Почему сервосистемы используют пластиковые оптические волокна для связи?

Сервоприводы сочетают прецизионное управление с электрически требовательной средой. Контроллер движения может обмениваться чувствительными ко времени командами с сервоприводами по короткому каналу машинного уровня, в то время как кабель проложен близко к кабелям двигателя, силовым каскадам инвертора и заземленным конструкциям машины.

Это создает совершенно иную проблему связи, чем обычные офисные сети.

Для многих сервоприменений основная задача заключается не в передаче данных на километры. Это поддержание надежных управляющих сигналов в среде, подверженной электромагнитным помехам, быстрым переходным процессам переключения, синфазным шумам и разнице электрических потенциалов.

Именно здесь оптическая связь становится ценной.Когда требуемое расстояние относительно невелико, а интерфейс для этого разработан,пластиковое оптическое волокно (POF)может обеспечить практичную оптическую среду.

Что делает сервосвязь электрически сложной?

Сервосистема обычно сочетает две очень разные электрические функции.

Сторона управления обрабатывает команды положения, ссылки скорости, синхронизацию, обратную связь, диагностику и связь. Сторона питания подает быстро меняющееся напряжение и ток на серводвигатель.

Эти функции часто работают близко друг к другу.

Типичная установка сервопривода размещает контроллеры движения, сервоприводы, силовые кабели двигателя и каналы связи в одном и том же шкафу или среде машины.

Эта близость имеет значение, поскольку сервоприводы являются системами силовой электроники. Их электромагнитная среда достаточно значительна, чтобы регулируемые по скорости системы привода были специально охваченыIEC 61800-3, стандартом ЭМС, регулирующим требования к излучению и помехоустойчивости для систем привода.

Силовая электроника и кабели двигателя создают шумную среду

Сервопривод не регулирует скорость или крутящий момент двигателя, подавая идеально гладкое аналоговое напряжение.

Его инверторный каскад быстро переключает полупроводниковые устройства для создания форм напряжения и тока, требуемых двигателем. В этом процессе обычно используется широтно-импульсная модуляция, или ШИМ.

Эти переходные процессы переключения создают быстрые изменения напряжения и тока.

С точки зрения ЭМС, беспокойство вызывает не только номинальная частота переключения. Быстрые края переключения содержат высокочастотную энергию, которая может проникать в близлежащие цепи несколькими механизмами.

Емкостная связь может возникать между силовыми проводниками и близлежащими сигнальными цепями. Индуктивная связь может возникать из-за быстро меняющегося тока. Паразитные емкости между инвертором, кабелем двигателя, обмотками двигателя, рамой машины и защитным заземлением также могут обеспечивать пути для высокочастотных синфазных токов.

Кабель двигателя становится частью этой электрической среды, поскольку он передает выходной сигнал инвертора через машину, потенциально близко к коммуникационным и управляющим проводам.

                              Как сервоприводы создают среду связи с высоким уровнем ЭМИ

Хорошее разделение кабелей, экранирование, соединение, заземление и конструкция шкафа могут уменьшить эти эффекты, но они не меняют основного факта, что сервосвязь часто работает рядом с сильным источником электрического шума.

Потенциал земли и синфазные проблемы могут влиять на сигнальные линии

ЭМИ — это только часть проблемы.

Контроллер и сервопривод могут быть установлены в разных положениях внутри шкафа или машины. Их электрические ссылки могут зависеть от импеданса проводника, высокочастотных токов утечки, токов переключения, топологии заземления и физической компоновки.

В результате два места, подключенные к одной и той же системе заземления, не обязательно остаются при точно таком же мгновенном электрическом потенциале при всех условиях эксплуатации.

Для проводной линии связи это имеет значение.

Если два устройства электрически соединены через сигнальный кабель, различия в электрическом потенциале могут способствовать нежелательным путям тока или синфазному напряжению. Коммуникационный интерфейс должен допускать эти условия, при этом правильно обнаруживая предполагаемый сигнал данных.

