)鏈的決定性競爭力，舉例來說，大批量生產(chǎn)的消費(fèi)類產(chǎn)品和汽車制造都需要安全、高成本效益并且穩(wěn)健的數(shù)據(jù)通信以確?？梢詫?duì)如果沒有快速受到處理，便可能引起嚴(yán)重利潤損失和消費(fèi)者不良印象的問題做出反應(yīng)。

許多不同產(chǎn)業(yè)的設(shè)計(jì)工程師逐漸轉(zhuǎn)向采用光纖鏈路方案作為銅電纜媒介的替代品，光纖解決方案可以帶來能夠進(jìn)行由數(shù)英吋到數(shù)公里等各種不同距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽繑?shù)據(jù)鏈路，并且對(duì)于噪聲的耐受力更高，可以藉由光纖解決方案獲益的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用包括飛機(jī)上的信息娛樂系統(tǒng)、火車運(yùn)輸系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、賭場以及風(fēng)力和太陽能光伏發(fā)電等可再生能源應(yīng)用。

可以取代銅電纜數(shù)據(jù)鏈路并且安裝簡易的光纖

雖然銅電纜和光纖都可以作為傳輸媒介，但光纖解決方案為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供了許多明顯的好處，相較于銅電纜解決方案，通過塑料光纖(POF， Plastic Optical Fiber)或較長距離時(shí)硬包層石英(HCS， Hard Clad Silica)光纖運(yùn)行的工業(yè)用快速以太網(wǎng)(Fast Ethernet)有許多優(yōu)勢，采用銅電纜的通信鏈路容易受到電磁場的干擾，并且也會(huì)發(fā)出可能干擾其他設(shè)備的電磁波，而光纖鏈路則不會(huì)受到電磁場影響，也不會(huì)產(chǎn)生任何電磁干擾(EMI， Electro-Magnetic Interference)。

選擇光纖的其它好處包括重量輕、鏈路兩側(cè)完全電氣隔離、容易現(xiàn)場進(jìn)行終端處理和維護(hù)、因較小彎折半徑更易于安裝，以及較不容易因?yàn)闃O端溫度和濕度情況造成性能變化等。光纖解決方案也非常適合存在電機(jī)和高電壓的高速開關(guān)電路，如電力轉(zhuǎn)換、汽車制造、醫(yī)療以及風(fēng)力和太陽能光伏發(fā)電等可再生能源應(yīng)用的的高噪聲工業(yè)環(huán)境，光纖技術(shù)并提供了數(shù)據(jù)的安全性，因?yàn)閹缀醪豢赡鼙I接光波通信。

如圖1，多模HCS和POF光纖提供了長距離數(shù)據(jù)傳輸最高等級(jí)的信號(hào)完整性，多模光纖特別適合離岸風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)控制系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙和地面的連接，在這類應(yīng)用中鏈路長度超過200米。

圖1：快速以太網(wǎng)通信距離可以通過光纖技術(shù)延伸到數(shù)公里。

光纖可以隔離系統(tǒng)并提供帶來更佳可靠度和安全性的電隔離

由于光纖鏈路媒介基本上采用玻璃或塑膠，因此在絕緣和隔離特性上遠(yuǎn)比常見的銅電纜優(yōu)秀許多，原因是它們不會(huì)受到EMI的干擾，如圖2中以紅色標(biāo)示的5米長POF或100米長HCS光纖就提供了高噪聲環(huán)境下相對(duì)于銅電纜線的許多優(yōu)勢。采用光纖解決方案，在光纖本身或者是光纖和銅電纜間不會(huì)有相互干擾問題，使得數(shù)據(jù)傳輸更加安全。光纖對(duì)于閃電電擊有較高的耐受力，并且有助于消除接地環(huán)路所造成的錯(cuò)誤，在面臨惡劣條件或可能暴露的環(huán)境時(shí)，適當(dāng)使用光纖解決方案可以藉由通過降低閃電電擊可能帶來的損害以及電氣火花造成的沖擊而提高安全性。

圖2：以紅色標(biāo)示的光纖鏈路不會(huì)受到工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境所產(chǎn)生EMI的影響。

除了成為相較于銅電纜更高成本效益的解決方案外，光纖，如單模、多模，HCS和POF等都可以被放置在纜線導(dǎo)管內(nèi)，不會(huì)受到臨近電源的影響，另一方面，使用光纖也更容易符合電磁兼容(EMC， Electron-Magnetic Compliance)相關(guān)規(guī)章和法規(guī)的要求，請(qǐng)參考圖3.

