|
|
Физикотехнический институт
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«КРЫМСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В. И. ВЕРНАДСКОГО»
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра компьютерной инженерии и моделирования
ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Курсовая работа
по дисциплине «Компьютерные сети»
студента 3 курса группы ИВТ-б-з-191
Королев Александр Александрович
Направления подготовки 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника»
(код и наименование)
Научный руководитель
Старший преподаватель,
к. ф.-м. н.
|
_
(оценка)
_____________
_
(подпись, дата)
_____________
|
А.И. Шевченко
|
Симферополь, 2021
Реферат
Королев А. А. «Высокоскоростные оптические линии передачи данных» // Курсовая работа по специальности 09.03.01 Информатика и вычислительная техника / Кафедра компьютерной инженерии и моделирования Физико-технического института Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского. – Симферополь, 2021. – 36 с., 20 рис.
Объектами исследования данной работы являются - волоконно-оптическая система, состоящая из пассивных и активных элементов, предназначенная для передачи информации в оптическом (как правило — ближнем инфракрасном) диапазоне.
Предметом исследования выступает использование волоконно-оптической системы и ее применение.
Цель данной рассмотреть применение, проблемы, способы монтажа, преимущества и недостатки оптоволоконных сетей.
Данная работа состоит из введения четырех глав, заключения и списка использованной литературы.
Во введении обоснована актуальность темы, описаны методологические предпосылки исследования, определены объект, предмет, цель, задачи исследования.
В первой главе изучена история появления оптоволоконной связи.
Во второй главе проанализировано устройство, внутренние процессы, механизмы и принцип работы оптоволоконных сетей.
В третьей главе изучены и описаны причины и способы использования оптоволоконных сетей на предприятиях.
В четвертой главе проанализированы преимущества и недостатки использования оптоволоконных сетей.
В заключении сделаны выводы обобщающего характера.
ОПТОВОЛОКОННЫЕ СЕТИ, ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО, ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИЙ СВЯЗИ, СКОРОСТНАЯ ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ
Оглавление
Реферат 2
Оглавление 3
Список сокращений и условных обозначений 4
Введение 5
2.1 Что представляет собой волоконно-оптическая связь 10
2.2 Принцип передачи оптических сигналов по волокну 12
2.3 Принципы построения волоконно-оптической линии связи 13
2.3 Структура оптического волокна 16
3.1 Описание, анализ и результаты тестирования. 20
3.2. Системы сбора данных и измерительные системы. 22
3.3. Защита от ударов молнии 24
3.4. Силовое оборудование 24
3.5. Установки альтернативной энергетики 26
3.6. Оптические системы дуговой защиты 28
3.7. Другие автоматизированные системы 29
3.8. Медицинское оборудование 31
4.1 Преимущества оптоволоконных сетей 33
4.2 Недостатки оптоволоконных сетей 34
4.3 Вывод 34
Список сокращений и условных обозначений
ОВ
ВОК
ВОЛС
СКС
FTTH
ЭМИ
POF
ПЛК
GPIB
SVC
TSC
TCR
ВЭУ
КРУ
|
Оптическое волокно
Волоконно-оптический кабель
Волоконно-оптические линий связи
Структурированной кабельной системы
Fiber to the home
Электромагнитный излучатель
Пластиковое (полимерное) оптическое волокно
Программируемый логический контроллер
General Purpose Interface Bus
Static VAR Compensator
Thyristor-Switched Capacitors
Thyristor-Controlled Reactor
Ветроэлектрическая установка
Комплектные распределительные устройства
|
Введение
Данная работа посвящена изучению высокоскоростные оптические линии передачи данных.
Объект исследования: Оптические линии передачи данных их использование в домашнем варианте, предприятия, офиса, принципы монтажа, основные недостатки и проблемы.
Предмет исследования: оптоволоконное соединение.
Целью работы является ВОЛС, рассмотреть их принцип работы, преимущества и недостатки.
Для реализации данного проекта необходимо выполнить следующие задачи:
– Изучить историю появления оптоволоконных систем передачи данных;
– Изучить принципы работы ВОЛС, основные механизмы и технологии;
– Исследовать причины и особенности использования оптического волокна;
– Выявить преимущества и недостатки использования ВОЛС;
Результатом выполнения данной работы будет подведение итогов о проведенном исследовании, содержащиеся в заключительной части работы.
Глава 1
История Оптоволокна
Вплоть до 1980-х гг. оптоволоконная технология не могла развиться до такой степени, чтобы стать коммерчески ценным продуктом для нужд связи. Однако развивающиеся международные стандарты связи предсказывали очень высокие требования к скорости передачи данных. Хотя нужная для них пропускная способность могла быть получена через традиционные кабельные, микроволновые и спутниковые технологии, у последних имелось явное ограничение максимальных скоростей передачи данных. Оптоволоконные системы передачи предоставили требуемую огромную производительность, преодолев чреватые неприятностями ограничения.
