Почему промышленным системам нужна оптическая изоляция?

Когда инженеры думают о волоконной оптике, первыми на ум часто приходят преимущества более высокой пропускной способности и большей дальности передачи. Однако в промышленных системах ни одно из этих преимуществ может быть не главной причиной использования оптоволокна.

Управляющий сигнал может проходить всего несколько метров внутри станка, между двумя шкафами или от контроллера к силовой преобразовательной ступени. Требуемая скорость передачи данных также может быть относительно скромной. Тем не менее, оптическая линия связи может обеспечить важное преимущество на уровне системы: информация может пересекать электрические домены без необходимости создания проводящего электрического пути между ними самим коммуникационным носителем.

Это различие имеет значение в средах, содержащих приводы с регулируемой частотой, сервосистемы, импульсные преобразователи мощности, контакторы, большие электродвигатели, оборудование для хранения энергии и высоковольтные силовые ступени на IGBT или SiC. Различные потенциалы земли, синфазные помехи, переходные процессы коммутации и электромагнитные помехи могут затруднить управление электрически связанными линиями связи.

Понимание промышленной оптической развязки поэтому начинается с фундаментальной инженерной проблемы: два устройства должны обмениваться информацией, даже если они не работают в одной и той же электрической среде.

Что такое оптическая развязка в промышленной системе?

Оптическая развязка в промышленной системе — это передача управляющих сигналов или сигналов данных между отдельными электрическими доменами без необходимости проводящего пути передачи сигнала между ними. Сигнал преобразуется из электрической формы в световую, передается через оптическую среду и преобразуется обратно в электрический сигнал на приемной стороне.

Важен не просто тот факт, что сигнал становится оптическим. Сам путь передачи данных больше не требует электрического соединения двух конечных точек.

Обычная электрическая линия связи обычно использует проводники между устройствами. В зависимости от интерфейса, они могут включать сигнальные провода, опорные проводники, экраны или другие проводящие пути, связанные с системой связи. Если два устройства находятся под разными электрическими потенциалами, коммуникационная проводка может стать частью пути, по которому передается нежелательный ток или напряжение.

Оптическая линия связи изменяет это соотношение. Электроника с одной стороны управляет оптическим передатчиком. Свет проходит через оптоволокно. Оптический приемник с другой стороны преобразует свет обратно в электрический сигнал.

Когда оптоволоконная линия связи не содержит проводящего пути через границу развязки, две электронные стороны не нуждаются в общем сигнальном проводнике или общей электрической опоре через среду передачи.

Гальваническая развязка против обработки сигналов

Обработка сигналов и гальваническая развязка решают разные задачи.

Фильтрация может уменьшить нежелательные частотные компоненты. Дифференциальная сигнализация может улучшить подавление помех, которые одинаково проявляются на обоих сигнальных проводниках. Экранирование может уменьшить электромагнитную связь. Компоненты защиты от перенапряжения могут ограничить переходные нагрузки.

Все эти методы ценны, но они не разделяют автоматически два электрических домена.

Гальваническая развязкаозначает, что нормальный электрический ток не может протекать напрямую через барьер развязки, в то время как информация или мощность передаются другим механизмом. Трансформаторы, оптопары, емкостные изоляторы, магнитные изоляторы и оптоволоконные линии связи — это различные способы создания таких границ.

Развязка — это не только функция безопасности

Развязка часто ассоциируется с защитой от опасного напряжения, но промышленная связь имеет другую причину ее использования: целостность сигнала.

Две цепи могут работать при относительно низких напряжениях и все же иметь достаточную разницу потенциалов земли или синфазную помеху, чтобы вызвать проблемы связи.

Поэтому промышленная развязка может использоваться для разделения несовместимых опорных потенциалов, прерывания нежелательных путей протекания тока земли, уменьшения распространения электрических помех через коммуникационную проводку или защиты низковольтной управляющей электроники от высоковольтных переходных процессов.

По этой причине развязка часто является частью самой архитектуры связи, а не только компонентом безопасности, добавленным впоследствии.