圖3：光纖具有銅電纜無法匹敵的EMI耐受力和通信鏈路距離。

另外，以塑料光纖為例，在安裝時(shí)不需特別的工具，并且訓(xùn)練也非常容易，POF光纜已經(jīng)被應(yīng)用在各種惡劣的工業(yè)環(huán)境，例如汽車組裝等超過15年，POF也適合短距離到中等距離鏈路應(yīng)用，并且非常容易于現(xiàn)場安裝，有助于簡化設(shè)備和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的連接，工業(yè)應(yīng)用中另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)優(yōu)勢是維護(hù)成本非常低。

光纖和光纖收發(fā)器、接收器以及發(fā)射器全部都通過嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，光纖技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過高容量電信鏈路系統(tǒng)的驗(yàn)證，其中產(chǎn)品壽命更超過10年以上，部份光纖零組件供應(yīng)商更擁有垂直整合能力，可以自行生產(chǎn)發(fā)射器中使用的激光二極管以及接收器中的PIN二極管，進(jìn)一步完整掌控產(chǎn)品質(zhì)量和交貨時(shí)間。

光纖技術(shù)提供許多工業(yè)應(yīng)用環(huán)境高帶寬、輕量化和EMC兼容性

目前飛機(jī)上的信息娛樂系統(tǒng)已經(jīng)變得越來越先進(jìn)并且越來越復(fù)雜，隨著視頻質(zhì)量的提升，較大尺寸視頻屏幕變得越來越普遍，飛機(jī)制造商隨時(shí)都在尋求可以降低飛機(jī)重量的方法，以單一線路而言，由于光纖解決方案相較于銅電纜在重量上輕了許多，并且可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，因此成為航空信息娛樂系統(tǒng)的良好選擇。

光纖技術(shù)也出現(xiàn)在航空母艦和游輪上，許多現(xiàn)代化的火車也使用光纖以及光纖收發(fā)器、接收器和發(fā)射器，火車動(dòng)力源、推進(jìn)系統(tǒng)以及駕駛控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行是必備的條件，但是有關(guān)乘客便利性、信息和娛樂系統(tǒng)也可經(jīng)由使用光纖獲益，包括更長距離的更高帶寬傳輸、原生的電隔離能力、卓越的EMC特性以及靜電放電(ESD， Electro-Static Discharge)耐受力等。

IEC 61375火車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN， Train Communication Network)標(biāo)準(zhǔn)的制定目的在定義火車使用的通信架構(gòu)和通信協(xié)議，基本上TCN定義了列車總線(WTB， Wire Train Bus)和多功能車輛總線(MVB， Multifunction Vehicles Bus)。WTB用來連結(jié)車廂，MVB則用來連接一個(gè)車廂或多個(gè)車廂間的設(shè)備，MVB可以以三種不同媒介形式運(yùn)行，包括短距離的RS-485，低于200米的變壓器耦和雙絞線對(duì)，以及長達(dá)2公里的光學(xué)玻璃光纖。光學(xué)玻璃光纖由于對(duì)電氣噪聲具有高耐受力，因此是火車機(jī)車MVB的較佳選擇。光纖將控制器連接到設(shè)備或次系統(tǒng)，例如電力電子設(shè)備、電機(jī)控制器和無線電等，MVB也連接駕駛車廂中的設(shè)備以用來控制燈光、車門、空調(diào)以及火車車站和到站信息等乘客便利顯示系統(tǒng)，采用冗余設(shè)計(jì)可以提高可靠度，MVB使用冗余光纖設(shè)計(jì)，設(shè)備傳輸可以在兩條線路上進(jìn)行，如果其中一條故障，那幺就可以使用另一條進(jìn)行通信。