Предыстория. Ранние сообщества использовали для передачи цифровых сообщений на далекие расстояния сигнальные огни. Полибиус (Polybious), греческий математик, разработал метод кодирования букв с использованием огня, составив таблицу, где ряды таблицы обозначались одним набором огней, а столбцы таблицы - другим набором огней.
1700г. Исаак Ньютон открыл дифракцию и возможность разложения света на спектр различных цветов.
1790г. Французский инженер Клод Шап (Claude Chappe) разработал первую систему оптического телеграфа, используя семафоры. Сообщения передавались от одной возвышенности до другой посредством движения рычагов семафора. '
1800г. Уильям Гершель (William Hershel) открыл, что определенная часть спектра света содержит инфракрасные лучи. Французский математик Августин Фреснель (Augustine Fresnel) разработал первую математическую модель для объяснения свойств света. Его предложение базировалось на предпосылке, что свет состоит из синусоидальных волн. Физик Джеймс Максвелл (James Maxwell) заложил основы для разработки учения о распространении света в форме электромагнитных волн. Уравнения Максвелла до сих пор используются для объяснения поведения в передающих системах радио- и световых волн.
1854г. Британский физик Джон Тиндалл (John Tyndall) провел эксперимент, в котором он передавал свет вдоль струи падающей воды, демонстрируя передачу сигнала путем полного внутреннего отражения.
1880г. Знаменитый изобретатель Александр Белл (Alexander Bell) изобрел устройство, названное фотофоном, которое содержало сделанную из отражающего материала мембрану. Когда звук заставлял мембрану вибрировать, она модулировала падающий на нее световой пучок и отражала его вдаль. Отраженный свет мог быть затем демодулирован с использованием другого фотофона. Используя этот метод, Белл смог установить связь на расстоянии вплоть до 213 м. Американский инженер Уильям Уилер (William Wheeler) разработал систему освещения здания на основе ряда каналов и протоков. Свет вводился с одного конца, и световые лучи за счет внутреннего отражения проходили сквозь каналы к их концам, излучались в комнаты и рассеивались. Хотя система, возможно, никогда не работала эффективно, идея была здравая и в конечном счете способствовала появлению оптоволоконной связи.
1907г. Химик Раунд (Round) открыл, что при определенных углах падения (forward biasing) на различные типы кристаллов карбида кремния они излучали желтый, зеленый, оранжевый или голубой свет.
1910г. Два физика, Хондорс (Hondors) и Дейб (Deybe), опубликовали важную. работу по передаче электромагнитных волн в твердых диэлектриках.
1923г. Физик Лосев разработал светодиод (LED).
1927г. Инженер Берд (Baird) предложил использовать непокрытые волокна при передаче изображений в телевидении.
1934г. Инженер фирмы AT&T Норман Френч (Norman French) впервые запатентовал идею передачи сигналов связи по тонкому стеклянному волокну. В то время не было доступных прозрачных материалов с достаточно низким ослаблением, чтобы технология оказалась осуществимой.
1955г. Инженер фирмы RCA Бронштейн (Braunstein) разработал на основе арсената галлия устройство, которое излучало инфракрасный сигнал.
Активные разговоры о волоконных светодиодах начались еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда же и начали их делать из разного рода прозрачных материалов. Но прозрачности тех материалов не хватало для хорошей проводимости света.
В те годы Советский Союз даже опережал Запад в сфере волоконной оптики. Первая оптическая линия связи была запущена в СССР в 1977 году в Зеленограде. Канал был создан для соединения Северной промзоны и администрации города. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.
В мае 1981 года в СССР вышло Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». Это событие стало толчком для развития волоконно-оптической связи и увеличению количества разработок в этой сфере.
В начале 60-х сначала в СССР, а затем и на Западе ученые приходят к выводу, что светопоглощение стекла сильно зависит от красящих материалов и продуктов разъедания огнеупоров. Экспериментально было доказано, что светопоглощение идеально чистого стекла настолько мало, что лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.
В 1966 году группа ученых во главе Чарльзом Куэн Као приходит к выводу, что наиболее подходящим материалом для волоконно-оптической связи будет кварцевое стекло. Уже тогда Као считал, что с помощью оптики можно будет передавать информацию и вскоре этот вид связи заменит передачи сигнала по медным проводам.
Спустя три года Као получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км. Это результат стал первым экземпляром сверхпрозрачного стекла. Еще год спустя компания Corning Incorporated произвела волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 километров.
Согласитесь в схожем темпе сейчас развивается квантовая передача данных. В качестве экспериментов и коммерческого использования на небольших расстояниях.