Дифференциальная сигнализация, экранирование, изоляционные компоненты и тщательное заземление могут сделать медную связь очень надежной. Другой подход — полностью отказаться от проводного пути связи.

Это одна из основных причин, по которой оптические линии связи полезны в электрически сложных сервосредах.

Почему оптическое волокно хорошо работает между контроллерами и сервоприводами?

Оптическое волокно обеспечивает непроводящий путь связи между устройствами сервосистемы. Поскольку само волокно не передает электрический ток между конечными точками, оно может предотвратить превращение коммуникационного кабеля в путь для токов земли или электрически связанных помех, что ценно вокруг инверторов, двигателей и силовых кабелей.

Оптический передатчик преобразует электрический сигнал данных в свет. Волокно передает этот свет к приемному устройству, где он снова преобразуется в электрический сигнал.

Таким образом, между двумя оптическими портами нет металлического сигнального проводника.

Волокно не передает путь электрического шума

Диэлектрическое оптическое волокно не ведет себя как металлический коммуникационный проводник.

Внешние электрические или магнитные поля не индуцируют коммуникационные токи в самом волокне, и волокно не может обеспечить проводящий путь для постоянного тока земли между подключенными устройствами.

Это меняет взаимосвязь между коммуникационным каналом и окружающей силовой средой.

Рассмотрим коммуникационный кабель, проложенный рядом с выходной проводкой сервоинвертора. При электрическом соединении интерфейс должен управлять электромагнитной энергией, проникающей в проводники, сохраняя при этом целостность сигнала.

При оптическом соединении информация передается через волокно в виде света, а не электрического тока.

Это не означает, что вся сервосистема становится невосприимчивой к ЭМИ. Передатчик, приемник, электроника контроллера, электроника привода, источники питания, компоновка печатной платы, заземление и общая конструкция оборудования по-прежнему требуют надлежащего проектирования ЭМС.

Преимущество более специфично: сам волоконно-оптический кабель не создает пути электрической связи между двумя коммуникационными конечными точками.

Электрическая изоляция разделяет две коммуникационные конечные точки

Это также объясняет взаимосвязь между оптической связью и электрической изоляцией.

При проводной среде передачи данных два конца линии электрически связаны, если в интерфейсе не предусмотрена соответствующая изоляция.

Оптический путь меняет эту взаимосвязь.

Передатчик может работать в одной электрической области, а приемник — в другой, в то время как информация пересекает границу в виде света. Таким образом, среда передачи данных не обеспечивает проводящий путь для тока контура заземления.

                                    Медный путь связи против оптической изоляции

Это может быть особенно ценно, когда контроллеры и приводы испытывают разные синфазные условия.

Однако различие между волокном и всей системой важно.

Диэлектрическое волокно устраняет проводной сигнальный путь, но изоляционная способность всего интерфейса по-прежнему зависит от передатчика, приемника, конструкции печатной платы, изоляционной структуры, разъемов и архитектуры оборудования.

Поэтому волокно следует рассматривать как среду передачи данных, обеспечивающую изоляцию, а не как замену надлежащего проектирования электрических систем на уровне системы.

Почему серволинии не всегда нуждаются в экстремальном расстоянии или пропускной способности

Оптоволокно часто ассоциируется с телекоммуникациями, центрами обработки данных и сетями дальнего действия. Это может создать впечатление, что волокно полезно только тогда, когда система требует экстремальной пропускной способности или очень большого расстояния передачи.

Сервосвязь имеет другой набор приоритетов.

Система управления движением может требовать быстрой циклической связи, синхронизации между осями, предсказуемого времени, стабильной доставки команд и надежной работы в электрически шумной среде.

Эти требования могут быть сложными, не требуя передачи на большие расстояния.

Многие серволинии остаются в пределах машины, производственной ячейки или локальной системы управления. В таких приложениях расширение возможностей передачи далеко за пределы требуемого машинного канала может дать небольшую дополнительную инженерную ценность.

То же рассуждение применимо и к пропускной способности.

