استفاده از کابل کشی فیبر نوری در کاربردهای اتوماسیون صنعتی می تواند شبکه بسیار قابل اعتمادی را فراهم کند که از کار نمی افتد و اجازه می دهد درآمدزایی و ایمنی کارگران حفظ شود.
اتوماسیون صنعتی چیست؟
اتوماسیون صنعتی به استفاده از تکنولوژی ها و سیستم های خودکار در فرآیندهای صنعتی اشاره دارد. این فناوری ها شامل ربات ها، سیستم های کنترل خودکار، سنسورها و نرم افزارهای پیشرفته است که به منظور افزایش بهره وری، کاهش هزینه ها و بهبود کیفیت و ایمنی فرآیندهای صنعتی استفاده می شوند. با استفاده از اتوماسیون صنعتی، فرآیندهای تکراری و خسته کننده به صورت خودکار انجام می شوند و امکاناتی مانند کنترل کیفیت، مانیتورینگ و بهینه سازی فرآیندها نیز فراهم می شوند.
بهره گیری از فیبر نوری در اتوماسیون صنعتی
برای اتوماسیون صنعتی، یک چالش کلیدی، مدیریت داده های تولید شده از تمام اجزا است. یک زیرساخت مقیاس پذیر و سازگار، کلید پیوند، پردازش و تجزیه و تحلیل این داده های عظیم در زمان واقعی است. این زیرساخت ها با استفاده از فناوری فیبر نوری به بهترین وجه طراحی می شوند. آنها داده ها را از طریق پالس های نور مبادله می کنند که به آنها اجازه می دهد بسیار سریع باشند. آنها نویز الکترومغناطیسی را مانند سایر سیستم ها تولید نمی کنند. علاوه بر این، از آنجایی که کابل های فیبر نوری سبک و انعطاف پذیر هستند، نسبت به شبکه های کابلی سنتی، مساحت کمتری را اشغال می کنند.
سیستم های اتوماسیون صنعتی به طور قابل توجهی استانداردهای سخت تری نسبت به شبکه های تجاری دارند. آنها به شبکه هایی نیاز دارند که بتوانند محیط های شدیدی مانند تداخل الکترومغناطیسی، شرایط آب و هوایی شدید و نوسانات دما را تحمل کنند و در برخی شرایط باید در موقعیت های خطرناک قرار گیرند. در چنین مواردی، هادی های مسی سنتی را نمی توان با اطمینان استفاده کرد، اگرچه اتصالات فیبر نوری ممکن است. کابل کشی فیبر نوری به طور گسترده در برنامه های اتوماسیون صنعتی برای ارائه تجهیزات شبکه بسیار قابل اعتمادی که از کار نمی افتند استفاده می شود و اجازه می دهد درآمدزایی و ایمنی کارگران حفظ شود. این شبکه های مبتنی بر فیبر نوری اکنون به توسعه و اجرای طیف گسترده ای از فناوری های هوشمند در صنعت، از جمله روبات های متحرک و خودروهای خودران کمک می کنند. در دهه گذشته، استفاده از انتقال داده فیبر نوری برای اتوماسیون صنعتی و کنترل فرآیند محبوبیت زیادی پیدا کرده است. در این مقاله به تمام مزایایی که فیبر نوری می تواند برای اتوماسیون صنعتی به ارمغان بیاورد، می پردازیم.