1956г. Американская компания NS Карапу впервые использовала термин "волоконная оптика" ("fiber optics"). Ей принадлежит честь первого изобретения стеклянного стержня.
1960г. Теодор Мейман (Theodore Maiman), инженер из фирмы Hughes Aircraft, разработал первый действующий газовый лазер. Фирмы IBM, General Electric и Массачусетский технологический институт (MIT) примерно в одно время разработали инжектирующие лазерные диоды (injection laser diodes).
1966г. Два исследователя в Харлоу (Harlow) разработали стеклянное волокно с ослаблением (attenuation) приблизительно 1000 дБ/км.
1970г. Компания Corning Glass Works разработала методику производства стеклянных волокон, подавляющую ослабление до 20 дБ/км. Фирмы Bell laboratories, RCA и ученые Советского Союза разработали инжекторные полупроводниковые лазеры постоянного действия.
1972г. Ослабление сигнала в оптических волокнах было снижено до 4 дБ/км.
1976г. Компания Rediffusion развернула первую коммерческую оптоволоконную систему для передачи аналоговых телевизионных сигналов.
1980г. Коммерческое распространение оптоволоконных систем связи.
Глава 2
Оптоволоконная связь
2.1 Что представляет собой волоконно-оптическая связь
Волоко́нно-опти́ческая связь – способ передачи информации, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем – волоконно-оптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования пропускная способность волоконно-оптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду.
Малое затухание света в оптическом волокне позволяет применять волоконно-оптическую связь на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и труднодоступна для несанкционированного использования: незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, технически крайне сложно.
Самой высокой пропускной способностью среди всех существующих средств связи обладает оптическое волокно (диэлектрические волноводы). Волоконно-оптические кабели применяются для создания ВОЛС – волоконно-оптических линий связи, способных обеспечить самую высокую скорость передачи информации (в зависимости от типа используемого активного оборудования скорость передачи может составлять десятки гигабайт и даже терабайт в секунду).
Кварцевое стекло, являющееся несущей средой ВОЛС, помимо уникальных пропускных характеристик, обладает ещё одним ценным свойством – малыми потерями и нечувствительностью к электромагнитным полям. Это выгодно отличает его от обычных медных кабельных систем.
Данная система передачи информации, как правило, используется при постройке рабочих объектов в качестве внешних магистралей, объединяющих разрозненные сооружения или корпуса, а также многоэтажные здания. Она может использоваться и в качестве внутреннего носителя структурированной кабельной системы (СКС), однако законченные СКС полностью из волокна встречаются реже – в силу высокой стоимости строительства оптических линий связи.
Применение ВОЛС позволяет локально объединить рабочие места, обеспечить высокую скорость загрузки Интернета одновременно на всех машинах, качественную телефонную связь и телевизионный приём.
В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов — сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.
Волоконно-оптическая связь находит всё более широкое применение во всех областях – от компьютеров и бортовых космических, самолётных и корабельных систем, до систем передачи информации на большие расстояния, например, в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связи Западная Европа – Япония, большая часть которой проходит по территории России. Кроме того, увеличивается суммарная протяжённость подводных волоконно-оптических линий связи между континентами.
Волокно в каждый дом (англ. Fiber to the premises, FTTP или Fiber to the home, FTTH) – термин, используемый телекоммуникационными интернет-провайдерами для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершения на территории конечного пользователя путём установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего:
высокоскоростной доступ в Интернет;
услуги телефонной связи;
услуги телевизионного приёма.
Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной по сравнению с традиционными услугами.
2.2 Принцип передачи оптических сигналов по волокну
Принцип передачи оптических сигналов по линии связи рассмотрим на примере простейшей системы передачи информации.
Система состоит из передатчика оптических сигналов и приемника оптических сигналов, рис. 2.1. В передатчике электрические сигналы x(t), поступившие на его вход от источника сообщений, преобразуются в оптические сигналы y(t). Для этого в передатчике имеется источник света (полупроводниковый светодиод или лазер) и оптический модулятор. С выхода передатчика оптические сигналы y(t) вводятся в оптическое волокно, распространяются по нему и поступают в приемник.
Рисунок 2.1. Волоконно-оптическая система передачи сообщений
В приемнике происходит преобразование модулированных оптических сигналов y′(t) в электрические x′(t). Для этого в приемнике имеется фотодетектор (p-i-n или лавинный фотодиод). Кроме фотодетектора в оптический приемник входят также усилители сигналов, демодулятор и другие элементы. На выходе приемника электрические сигналы x′(t) должны быть тождественны сигналам x(t), введенным в передатчик. Однако вследствие искажений оптических сигналов при их распространении по ОВ сигналы на входе y(t) и выходе y′(t) не всегда тождественны. Вследствие этого не тождественны также и сигналы x(t) и x′(t). Допустимая степень искажения как электрических x′(t), так и оптических y′(t) сигналов определяется назначением системы передачи информации.