Сервосвязь должна обеспечивать достаточную емкость для выбранной архитектуры управления, но максимальная необработанная пропускная способность не является автоматически основным критерием выбора. Как только требуемый коммуникационный цикл, синхронизация, производительность протокола и реакция системы удовлетворены, другие факторы могут стать более важными.

В этом контексте оптическая связь может поддерживать синхронизированное управление, сохраняя при этом среду связи электрически отделенной от окружающей силовой среды.

Таким образом, инженерный вопрос заключается не просто в том, какая среда имеет максимально возможную пропускную способность.

Это какая среда надежно удовлетворяет требованиям сервосистемы по времени, расстоянию, помехоустойчивости, изоляции, механическим характеристикам и совместимости.

Почему пластиковое оптическое волокно подходит для многих коротких серволиний

После выбора оптической линии связи возникает другой вопрос: почему использовать пластиковое оптическое волокно вместо обычного стеклянного волокна?

Ответ зависит от требований приложения.

POF не предназначен для замены всех форм стеклянного оптического волокна. Его преимущества становятся наиболее актуальными, когда промышленная система нуждается в относительно коротком оптическом соединении, простом соединении, практической сборке и надежной передаче без требований к расстоянию телекоммуникационной сети.

Большое ядро делает оптическое соединение менее требовательным

Многие промышленные POF с индексами ступени используют ядро диаметром около 1 мм.

Это большое оптическое ядро может снизить чувствительность к соединению и поддерживать механически более простые промышленные оптические интерфейсы.

                                        Почему POF с большим ядром упрощает оптическое соединение

Это имеет практические последствия.

Когда оптическая цель относительно велика, передатчик, разъем и приемник не требуют такой же степени точности выравнивания, как для гораздо меньших оптических геометрий.

Для промышленного оборудования это может быть важнее, чем достижение наименьшего возможного затухания на очень больших расстояниях.

Сервомашине может потребоваться надежное оптическое соединение, которое может быть собрано и обслуживаться последовательно. Если требуемое расстояние связи невелико, практические преимущества соединения с большим ядром могут быть более актуальными, чем возможность передачи на большие расстояния.

Простое оконцевание может быть ценным в промышленном оборудовании

Большая геометрия волокна также позволяет использовать относительно простые системы разъемов.

В зависимости от семейства компонентов, промышленный POF может использовать методы оконцевания с защелкой, без обжима, с механической блокировкой или без разъемов.

                                                   Простое оконцевание промышленного POF

Некоторые системы позволяют обрезать волокно до нужной длины и механически устанавливать его непосредственно в оптический компонент. Другие используют разъем с относительно простым процессом резки и отделки.

Это может сделать POF полезным в оборудовании, где требуется оптическая изоляция, но сложное оконцевание волокна добавит ненужных усилий при установке.

Не каждый разъем POF использует один и тот же метод оконцевания.

Некоторые системы по-прежнему требуют контролируемой резки, подготовки торцевой поверхности или полировки. Поэтому установка должна соответствовать требованиям фактического разъема и трансивера.

Преимущество не в том, что POF никогда не требует подготовки волокна.

В том, что POF с большим ядром может поддерживать сравнительно простые промышленные архитектуры разъемов.

Короткая дальность может быть преимуществом, а не ограничением

Пластиковое оптическое волокно обычно имеет более высокое затухание, чем кварцевое телекоммуникационное волокно.

Для связи на большие расстояния это важное ограничение.

Однако внутри компактной машины требуемое расстояние передачи может быть достаточно малым, чтобы сверхнизкое затухание давало небольшую дополнительную системную ценность.

Если линия связи контроллер-привод должна работать только в пределах расстояния, поддерживаемого сервосистемой, актуальным вопросом является то, поддерживает ли полный бюджет оптической мощности эту линию с достаточным запасом.

Таким образом, система POF, разработанная для этого диапазона, может быть подходящей, даже если другая волоконная технология могла бы передавать гораздо дальше.

Среда передачи данных должна оцениваться по требуемой линии связи, а не по максимальной производительности, доступной от другой технологии.