فیبر نوری چیست؟
فیبر نوری، یک نوع فناوری هست که داده ها را به صورت پالس های نور از طریق فیبر شیشه ای یا پلاستیکی منتقل می کند. فیبر نوری یک وسیله انتقال است - یک "لوله" که می تواند سیگنال ها را در فواصل وسیع با سرعت های سریع منتقل کند. در فیبر نوری، سیگنال های نوری با داده ها در منبع فرستنده کدگذاری می شوند - همان داده هایی که روی صفحه کامپیوتر می بینید. در نتیجه، فیبر نوری "داده" را به عنوان نور به انتهای گیرنده می فرستد، جایی که سیگنال نور به عنوان داده پردازش می شود. سیگنال های نوری به دلیل متراکم تر بودن لایه های شیشه ای با سرعت نور حرکت نمی کنند. اما با سرعتی که تقریباً 30 درصد کمتر از سرعت نور است. گاهی اوقات، انتقال فیبر نوری ممکن است نیاز به استفاده از تکرار کننده ها در فواصل زمانی معین داشته باشد تا سیگنال را در طول سفر تازه یا تقویت کند. سیگنال نوری توسط این تکرار کننده ها با تبدیل آن به سیگنال الکتریکی، پردازش آن سیگنال الکتریکی و ارسال مجدد سیگنال نوری بازسازی می شود.
یک کابل فیبر نوری از پنج جزء تشکیل شده است:
- هسته: "هسته" از فیبرهای نوری تشکیل شده است که رشته های بسیار نازکی از شیشه یا پلاستیک هستند.
- روکش فلزی: "پوشش" یک پوسته عایق است که "هسته" را احاطه کرده و ضریب شکست کاهش یافته ای را فراهم می کند تا فیبر نوری کار کند.
- پوشش: "پوشش" یک پوشش محافظ فیبر نوری است.
- تقویت: "استحکام بخش" یا تقویت کننده، هسته را در هنگام نصب از فشارهای خرد کننده و استرس بیش از حد محافظت می کند.
- ژاکت بیرونی: ژاکت بیرونی همانطور که از نامش مشخص است برای محافظت از کابل در برابر تهدیدات محیطی در نظر گرفته شده است.
نور در امتداد یک کابل فیبر نوری با جهش مکرر از دیوارها حرکت می کند. هر فوتون کوچک (ذره نور) به پایین لوله می پرد. ممکن است پیش بینی کنید که یک پرتو نور از یک لوله شیشه ای شفاف عبور می کند تا به سادگی از گوشه ها نشت کند. با این حال، اگر نور با زاویه بسیار کم (زیر 42 درجه) به شیشه برخورد کند، به داخل منعکس می شود، گویی شیشه یک آینه است. این به عنوان بازتاب داخلی کل شناخته می شود. یکی از اجزایی است که نور را درون لوله حفظ می کند.
فیبر تک حالته
به دلیل قطر کوچک هسته فیبر شیشه ای، فیبر تک حالته برای مسافت های طولانی تر استفاده می شود. این قطر کوچک پتانسیل تضعیف یا کاهش شدت سیگنال را کاهش می دهد. سوراخ کوچکتر نور را در یک پرتو متمرکز می کند و مسیر مستقیم تری را فراهم می کند و به سیگنال اجازه می دهد جلوتر برود. فیبر تک حالته پهنای باند بسیار بالاتری نسبت به فیبر چند حالته ارائه می دهد. لیزر اغلب به عنوان منبع نور برای فیبر تک حالته استفاده می شود. فیبر تک حالته معمولاً به دلیل محاسبات دقیق مورد نیاز برای ایجاد نور لیزر در یک سوراخ کوچکتر هزینه بیشتری دارد.
فیبر چند حالته
از آنجایی که دهانه هسته بزرگتر به سیگنال های نور اجازه می دهد تا در طول مسیر بسیار منعکس شوند، فیبر چند حالته برای مسافت های کوتاه تر استفاده می شود. به دلیل قطر بزرگتر، ممکن است چندین پالس نور به طور همزمان از طریق کابل ارسال شود که منجر به افزایش انتقال داده می شود. با این حال، این پتانسیل از دست دادن سیگنال، تضعیف یا تداخل را افزایش می دهد. پالس نور در فیبر نوری چند حالته معمولاً توسط یک LED (دیود ساطع کننده نور) تولید می شود.