Почему в промышленных системах возникают различия в потенциалах земли?

Электрические схемы часто представляют землю как единый узел с нулевым напряжением. Реальные промышленные установки более сложны.

Земляные проводники имеют сопротивление и индуктивность. Силовые токи протекают через проводники, сети защитного заземления, конструкции шкафов, рамы станков и системы распределения. Оборудование также может питаться от разных источников или устанавливаться далеко друг от друга.

В результате две точки, обозначенные как «земля» на разном оборудовании, не гарантируют, что они останутся при точно таком же мгновенном потенциале.

«Земля» не всегда имеет одинаковый потенциал везде

Рассмотрим контроллер, установленный в одном шкафу, и привод, установленный в другом.

Оба устройства могут быть правильно заземлены. Их локальные опорные потенциалы земли все равно могут различаться из-за падения напряжения вдоль заземляющих проводников, протекания большого тока через общую импеданс, различий в распределении питания, переходных процессов коммутации или физического разделения.

Если между этими системами подключен электрический коммуникационный кабель, он может стать частью пути, по которому пытается выровняться разница потенциалов.

                                        Как разница потенциалов земли создает земляную петлю

Как разница потенциалов земли становится земляной петлей

Земляная петляможет образоваться, когда более одного проводящего пути соединяет точки, которые номинально заземлены, но фактически не имеют одинакового потенциала.Ток затем может циркулировать по путям, предназначенным в основном для опорного сигнала, экранирования или связи, а не для переноса выравнивающего тока.

Результирующий ток создает дополнительные падения напряжения вдоль пути передачи данных. Приемник больше не видит только предназначенный дифференциальный информационный сигнал; весь сигнал также может смещаться относительно собственной локальной опоры приемника.

Вот где разница потенциалов земли становится синфазной проблемой.

Как земляные петли становятся проблемами связи

Электрические приемники работают в ограниченной синфазной среде.

Если разница напряжений между подключенными системами становится слишком большой, или если синфазное напряжение изменяется слишком быстро, доступный запас сигнала может уменьшиться. Данные могут быть повреждены, защитные структуры могут начать проводить ток, или компоненты интерфейса могут подвергнуться дополнительной электрической нагрузке.

Эти проблемы часто носят прерывистый характер.

Линия связи может работать во время ввода в эксплуатацию, но стать нестабильной после подключения дополнительного оборудования. Она может выйти из строя при запуске большого двигателя или при переходе инвертора в другое рабочее состояние. Сам протокол может функционировать правильно, в то время как электрические взаимосвязи между конечными точками — нет.

Почему ЭМП влияют на медные линии связи

Разница потенциалов земли — лишь одна часть промышленной электрической среды.

Заводы и силовая электроника также содержат мощные источники

электромагнитных помех (ЭМП). Кабели двигателей переносят быстро меняющиеся токи. Инверторы и коммутируемые преобразователи создают крутые переходные процессы напряжения. Контакторы и реле коммутируют индуктивные нагрузки. Высокотоковые проводники могут проходить близко к низковольтным управляющим проводам.Электрические коммуникационные кабели работают в той же среде.

Как помехи попадают в электрическую линию

Шум может попасть в проводящую систему связи несколькими способами.

Изменяющееся магнитное поле может индуцировать напряжение в контуре проводника. Изменяющееся электрическое поле может емкостно передавать энергию в близлежащие проводники. Шум также может попадать через общие импедансы питания или заземления.

Поэтому промышленные системы связи полагаются на такие методы, как дифференциальная сигнализация, контролируемый импеданс, экранирование, стратегия заземления, фильтрация, защита от перенапряжения, прокладка кабелей и гальваническая развязка.

Каждый из них решает свою часть проблемы.

Дифференциальная сигнализация помогает, но не устраняет электрическое соединение

Дифференциальная связь широко используется, поскольку приемник реагирует в основном на разницу напряжений между двумя проводниками, а не на каждый проводник по отдельности.