2.3 Принципы построения волоконно-оптической линии связи
Для увеличения пропускной способности оптоволокна используется мультиплексирование. Мультиплексирование применительно к оптоволоконным линиям связи это передаче нескольких сигналов с разной длинной волны по одному оптоволоконному кабелю.
Для создания многих каналов связи и разделения направлений передачи может быть применено временное (мультиплексирование с разделением по времени рис.2.2) и частотное (мультиплексирование с разделением по длине волны рис.2.3) волновое разделения направления передач.
Рисунок 2.2. Мультиплексирование с разделением по времени
Рисунок 2.3. Мультиплексирование с разделением по длине волны
На рисунке 2.4 представлены примеры простейших однонаправленных двухканальных передач по одному ОВ. При частотном (волновом) разделении направлений передачи передатчик содержит два источника излучения (при N-канальной связи – N источников излучения). Электрические сигналы A1, A2, Б1, Б2, ... поступающие на входы Авх и Бвх передатчиков, преобразуются в оптические сигналы. Сигналы A1, A2, ... передаются по ОВ, на длине волны λ1, а сигналы Б1, Б2, ... – на длине волны λ2.
В фотоприемнике пришедший по ОВ групповой оптический сигнал разделяется на два монохроматических пучка с соответствующими длинами волн. Затем в фотодетекторе пучок света длиной волны λ1 преобразуется в электрические сигналы А1, А2, ..., а с длиной волны λ2 – в электрические сигналы Б1, Б2, ..., которые поступают соответственно на выходы Авых и Бвых.
При передаче по одному ОВ оптических сигналов в двух направлениях передатчик и фотоприемник с фотодетекторами имеются на обоих концах ОВ. Причем передача сообщений в одном направлении происходит на волне λ1, а в обратном – на λ2.
При временном разделении направлений передачи сигналы передаются по одному ОВ поочередно, не совпадая по времени. В случае двухканальной передачи на входы Авх и Бвх передатчика поступают две серии электрических импульсовА1, А2, ..., и Б1, Б2, ..., которые, через распределитель, поочередно вводятся в оптический передатчик.
Модулятор передатчика преобразует полученную последовательность электрических импульсов в оптические импульсы с одной длиной волны света. Оптические импульсы, пришедшие по ОВ, преобразуются имеющимся в приемнике фотодетектором в электрические импульсы, которые распределяются затем на две серии импульсов, поступающих соответственно на выходы Авых и Бвых.
Рисунок 2.4. Примеры простейших однонаправленных двухканальных передач по одному ОВ
Кроме того, из-за несовершенства оптического тракта передачи происходят искажения оптических сигналов в целом. Поэтому для увеличения дальности связи по ОВ вдоль линейного тракта через определенные расстояния устанавливаются линейные оптические усилители или оптико-электронные регенераторы, рис 2.5.
Рисунок 2.5. Структурная схема оптоволоконной линии передач с оптическими усилителями
Основой оптоволоконного кабеля являются оптические волокна, по которым передается информационный поток. Количество волокон варьируется от одного до нескольких сотен, в зависимости от назначения кабеля. Оптоволокно изготавливается из различных видов стекла с добавками легирующих материалов, изменяющих коэффициент преломления светового луча, рис. 2.6.
 
Рисунок 2.6. Примеры внутренней структуры оптоволоконных кабелей
Оптическое волокно разделяется на сердцевину и оболочку с разными показателями преломления. Диаметр сердцевины составляет 9 микрометров (одномодовое ОВ), 50 микрометра (многомодовое ОВ). После этого идет слой первичной оболочки. Поверх оболочки наносится тонкий слой специального лака, улучшающий эксплуатационные характеристики стекловолокна.
Волокна группируются в оптические модули, защищающие стеклянные нити от внешних воздействий. Каждый модуль – это пластиковая трубка с волокнами внутри. ВОК может состоять из одного или нескольких модулей, что зависит от общего количества волокон. Модульная группировка ОВ в сочетании с цветовой маркировкой значительно упрощает их идентификацию на концах оптического кабеля.
По центру ВОК часто размещается силовой элемент – стеклопластиковый стержень, демпфирующий нагрузки, возникающие при монтаже и в процессе эксплуатации ВОК. В некоторых типах кабеля оптические модули покрываются гидрофобным гелем для защиты от влаги. Поверх гелевого наполнителя укладывается слой тонкой пленки из полиэтилена.
Следующей буферной прослойкой служит полиэтиленовая оболочка, отделяющая оптические модули от армирующей брони. Броня используется в оптических кабелях, предназначенных для прокладки в подземных коммуникациях и грунте. Броневое покрытие может быть металлическим, состоящим из стальной проволоки или ленты и диэлектрическим, состоящим из стеклопластиковых прутков или слоя кевларовых нитей.