Для коротких промышленных линий POF может обменять возможность передачи на большие расстояния на более простое оптическое соединение и установку.

POF — не подходящее волокно для каждой сервосистемы

Использование оптической связи в сервосистемах не означает, что каждая сервосистема должна использовать POF.

Современные системы управления движением используют различные архитектуры связи. В зависимости от конструкции оборудования, сеть контроллер-привод может использовать медную связь, пластиковое оптическое волокно, кварцевое оптическое волокно или другой физический уровень.

Более длинные оптические линии могут предпочитать кварцевое волокно из-за его более низкого затухания.

Температура также может влиять на выбор. Допустимый рабочий диапазон зависит от волокна, оболочки, разъема и полной конструкции кабеля, поэтому указанная сервосреда должна быть проверена на соответствие рейтингу кабеля.

Механические требования также имеют значение.

Кабель, установленный стационарно внутри шкафа, подвергается другим нагрузкам, чем кабель, проложенный через постоянно движущуюся секцию машины.

Самое главное, сам сервоинтерфейс определяет совместимость.

Оптический порт, разработанный для определенного типа волокна, геометрии разъема или оптической линии, не может быть преобразован в другую волоконную систему только потому, что альтернативное волокно имеет привлекательные общие характеристики.

Для сервоприменений совместимость системы имеет приоритет перед общими характеристиками волокна.

Как выбрать сервоволоконный кабель

Выбор запасного или заказного сервоволоконного кабеля должен начинаться с коммуникационного интерфейса, а не с цвета оболочки, диаметра волокна или внешнего вида разъема.

                                              Факторы выбора сервоволоконного кабеля

Два оптических кабеля могут выглядеть одинаково, но быть непригодными для одной и той же сервосистемы.

Начните с сервоинтерфейса, а не с диаметра волокна

Сначала определите точный интерфейс контроллера и сервопривода.

Проверьте:

• требуемый тип оптического волокна;

• архитектуру передатчика и приемника;

• семейство разъемов;

• количество волокон;

• допустимую конструкцию кабеля;

• максимальную поддерживаемую длину линии;

• и любые специфические для системы требования к совместимости.

Если производитель оборудования указывает определенную оптическую среду или архитектуру кабеля, это требование должно иметь приоритет над общими предположениями о POF.

Физическое соответствие само по себе не гарантирует оптическую совместимость.

Проверьте длину, оптический бюджет и совместимость разъемов

Каждая оптическая линия имеет конечный бюджет мощности.

Передатчик запускает оптическую мощность в волокно. Потери вносятся волокном, разъемами, соединениями, температурными эффектами, загрязнением и другими частями линии. Приемник все еще должен получать достаточно оптической мощности для надежного восстановления передаваемых данных.

Поэтому длина кабеля не может выбираться независимо от оптической системы.

Спецификация сервоволоконного кабеля должна учитывать как физическую длину, так и оптические ограничения контроллера и интерфейса привода.

Совместимость разъемов так же важна.

Волокно должно быть правильно расположено относительно передатчика и приемника. Тип волокна, геометрия разъема и состояние торцевой поверхности могут влиять на оптическое соединение и потери в линии.

Для запасных кабелей соответствие оригинальной оптической архитектуре, как правило, безопаснее, чем выбор кабеля только потому, что разъем выглядит похоже.

Механические и экологические условия имеют такое же значение

Электрическая изоляция решает только часть задачи.

Сервоволоконные кабели по-прежнему являются механическими компонентами, устанавливаемыми внутри реальных машин.

Важные условия выбора включают:

Маршрутизация также заслуживает внимания.

Волоконный кабель может избегать электрических помех способами, которые не может проводной сигнальный кабель, но он все равно может выйти из строя, если он резко изогнут, раздавлен, чрезмерно натянут, подвергнут воздействию неподходящей среды или поврежден повторяющимся движением.

По этой причине радиус изгиба, растягивающая нагрузка, рабочая среда и пределы обработки должны рассматриваться как часть спецификации коммуникационного канала, а не как второстепенные детали установки.