Если одна и та же помеха одинаково проявляется на обеих линиях, большая ее часть может быть подавлена.

Однако на практике шум редко бывает идеально сбалансированным. Геометрия кабеля, экранирование, согласование, частота, заземление, качество установки и способность приемника работать в синфазном режиме — все это влияет на результат.

Что более важно, дифференциальная сигнализация сама по себе не устраняет проводящий путь между электрическими доменами.

Хорошо спроектированная медная линия связи может работать очень надежно в промышленных системах. Реальный вопрос проектирования заключается в том, принесет ли приложение пользу от сохранения физического соединения двух электрических доменов вообще.

Почему оптоволокно обеспечивает электрическую развязку на физическом уровне

Оптоволокно изменяет проблему связи, поскольку информация больше не должна пересекать границу в виде электрического тока или напряжения.

Типичная промышленная оптическая линия связи следует простой последовательности:

электрический сигнал → оптический передатчик → оптоволокно → оптический приемник → электрический сигнал

Электроника все еще существует на обоих концах, но среда передачи несет свет, а не электрический сигнал.

                         Почему медь переносит электрические помехи, а оптоволокно разрывает проводящий путь

Две стороны не нуждаются в общем сигнальном заземлении через оптоволокно

Предположим, низковольтный контроллер отправляет команду оборудованию, работающему в другом электрическом домене.

При прямом медном соединении обе системы становятся электрически связанными через коммуникационную проводку.

При полностью непроводящем оптическом пути отсутствует металлический сигнальный проводник, по которому ток выравнивания земли может течь от одной конечной точки к другой.

Информация пересекает границу, но электрический потенциал не должен следовать за ней.

Это принципиально иной подход, чем простое повышение помехоустойчивости электрического приемника.

Почему ЭМП не наводятся на оптический сигнал таким же образом

Медный проводник поддерживает электрический ток и напряжение, поэтому внешние электрические и магнитные поля могут напрямую взаимодействовать с цепью связи.

Оптический сигнал внутри диэлектрического оптоволокна отличается. Вдоль оптоволокна нет проводника электрического сигнала, на который внешнее электромагнитное поле могло бы воздействовать таким же образом.

Вот почему оптоволокно очень ценно в электрически шумных промышленных средах.

Однако не следует преувеличивать это различие. Плата передатчика, плата приемника, локальные источники питания, разъемы и окружающие цепи по-прежнему являются электронными системами. Плохое заземление, слабая целостность питания, недостаточная защита от переходных процессов или плохая компоновка печатной платы по-прежнему могут привести к сбоям.

Оптоволокно устраняет одно важное звено связи и путь тока. Оно не устраняет необходимость надлежащего проектирования ЭМС на конечных точках.

Оптическая развязка против электрических изоляторов: когда оптоволокно дает больше преимуществ?

Оптоволокно — не единственный способ создать гальваническую развязку.

В промышленной электронике также используются оптопары, емкостные изоляторы, магнитные изоляторы, разделительные трансформаторы и другие технологии. Они могут обеспечивать высокоэффективную развязку, сохраняя сигнал полностью на печатной плате или в пределах электрического интерфейса.

Поэтому полезное сравнение заключается не в том, лучше ли оптоволокно, чем каждый электрический изолятор.

Более важный вопрос — где должна располагаться граница развязки.

                                    Развязка на уровне платы против развязки на уровне домена оптоволокна

Электрическая развязка на уровне платы

Рассмотрим плату контроллера, содержащую микроконтроллер и изолированный коммуникационный интерфейс.

Цифровой изолятор может разделять домен контроллера от электроники на стороне интерфейса. Внешний кабель остается электрическим, но архитектура платы предотвращает прохождение тока через локальный барьер развязки в домен контроллера.

Для многих приложений это именно правильное решение.

Электрические изоляторы могут быть компактными, быстрыми, экономичными и простыми в интеграции. Нет причин автоматически заменять их оптоволокном.