Бронирование эффективно защищает от грызунов и воздействия опасных механических нагрузок, таких как растяжение и раздавливание.
Первым и наиболее важным рубежом защиты оптоволоконного кабеля является наружная оболочка, изготавливаемая из негорючего полиэтилена повышенной плотности. Надежность внешнего покрытия напрямую влияет на длительность беспроблемной службы ВОК. Поэтому, к качеству его изготовления предъявляются самые жесткие требования.
Работа оптического кабеля основана на передаче модулированного светового потока. Преобразование полезного электрического сигнала в свет (и обратное) выполняется в оптическом трансивере, являющемся составной частью оборудования, работающего на оптоволоконных линиях связи. Световой луч, формируемый лазером или полупроводниковым светодиодом, может входить в оптоволокно двумя способами, рис 2.7:
под углом 0° — одномодовое волокно, длина волны 1300 или 1500 нм;
под небольшим углом — многомодовое волокно, длина волны 950 нм.
Рисунок 2.7. Способы подачи светового сигнала в ОВ
Лучи света, вошедшие в волокно под разными углами, распространяются в нем по разным траекториям (модам) и на разные расстояния. Свет, входящий под нулевым углом, проходит по центру сердцевины ОВ, образуя только одну моду. Распространение луча, вошедшего под углом, отличается многократными отражениями от оболочки волокна с образованием нескольких мод, достигающих конца оптического кабеля за разное время.
Рисунок 2.7. Схема передачи сигналов в разных типах ОВ
ВОК с одномодовыми волокнами обеспечивает большую дальность передачи без усиления/регенерации сигнала, благодаря меньшему затуханию. Так же они могут передавать значительно большие объемы информации. Однако, требования к производству таких кабелей значительно выше, что увеличивает их цену.
2.4 Вывод
В сравнении с медными проводниками, оптическое волокно имеет более сложное устройство. Данные в оптоволоконных кабелях передаются в виде световых сигналов, которые распространяются в стеклянном сердечнике, покрытом специальными отражающими и защитными слоями. Для увеличения пропускной способности по одному кабелю может передаваться сразу несколько потоков информации. Такой способ передачи данных в оптоволоконных кабелях называется мультиплексированием. Мультиплексирование может быть с разделением по времени или длине волны.
Для передачи данных в оптоволоконный кабель используются специальные устройства, которые преобразуют электрические сигналы в световые и наоборот. Чаще всего для этого используется светодиоды или лазеры.
Глава 3
Причины использования оптического волокна в промышленности
3.1 Описание, анализ и результаты тестирования.
В промышленных применениях редко возникает необходимость в высокоскоростной передаче сигнала на большие расстояния. Типичные значения скорости передачи ограничиваются сотнями Мбит/с, а длина участка линии связи составляет десятки-сотни метров. Этим условиям вполне отвечают стандартные линии на основе витой пары или коаксиального кабеля, а также беспроводная связь. Однако в промышленных условиях на первый план выходят такие факторы, как безопасность и надежность передачи информации. И в этой связи дают о себе знать другие преимущества оптоволокна, существенно выделяющие его на фоне конкурентов. В первую очередь, речь идет о следующих двух особенностях оптического волокна:
Невосприимчивость к электромагнитному излучению (ЭМИ). Промышленные процессы зачастую сопровождаются повышенным уровнем электромагнитного шума, источником которого могут быть силовые установки, радиоаппаратура и прочее технологическое оборудование. Электромагнитные помехи могут привести к искажению или даже полной потере данных. В отличие от своих конкурентов, оптическое волокно изготавливается из диэлектрического материала, а потому абсолютно невосприимчиво к электромагнитным помехам. Это позволяет прокладывать оптическую линию связи в непосредственной близости к источникам ЭМИ (в частности, к силовым линиям питания технологического оборудования). Вдобавок, оптоволокно само не создает электромагнитных полей в окружающем пространстве, поэтому между соседними оптоволоконными линиями связи не возникает перекрестных помех.
Гальваническая развязка. Поскольку оптическое волокно является диэлектриком, между передающей и приемной стороной отсутствует электрический контакт. Это позволяет решить большое количество проблем, связанных с разностью потенциалов соединяемого оборудования, протеканием выравнивающего тока при неидеальном заземлении, а также скачками напряжения и другими аварийными ситуациями. Оптоволокно обеспечивает изоляцию значительно более высокого напряжения, чем оптроны и другие микросхемы, используемые для гальванической развязки.
По этим причинам во многих промышленных применениях наилучшим, а подчас и единственно верным, решением является использование оптического волокна. Большую популярность получили индустриальные линии связи на основе пластикового (полимерного) оптического волокна (POF), поскольку они полностью отвечают предъявляемым требованиям и в то же время привлекают сравнительно низкой стоимостью компонентов и простотой работы с POF.