火車網(wǎng)絡(luò)目前已經(jīng)變得越來越復(fù)雜，每個(gè)車站都連接到中央計(jì)算機(jī)以便進(jìn)行排班和事件的更新，車站必須來回傳送數(shù)據(jù)，距離可能達(dá)到數(shù)百米甚至數(shù)公里，通過光纜的使用，可以在更長的距離傳輸更多的數(shù)據(jù)，包括視頻等，并且比銅電纜更加可靠。另外，這些應(yīng)用的纜線會(huì)被安排在一起，由一個(gè)車站連接到另一個(gè)車站，或者由一個(gè)火車車廂連接到另一個(gè)，銅電纜在這樣相鄰布線的情況下可能會(huì)造成干擾，但光纜在EMI上的優(yōu)勢使它們不會(huì)受到這些問題的影響。

在使用電力網(wǎng)供電的火車中，會(huì)由三相交流電網(wǎng)取得單相電源以提供火車所需的兩相電源，這會(huì)造成電網(wǎng)的不平衡而必須加以補(bǔ)償，一個(gè)最常用來平衡并回復(fù)電網(wǎng)供電質(zhì)量的方法是使用晶閘管投切電容器(TSC， Thyristor-Switched Capacitors)和晶閘管控制電抗器(TCR， Thyristor-Controlled Reactor)進(jìn)行靜態(tài)虛功補(bǔ)償(SVC， Static VAR Compensation)，TSC和TCR主要被用來進(jìn)行高電壓和大電流的開關(guān)控制和操作，這就產(chǎn)生了會(huì)把電氣噪聲感應(yīng)到鄰近銅電纜的超高電磁場，光纖由于不會(huì)受到電磁場的影響，因此可以說是SVC系統(tǒng)中傳送控制信號(hào)到設(shè)備的最好媒介。

火車的信號(hào)傳送也可以由光纖技術(shù)在高噪聲環(huán)境中可靠的長距離數(shù)據(jù)通信能力以及超高EMI環(huán)境耐受力而獲益。

另一方面，光纖技術(shù)也已經(jīng)逐漸普及到醫(yī)療影像處理設(shè)備，例如核磁共振攝影(MRI， Magnetic Resonance Imaging)和X光機(jī)等應(yīng)用，在電機(jī)和電磁輻射環(huán)境下，這些機(jī)器會(huì)產(chǎn)生非常高的電磁干擾，因此它們的通信和控制鏈路必須具有高EMI耐受力才能可靠安全地運(yùn)行，高EMI耐受力和電氣隔離對(duì)于病人的安全可以說是必要的條件，因此光纖產(chǎn)品就提供了一個(gè)非常合適的解決方案。

在娛樂應(yīng)用方面，賭場擁有許多連接到中央計(jì)算機(jī)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、營銷活動(dòng)以及視頻保安的需求，對(duì)于賭場的通信網(wǎng)絡(luò)來說，安全性是最重要的要求，光纖為賭場經(jīng)營者提供了安全的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)閹缀醪豢赡鼙I接光纜上的信號(hào)。

可再生能源市場目前也已經(jīng)采用光纖技術(shù)，在部分風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中，由于EMI電磁干擾問題，光纖成為唯一合適的通信技術(shù)，由于風(fēng)力電廠和太陽能發(fā)電在遠(yuǎn)端甚至離岸地區(qū)運(yùn)作，因此大量光纖技術(shù)的采用就成了它可靠度和穩(wěn)健性的最好證明，停機(jī)和意外修復(fù)可能會(huì)大幅度影響可再生能源系統(tǒng)的成本和使用，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就必須加以避免，光纖鏈路應(yīng)用在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)艙內(nèi)，它的位置可能高于地面或海平面超過100米，另外光纖也可以作為風(fēng)力渦輪和遠(yuǎn)端管理設(shè)備間的數(shù)據(jù)鏈路。

光纖本身的隔離能力也帶來了只需數(shù)英吋距離光纖通信產(chǎn)品的推出，Avago的HFBR-3810Z光纖短距離鏈路器件是一款可以提供單一電路板上達(dá)到12kV瞬態(tài)電氣隔離的高成本效益發(fā)射器和接收器，采用650nm光纖技術(shù)，HFBR-3810Z非常適合如風(fēng)力渦輪逆變器、IGBT/MOSFET驅(qū)動(dòng)以及醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用，為了提供更高的可靠度，Avago也推出了HFBR-3810MSZ，加入金屬屏蔽帶來更高的EMI和ESD耐受力。