Развязка на уровне кабеля или домена

Оптоволокно становится более привлекательным, когда требуемая граница развязки выходит за пределы локальной печатной платы.

Путь передачи данных может проходить между шкафами, между различными машинами, между управляющей электроникой и высоковольтной силовой частью, или через области с неопределенным потенциалом земли и сильным коммутационным шумом.

В этих ситуациях сама среда передачи может стать частью архитектуры развязки.

Вместо того чтобы электрически изолировать интерфейс, продолжая прокладывать проводной кабель через среду, оптоволоконная линия связи может сохранять электрическое разделение на всем физическом расстоянии между конечными точками.

Инженерные соображения

Где оптическая развязка важна в реальных промышленных системах

Один и тот же электрический принцип проявляется во многих промышленных приложениях, даже если оборудование выглядит очень по-разному.

                                      Оптическая развязка в промышленных высоковольтных системах

Приводы с регулируемой частотой и сервоприводы

Приводы двигателей сочетают низковольтную управляющую электронику с сильноточными, быстро переключающимися силовыми ступенями.

Контроллер может обрабатывать команды, информацию о положении, диагностику или обратную связь, в то время как инверторная ступень переключает значительное напряжение и ток на двигатель.

Кабели двигателей и узлы коммутации могут создавать сложную электромагнитную среду. Шкафы управления, удаленное оборудование, энкодеры и системы приводов также могут находиться под немного разными потенциалами земли.

Оптическая связь может быть полезна там, где путь управления или обратной связи должен пересекать одну из этих границ, не продлевая электрическое соединение.

Это не означает, что каждый сервопривод или привод с регулируемой частотой требует оптоволокна. Короткие внутренние сигналы могут быть прекрасно обработаны с помощью электрической развязки. Оптоволокно становится более ценным, когда физическое разделение и разделение электрических доменов являются частью требования.

Архитектуры PCS и BMS для хранения энергии

Системы хранения энергии содержат несколько электрических доменов.

Схемы мониторинга батарей, коммуникационная электроника, системы управления и силовые преобразовательные ступени могут работать при очень разных потенциалах. Эти секции по-прежнему должны обмениваться информацией, предотвращая при этом свободное распространение нежелательных электрических нагрузок между ними.

Поэтому гальваническая развязка является важной частью архитектуры системы.

Оптоволокно может быть полезно там, где связь пересекает физически разделенную или особенно шумную электрическую границу. Его не следует рассматривать как обязательное для каждого соединения PCS или BMS. Соответствующий метод зависит от топологии системы, напряжения, расстояния, пропускной способности, требований безопасности и стоимости.

Системы управления затворами IGBT и SiC

Системы управления затворами особенно наглядно демонстрируют проблему развязки.

Низковольтный контроллер должен сообщать силовому транзистору, когда переключаться, в то время как транзистор может находиться на коммутируемом узле, потенциал которого быстро меняется относительно земли контроллера.

С IGBT, SiC MOSFET и другими быстрыми силовыми устройствами барьер развязки должен продолжать передавать правильный управляющий сигнал, в то время как напряжение между его электрическими доменами быстро меняется.

Именно здесь

иммунитет к синфазным переходным процессам (CMTI)становится важным. CMTI описывает способность изолированного устройства поддерживать правильное поведение сигнала во время быстрых синфазных переходных процессов напряжения.Оптический путь управления подходит к той же проблеме с другой стороны

. Часть пути передачи данных может передаваться в виде света, а не электрического сигнала, охватывающего два домена.Полная система по-прежнему требует подходящего изолированного питания, надлежащего зазора и расстояния утечки, защиты от перенапряжения, проектирования печатной платы и контроля ЭМС. Оптоволокно решает проблему пути передачи данных, а не все требования к развязке в силовой ступени.

Какую роль играет POF в промышленных линиях развязки на короткие расстояния?

Не каждая промышленная оптоволоконная линия связи требует оптоволокна для дальних расстояний.

Внутри станков, шкафов, приводов, систем автоматизации и силовых электронных устройств требуемое расстояние может составлять всего несколько метров или несколько десятков метров.