Спектр возможных применений оптоволокна (в частности, POF) в промышленности очень разнообразен. Далее мы вкратце рассмотрим некоторые конкретные примеры, взятые из руководства по применению (Application Note), выпущенного компанией Avago Technologies (сейчас – Broadcom Limited), – одним из ведущих производителей индустриальных волоконно-оптических компонентов.
Управление техническими процессами
В автоматизированных промышленных системах контроллеры получают сигналы управления от компьютера, который может быть удален на некоторое расстояние. Линии связи, по которым передаются эти сигналы, часто располагаются вдоль линий питания и вблизи технологических установок. Чтобы исключить влияние помех на передаваемые сигналы, применяется оптическое волокно. Так, при помощи оптоволокна можно организовать связь между компьютером и программируемым логическим контроллером (ПЛК), рис. 3.1, а также связь между несколькими ПЛК, объединенными в общую информационную сеть.
Рисунок 3.1 Связь между Управляющим компьютером и ПЛК
Другим примером является управление промышленными роботами, в конструкцию которых входят электродвигатели, соленоиды и прочие элементы, создающие электромагнитные помехи, рис. 3.2. Относительная гибкость оптического волокна позволяет также использовать его для связи между движущимися частями робота.
Рисунок 3.2 Управление промышленными роботами посредствам оптоволоконной связи
3.2. Системы сбора данных и измерительные системы.
Большое значение на производстве также играют контрольно-измерительные системы. Зачастую необходимо проводить мониторинг различных параметров высоковольтного оборудования. Обработка полученных данных при этом осуществляется при помощи низковольтной микропроцессорной техники. Поэтому для передачи сигналов необходима надежная гальваническая развязка, которая достигается при использовании оптического волокна, рис. 3.3.
Рисунок 3.3 Использование оптического волокна для передачи данных между разноуровневыми напряжениями в системах обработки данных.
В автоматизированных контрольно-измерительных системах также широко используется интерфейсная шина GPIB (IEEE-488). При помощи оптоволокна можно увеличить расстояние между измерительным прибором и компьютером, обрабатывающим информацию. При этом обеспечивается гальваническая развязка и защита от электромагнитных помех, что критично с точки зрения точности измерений.
Рисунок 3.4 Применение оптического волокна в автоматизированных контрольно-измерительных системах
3.3. Защита от ударов молнии
Если технологическое оборудование расположено в разных помещениях, волоконно-оптическая связь между установками обеспечивает защиту от возможных повреждений, вызванных ударами молнии.
Рисунок 3.4 Применение оптического волокна для защиты оборудования
3.4. Силовое оборудование
Оптическое волокно используется не только для передачи информации от одних промышленных установок к другим. Оптоволоконные интерфейсы часто применяются внутри оборудования для связи между его частями. В качестве примера можно привести управление IGBT транзисторами, служащими в качестве электронных ключей в инверторах, импульсных источниках питания и других силовых приборах. Оптоволокно обеспечивает надежную гальваническую развязку между низковольтным микроконтроллером, формирующим управляющие сигналы, и затвором силового транзистора.
Рисунок 3.5 Применение оптического волокна для управления IGBT транзистором
Другим устройством силовой электроники, в котором используется оптическое волокно, является статический компенсатор реактивной мощности (SVC – Static VAR Compensator), применяемый в высоковольтных системах для уменьшения нагрузки на распределительную сеть, улучшения качества подаваемой электроэнергии и снижения расходов. Основными элементами SVC являются конденсаторы с тиристорным переключением (TSC – Thyristor-Switched Capacitors) и реакторы с тиристорным управлением (TCR – Thyristor-Controlled Reactor), переключение которых приводит к возникновению сильных электромагнитных полей. Поэтому для передачи управляющих сигналов и сигналов обратной связи в SVC применяется оптическое волокно, невосприимчивое к помехам и обеспечивающую гальваническую развязку.
Рисунок 3.5 Применение оптического волокна в статических компенсаторах реактивной мощности
3.5. Установки альтернативной энергетики
Из рассмотренного выше видно, что оптоволокно может применяться на разных этапах одного и того же технологического процесса. В качестве примера рассмотрим такую набирающую популярность в последние годы область промышленности, как альтернативная энергетика. Наиболее распространенными направлениями на сегодняшний день являются ветроэнергетика и солнечная энергетика.