現(xiàn)代光纖系統(tǒng)可以有效監(jiān)測運(yùn)行避免停機(jī)和意外修復(fù)

在速度、可靠度以及主動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測上，Avago的AFBR-5978Z工業(yè)快速以太網(wǎng)收發(fā)器是一個(gè)使用光纖收發(fā)器可以達(dá)到何種成果的例子，另外，這個(gè)器件的-25oC到85oC工作溫度范圍更有助于確保收發(fā)器可以承受工業(yè)應(yīng)用的惡劣環(huán)境。

AFBR-5978Z收發(fā)器具有一個(gè)強(qiáng)化的數(shù)字診斷接口，符合"光纖收發(fā)器數(shù)字診斷接口(DMI， Digital Diagnostic Monitoring Interface)"標(biāo)準(zhǔn)要求，依多源協(xié)議(MSA， Multi Source Agreement) SFFA-8472，由光纖相關(guān)產(chǎn)品制造商制訂采用類似產(chǎn)品封裝和功能以簡化零組件的代換，工業(yè)快速以太網(wǎng)光纖網(wǎng)絡(luò)為現(xiàn)場總線(FieldBus)網(wǎng)絡(luò)提供了升級(jí)路徑，相較于INTERBUS的2MBd、PROFIBUS的12MBd以及SERCOS的12MBd和16MBd，可以達(dá)到125MBd的傳輸速度，它同時(shí)也提供了開放式架構(gòu)多重通信協(xié)議接口，允許標(biāo)準(zhǔn)以及特有現(xiàn)場總線可以交互操作，升級(jí)到工業(yè)用快速以太網(wǎng)允許工廠廠區(qū)的機(jī)器可以被指定IP或MAC位址，帶來通過互聯(lián)網(wǎng)的高速遠(yuǎn)端診斷和機(jī)器生產(chǎn)流程變換的便利性。

DMI提供了由收發(fā)器模塊取得實(shí)時(shí)運(yùn)行信息的能力，取得的參數(shù)包括模塊溫度、電源電壓大小以及接收器輸入平均光功率，具備DMI功能，使用者也可以在收發(fā)器應(yīng)用中擁有進(jìn)行零組件監(jiān)測、故障隔離以及失效預(yù)測的能力，另外，DMI也完整地集成了實(shí)現(xiàn)數(shù)字警報(bào)的功能。

在更高等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)中，工業(yè)以太網(wǎng)將工程和管理工作站連接到工業(yè)以太網(wǎng)集線器進(jìn)行整個(gè)企業(yè)的數(shù)據(jù)分享和控制，帶來更高的價(jià)值主張，光纖解決方案提供有多種數(shù)據(jù)率和連接器選擇，可以滿足各種工業(yè)通信和工廠自動(dòng)化應(yīng)用需求。

具有可以使用分立或集成型光纖零組件解決方案的選擇為設(shè)計(jì)工程師帶來聚焦于特定設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)勢，分立零組件可以提供符合特定要求的設(shè)計(jì)靈活度，而集成型零組件解決方案則可以節(jié)省設(shè)計(jì)花費(fèi)，極小化風(fēng)險(xiǎn)并降低成本，最重要的是，光纖的EMI耐受力以及它的隔離特性非常適合工廠環(huán)境。

使用光纖技術(shù)有許多好處，需要高度電絕緣和隔離、安裝容易、在如閃電等惡劣環(huán)境中的生存能力、可以帶來更高可靠性和系統(tǒng)穩(wěn)健度的EMI耐受力、可在長距離下維持的信號(hào)完整性，以及高數(shù)據(jù)安全性等應(yīng)用設(shè)計(jì)都可以藉由采用光纖技術(shù)而獲益，簡單來說，光纖以及光纖收發(fā)器、接收器和發(fā)射器提供了一個(gè)可行的網(wǎng)絡(luò)和控制解決方案。