В этом диапазонепластиковое оптическое волокно (POF)может обеспечить полезное сочетание электрической развязки и практических характеристик установки.Почему POF подходит для коротких машинных линий

Обычное промышленное POF имеет относительно большое оптическое ядро по сравнению с обычным телекоммуникационным оптоволокном.

Это может сделать выравнивание и оконцовку оптоволокна менее требовательными, что полезно в машинных линиях, где практичность установки, обслуживания и работы с разъемами могут иметь большее значение, чем большая дальность передачи.

POF также гибкое и легкое.

Полная конструкция кабеля по-прежнему важна. Материал оболочки, механическое армирование, температурная стойкость, огнестойкость, прочность на растяжение, производительность при изгибе и устойчивость к повторяющимся движениям определяют, подходит ли кабель для конкретной промышленной среды.

По этой причине промышленная линия POF должна оцениваться как полная система кабеля и разъемов, а не только по материалу оптического волокна.

Типичная линия развязки POF

Короткая промышленная оптическая линия может быть представлена следующим образом:

Электроника контроллера

→ оптический передатчик
→ кабель POF
→ оптический приемник
→ электроника на изолированной стороне
                                           

 Архитектура короткой линии развязки POFЭлектроника на обоих концах по-прежнему требует локального питания.

Преимущество развязки заключается в отсутствии проводящего пути передачи данных между двумя доменами.

В зависимости от выбранного трансивера и архитектуры интерфейса, такая линия может передавать управляющие команды, информацию о состоянии, последовательные данные или другие промышленные сигналы на короткие расстояния.

Почему короткое расстояние не означает низкую ценность

Легко оценивать оптоволокно в основном по дальности передачи.

С этой точки зрения использование оптоволокна для короткого соединения может показаться ненужным, когда медь легко справится с требуемыми данными на том же расстоянии.

Но расстояние может быть не реальной инженерной проблемой.

Если эти несколько метров пересекают разные земляные домены, проходят рядом с сильноточным инвертором, соединяют управляющий шкаф с коммутируемой ступенью или создают нежелательный путь тока между частями оборудования, ценность оптической линии заключается в электрическом разделении, а не в дальности.

Таким образом, короткая оптическая линия может решить системную проблему, которая мало связана с максимальной дальностью передачи.

POF — не лучший выбор для каждой оптической линии связи

POF также имеет четкие границы.

Большая дальность, более высокая скорость передачи данных, более строгие требования к оптическим потерям, повышенная температура, воздействие окружающей среды, архитектура разъемов и запас мощности линии системы могут отдавать предпочтение другим оптическим средам, таким как кварцевое волокно с твердой оболочкой, кварцевое волокно с полимерной оболочкой или обычное стеклянное волокно.

Решение должно начинаться с требований приложения, а не с предпочтения одного типа оптоволокна.

Для короткой машинной линии развязки POF может быть очень практичным. Для длинной промышленной магистрали или очень высокоскоростного соединения другая оптическая среда может быть более подходящей.

Как определить, нужна ли промышленной линии оптическая развязка

Решение должно начинаться с электрической границы, а не с материала кабеля.

Во-первых, определите, действительно ли обе конечные точки имеют один и тот же стабильный опорный потенциал. Оборудование, питающееся от разных источников, установленное в разных шкафах или подключенное к разным точкам заземления, может не иметь.

Далее, изучите шумовую среду. Приводы двигателей, контакторы, узлы коммутации инверторов, высоковольтные кабели, преобразователи DC/DC, модули IGBT, силовые ступени SiC и индуктивные нагрузки могут увеличить нагрузку на электрическую линию связи.

Физическое расположение границы развязки одинаково важно. Если проблема существует только на границе небольшой печатной платы, цифровой изолятор или оптопара могут быть самым простым решением. Если путь передачи данных пересекает шкафы, станки, высоковольтные зоны или неопределенные земляные домены, перемещение границы развязки в саму среду передачи может дать дополнительную ценность.