Ветрогенератор (ВЭУ – ветроэлектрическая установка) преобразует кинетическую энергию ветрового потока в электрическую энергию. В конструкцию ветрогенератора входят выпрямители, инверторы, трансформаторы и фильтры, осуществляющие необходимое преобразование выработанной электроэнергии для ее последующей передачи на большие расстояния. Соединение силового оборудования ветрогенераторов при помощи оптического волокна позволяет исключить влияние скачков напряжения и электромагнитных помех на передаваемые сигналы. Волоконно-оптические компоненты могут располагаться в непосредственной близости к оборудованию и силовым линиям. Оптическое волокно может применяться в следующем оборудовании ветровой электростанции:
Драйверы затвора силовых транзисторов в выпрямителях и инверторах.
Приборные и коммуникационные панели.
Блоки управления турбиной.
Системы мониторинга условий окружающей среды и состояния оборудования.
Информационные сети ветровых электростанций.
Рисунок 3.6 Применение оптического волокна в системах управления ветроэлектрической установки
Аналогичным образом оптическое волокно применяется и в оборудовании электростанций на основе солнечных батарей, преобразующих солнечную энергию в электрический ток. Оптоволокно на солнечных электростанциях применяется в следующих системах:
Драйверы затвора транзисторов в силовых инверторах.
Приборные и коммуникационные панели.
Оборудование автоматизации подстанций и релейной защиты.
Рисунок 3.6 Применение оптического волокна в системах управления солнечных батарей
3.6. Оптические системы дуговой защиты
Следующий пример использования оптического волокна несколько отличается от всех предыдущих, поскольку здесь оптоволокно выступает не просто как канал связи, а как основной элемент системы. Речь идет об оптических системах защиты от электрической дуги в комплектных распределительных устройствах (КРУ) электрических подстанций. Такие системы регистрируют оптическое излучение вспышки света, возникающей при дуговом коротком замыкании. Этот подход позволяет минимизировать время срабатывания выключателя в случае аварии. В качестве чувствительного элемента обычно используется линзовый оптический датчик, собирающий излучение вспышки и передающий по оптоволокну на управляющее устройство, или же волоконно-оптический датчик, представляющий собой отрезок оптоволокна в прозрачной оболочке, который регистрирует свет всей своей поверхностью. Управление датчиками может производиться удаленно.
Рисунок 3.6 Схематическое представление ячейки КРУ
Необходимость в централизованном управлении различными установками возникает также и в других системах, не связанных с производством и энергетикой. Приведем два примера, в которых целесообразно использовать оптическое волокно.
Сеть POS-терминалов в магазинах, банках и других учреждениях. Использование оптоволокна для передачи информации между POS-терминалами и центральным компьютером гарантирует высокую скорость связи и сохранность данных по проведенным операциям. Особенно это важно на крупных площадях, где могут присутствовать источники сильных помех.
Рисунок 3.7 Применение оптоволокна в POS терминалах
Игровые развлекательные центры. Оптоволокно также может быть использовано для автоматизации игровых развлекательных систем, а именно для связи центрального компьютера с игровыми автоматами, внутренних соединений автомата и связи между игровыми автоматами для многопользовательской игры.
Рисунок 3.7 Применение оптоволокна в игровых развлекательных системах
3.8. Медицинское оборудование
Еще одна область, в которой активно применяется оптическое волокно, – это медицинское оборудование. Изолирующие свойства оптического волокна обеспечивают защиту пациента, персонала и электроники от высоковольтной части аппаратуры. В качестве примера можно привести рентгеновский аппарат. Для генерации излучения к рентгеновской трубке подводится высокое напряжение. Оптоволокно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. При этом также устраняется влияние электромагнитных помех, возникающих при переключении высоких токов и напряжений.
Рисунок 3.7 Применение оптоволокна в управлении компонентами медицинского оборудования
Компоненты Versatile Link от Broadcom Limited
Конечно, невозможно перечислить всех возможных промышленных применений оптического волокна. Однако эта область телекоммуникаций активно развивается как во всем мире, так и в нашей стране.
Для реализации этих и других подобных систем передачи информации выпускаются индустриальные волоконно-оптические компоненты, отвечающие жестким условиям промышленности. Большую популярность среди разработчиков заслужили компоненты линейки Versatile Link, выпускаемые компанией Broadcom Limited (ООО «ЭФО» является официальным дистрибьютором Broadcom). Эта линейка компонентов предназначена для работы с пластиковым оптическим волокном и включает дискретные оптические передатчики и приемники, коннекторы, адаптеры (розетки) и POF патч-корды. Компоненты Versatile Link отличаются надежностью, экономичностью, а также простотой эксплуатации, благодаря чему могут использоваться практически в любых сферах промышленности.
3.9 Вывод
Оптоволоконные сети широко используются в широком спектре оборудования и системах передачи информации. Обладая особыми свойствами, такими как помехоустойчивость и долговечность, оптическое волокно хорошо зарекомендовало себя в оборудовании, требующем передачи большого объема данных, минимизации помех в передачи данных, а также в некоторых устройствах в качестве гальванической развязки при передаче информации от одного устройства к другому.