Электрические проблемы сервосистемы и роль оптической линии

Взаимосвязь можно обобщить напрямую:

Надлежащее заземление, экранирование, компоновка шкафа, установка кабеля двигателя и проектирование силовой системы остаются важными.

Его ценность в том, что сам коммуникационный кабель перестает быть одним из электрических путей, которыми необходимо управлять.

Настоящая причина появления POF в сервосистемах

Пластиковое оптическое волокно не следует рассматривать просто как набор характеристик, таких как большое ядро, простое соединение или передача на короткие расстояния.

Эти характеристики имеют значение только тогда, когда они решают проблему приложения.

В сервосистеме рассуждения часто начинаются с силовой электроники.

Привод переключает значительное напряжение и ток. Двигатель и его кабели работают в этой коммутационной среде. Контроллеры и приводы также могут испытывать синфазные помехи и различия в электрическом потенциале.

Надежная связь должна сосуществовать с этими условиями.

Оптическая линия устраняет металлический сигнальный путь между коммуникационными конечными точками. Когда требуемая линия относительно коротка, система не обязательно выигрывает от возможности передачи на большие расстояния волокна телекоммуникационного класса.

В этой ситуации большое ядро и сравнительно простые методы соединения, доступные в промышленном POF, могут стать полезными инженерными преимуществами.

Вот почему POF имеет смысл в некоторых сервосистемах:

не потому, что сервоприменения универсально требуют пластикового волокна, а потому, что некоторым серволиниям связи требуется электрическая изоляция и помехоустойчивость больше, чем экстремальное расстояние передачи.Часто задаваемые вопросы

Почему сервоприводы используют оптоволоконную связь?

Оптоволоконная связь может обеспечить непроводящий канал между контроллером и сервоприводом. Это помогает предотвратить передачу токов контура заземления или электрически связанных помех по коммуникационному кабелю в средах с коммутацией инвертора, двигателями и силовыми кабелями.

Устраняет ли оптоволокно проблемы ЭМИ в сервосистеме?

Нет. Волокно устраняет важный путь электрического сопряжения, но электроника привода, контроллер, трансиверы, источники питания, заземление, компоновка печатной платы и окружающее оборудование по-прежнему требуют надлежащего проектирования ЭМС. Волокно улучшает электрическое поведение среды передачи данных; оно не делает всю машину невосприимчивой к ЭМИ.

Почему использовать пластиковое оптическое волокно вместо стеклянного волокна в сервосистеме?

POF может быть привлекательным, когда требуемая линия относительно коротка, а оборудование разработано вокруг оптического интерфейса с большим ядром. Его большое ядро может упростить оптическое соединение и поддерживать сравнительно простые системы разъемов. Стеклянное волокно может быть более подходящим, когда доминируют более длинные расстояния, более низкое затухание или другие системные требования.

Достаточно ли быстро POF для сервосвязи?

Это зависит от сервосети и оптических компонентов. Сервосистемы требуют достаточной скорости передачи данных и предсказуемого времени для своей архитектуры управления. Поэтому POF следует выбирать в соответствии с указанным интерфейсом контроллера и привода, а не сравнивать только с максимальной пропускной способностью, доступной от других волоконных технологий.

Какова максимальная длина сервооптоволоконного кабеля?

Универсальной максимальной длины нет. Допустимое расстояние зависит от сервосистемы, передатчика и приемника, типа волокна, потерь в разъемах, затухания, температуры и бюджета оптической мощности. Максимальная длина линии, указанная для фактического оборудования, должна рассматриваться как основной предел.

Что следует проверить при замене сервоволоконного кабеля?

Начните с точного интерфейса контроллера и сервопривода. Подтвердите требуемый тип волокна, разъем, количество волокон, допустимую длину и требования к совместимости. Затем проверьте механические условия, такие как радиус изгиба, гибкость, растягивающая нагрузка, температура, воздействие химикатов, требования к оболочке и чистота разъема перед выбором запасного кабеля.