Затем необходимо рассмотреть требования к связи наряду с развязкой. Скорость передачи данных, задержка, расстояние до линии, температура, движение кабеля, требования к изгибу, долговечность разъемов, метод обслуживания, бюджет оптической мощности и поведение при отказе — все это влияет на окончательную архитектуру.

Таким образом, выбор — это не просто медь против оптоволокна. Это решение между прямой электрической связью, электрически изолированной медной связью, POF, HCS/PCS или стеклянным оптоволокном, основанное на фактической электрической границе и границе связи.

Ключевой инженерный принцип: разделяйте электрические домены, когда этого требует линия связи

Промышленное оптоволокно следует понимать не только как более быструю версию меди.

Во многих системах управления его наиболее важное свойство более фундаментально:

свет может переносить информацию между местоположениями, не требуя, чтобы эти местоположения были электрически соединены через среду передачи.Это важно, когда потенциалы земли различаются. Это важно, когда нежелательный ток иначе циркулировал бы по коммуникационной проводке. Это важно, когда высоковольтное переключение создает сложные синфазные и ЭМП условия. Это также важно, когда контроллер должен обмениваться данными через физическую высоковольтную границу.

Электрические изоляторы, дифференциальные интерфейсы, экранирование, фильтрация, защита от перенапряжения и тщательное заземление остаются необходимыми инженерными инструментами. Оптоволокно не заменяет их повсеместно.

Оно предоставляет еще один архитектурный вариант: полностью устранить проводящий путь передачи сигнала.

Для систем дальнего действия или с высокой пропускной способностью это может сочетаться с привычными преимуществами оптического волокна в передаче. Однако для коротких промышленных линий главное преимущество может быть гораздо проще:

сигнал пересекает границу, а земля — нет.

Часто задаваемые вопросы

Почему в промышленных системах используется оптическая развязка?

• Оптическая развязка позволяет передавать сигналы данных или управления между электрическими доменами без необходимости проводящего пути связи между ними. Это может помочь прервать пути земляных петель, уменьшить влияние разницы потенциалов земли и предотвратить превращение коммуникационного кабеля в еще одно электрическое соединение между шумными или высоковольтными участками.

Как оптоволоконная связь устраняет земляные петли?

• Земляная петля требует проводящего замкнутого пути, по которому может циркулировать ток. Когда две конечные точки соединены через соответствующую границу только непроводящим оптоволокном, оптоволокно не обеспечивает электрический обратный путь для этого тока.

Является ли оптоволоконная связь невосприимчивой к ЭМП?

• Оптическая среда передачи не взаимодействует с электромагнитными помехами так же, как электрический проводник, поскольку информация передается в виде света, а не электрического тока или напряжения. Передатчик, приемник, локальные источники питания и окружающая электроника по-прежнему требуют надлежащего проектирования ЭМС.

Когда следует использовать оптоволокно вместо цифрового изолятора или оптопары?

• Цифровые изоляторы и оптопары часто хорошо подходят для развязки на уровне печатной платы или интерфейса. Оптоволокно становится особенно полезным, когда требуемое электрическое разделение должно физически распространяться между шкафами, станками, высоковольтными зонами или оборудованием с неопределенной разницей потенциалов земли.

Почему POF используется для промышленной связи на короткие расстояния?

• POF сочетает непроводящий оптический путь с относительно большим ядром, гибкостью и практичностью в обращении. Эти характеристики могут подходить для коротких машинных, шкафных и внутриоборудования линий, где электрическая развязка и практичность установки важнее, чем очень большая дальность передачи.

Можно ли использовать оптоволокно в управляющих цепях затворов IGBT или SiC?

• Да. Оптическая линия может составлять часть управляющего пути между низковольтной управляющей электроникой и высоковольтным коммутируемым доменом. Полная система по-прежнему требует соответствующего изолированного питания, защиты от перенапряжения, зазора и расстояния утечки, производительности по времени и проектирования ЭМС.