Глава 4
Недостатки и преимущества оптоволоконных сетей
4.1 Преимущества оптоволоконных сетей
Основные преимущества оптоволоконных сетей: помехозащищенность, информационная безопасность, гальваническая развязка между электроприборами и долговечность.
Никакие виды электромагнитных помех не влияют на качество передачи информации в оптическом волокне. Благодаря этому, оптическое волокно может располагаться вблизи таких мощных источников электромагнитных помех как: радиоантенны, неоновая реклама, оборудование АТС, станки на заводах и др. Кроме того, многие ЛЭП уже имеют в своем составе ВОЛС, вмонтированную в грозотрос.
Вследствие того, что оптическое волокно не проводит электрический сигнал, то обеспечивается полная гальваническая развязка между передатчиком и приемником. Это облегчает схема технику канало образующего оборудования.
Оптическое волокно не только не чувствительно к внешним электромагнитным воздействиям, но и само не излучает никаких сигналов в окружающую среду. Последнее существенно усложняет перехват информации, которая передается по оптическому волокну. Для того, чтобы перехватить информацию, необходимо удалить шар за шаром оболочку оптического кабеля до самого оптического волокна. Далее необходимо изогнуть оптическое волокно, после чего часть сигнала будет выходить за пределы волокна. Эта часть излучения и может быть перехвачена. Вместе с тем, этот изгиб оптического волокна легко зафиксировать при помощи оптического рефлектометра.
4.2 Недостатки оптоволоконных сетей
Основным недостатком оптических волокон являются повышенные требования к обслуживающему персоналу как на этапе монтажа оптического кабеля, так и в ходе обслуживания. Львиная доля повреждений в ВОЛС как раз и связана с недостатком знаний и навыков по работе с активными и пассивными компонентами ВОЛС. Среди основных проблем, которые допускаются по незнанию или халатности можно выделить грязные коннекторы и макро-изгибы.
Еще одним недостатком является появление микротрещин и повышение затухания оптического волокна за счет водородной коррозии. Распространенным заблуждением является утверждение, что оптическое волокно не боится попадания воды в оптическую муфту. При попадании влаги в ВОЛС повышения потерь обусловлены повышенным содержанием в сердцевине оптического волокна примесей SiOH.
Конечно, сигнал передается только в сердцевине оптического волокна, поэтому требуется время чтобы под воздействием внешних факторов из воды и кремния получится SiOH, а после произошла диффузия этой примеси в сердцевину оптического волокна через его оболочку и буферный слой. В результате вода негативно влияет на характеристики оптического волокна, однако, в отличие от медного кабеля, такое воздействие имеет отсрочку во времени.
4.3 Вывод
Оптоволоконные сети гораздо более эффективны для передачи данных, а учитывая их помехозащищенность, во многих областях без них невозможно обойтись. Однако дороговизна и повышенная сложность их использования замедляет их повсеместное использование. Тем не менее, со временем стоимость производства будет только снижаться и в будущем оптоволоконные сети будут получать все большее распространение.
Заключение
В результате работы над данным проектом, были исследованы технологии волоконно-оптической связи. Изучена история появления оптоволоконной связи, проанализировано устройство, внутренние процессы, механизмы и принцип работы оптоволоконных сетей, изучены и описаны причины и способы использования оптоволоконных сетей на предприятиях.
По итогам анализа были выявлены преимущества и недостатки использования оптоволоконных сетей в промышленности и других сферах.
Список литературы
ГОСТ Р 57139-2016 Кабели оптические – Введ. с 01.02.2017 г. М.: Стандартинформ, 2017. – 9 с.
Оформление выпускной квалификационной работы на соискание квалификационного уровня «Магистр» («Бакалавр»): методические рекомендации. / сост. Бержанский В.Н., Дзедолик И.В., Полулях С.Н. – Симферополь: КФУ им. В.И.Вернадского, 2016. – 31 с.
Н.Ф. Семенюта, п. М. Буй Волоконно-оптические линии связи и телекоммуникационные системы передачи на железнодорожном транспорте – Белорусский государственный университет транспорта – Гомель 2012 – 205 с.
Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи – М.: ЛЕСАРарт, 2003 – 106 с.
Цифровая волоконно-оптическая система последовательной передачи сигналов, соответствующих Рекомендациям МСЭ-R BT.656, МСЭ-R BT.799, МСЭ-R BT.1120 и МСЭ-R BT.2077 – Международный союз электроники 2015 – 28 с.
Техническая спецификация оптоволоконного трансивера AFCT-5750Z [Электронный ресурс] // https://broadcom.com 2021, – URL: https://docs.broadcom.com/doc/AV02-0139EN0
|
|
|
Скачать 1.07 Mb.