مزایای فیبر نوری
پهنای باند بیشتر و ارتباطات داده با سرعت بالا: فیبر نوری پهنای باند بیشتر و نرخ های ارتباطی سریعتر را فراهم می کند. در کاربردهای صنعتی، یک فیبر نوری می تواند تا 10 گیگابیت در ثانیه (Gbps) را حمل کند. در مقایسه با پهنای باند فیبر نوری، پهنای باند کابل های مسی از نظر سرعت و فرکانس محدودتر است. محدوده فرکانسی که داده ها را می توان از طریق آن با فیبر نوری مخابره کرد هزاران بار بیشتر از محدوده فرکانس کابل مسی است. به همین دلیل است که فیبر نوری به فیبر اجازه می دهد اطلاعات بسیار بیشتری را در هر ثانیه حمل کند. علاوه بر این، کابل مسی داده ها را آهسته تر انتقال می دهد، زیرا از سیگنال های الکتریکی استفاده می کند که نمی توانند به سرعت سیگنال های مبتنی بر نور در فیبر نوری حرکت کنند. هنگام طراحی یک سیستم اتوماسیون صنعتی بر اساس فیبر نوری، پهنای باند فیبر یک نکته مهم است. زیرا پهنای باند یک کانال، محدوده فرکانس ها و نرخ های داده ای را که می توان از طریق آن منتقل کرد، توصیف می کند.
- اندازه کوچک: رشته های فیبر نوری فوق العاده نازک هستند. آنها در میکرومتر یا میلیونیم متر اندازه گیری می شوند. پرکاربردترین رشته فیبر نوری به ضخامت موی انسان است. با این حال، همانطور که در بالا توضیح داده شد، می تواند حجم عظیمی از داده ها را با سرعت های بسیار سریع تر و در فواصل بسیار طولانی تر از نسخه مسی کمتر نازک خود حمل کند. کابل های فیبر نوری همچنان به روکش محافظ نیاز دارند و حداقل دو میلی متر به عرض آنها اضافه می شود. با این حال، یک کابل مسی رده 6 معمولی هنوز حدود چهار برابر پهن تر است و تنها می تواند کسری از داده ها را حمل کند. با استفاده از فیبر نوری در اتوماسیون صنعتی می توانید فضای زیادی را ذخیره کنید. فضای آزاد شده می تواند باعث گردش بهتر هوای خنک در مرکز داده شود.
- وزن سبک: کابل های فیبر نوری بسیار سبک تر از کابل های برق هستند. کابل های فیبر نوری نازک تر هستند و از شیشه یا پلاستیک تشکیل شده اند. به همین دلیل سبک تر و راحت تر نصب می شوند.
- جداسازی الکتریکی: فیبر نوری ایزوله الکتریکی را ارائه می دهد و از پرسنل و همچنین تجهیزات متصل در برابر صاعقه، سیل و نقص الکتریکی محافظت می کند. به عنوان مثال، در مورد خطای زمین یا جریان های زیاد، اختلاف پتانسیل الکتریکی القایی بین مکان های مختلف القا می شود. این تفاوت پتانسیل برای تجهیزات و همچنین پرسنل خطرناک است. با این حال، استفاده از فیبر نوری به جای کابل های الکتریکی، ایزوله الکتریکی لازم را فراهم می کند که می تواند خطرات برای انسان و تجهیزات را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
- مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی: سیگنال الکتریکی در یک کابل مسی میدان تداخلی در اطراف آن ایجاد می کند. هنگامی که چندین کابل به یکدیگر نزدیک تر هستند، این تداخل می تواند به کابل های اطراف نفوذ کند و پیام مورد نظر را تحت تأثیر قرار دهد. با این حال، از آنجایی که فیبر نوری از نظر الکتریکی نارسانا است، کاملاً از تداخل الکترومغناطیسی مصون است. به همین دلیل است که انتقال فیبر نوری تقریباً بدون نویز است. که شبکه های بسیار قابل اعتماد را در محیط های صنعتی پر ازدحام الکترومغناطیسی فعال می کند. در استقرار کابل واقعی، مواجهه با تنظیماتی مانند پست های برق، گرمایش، تهویه و سایر منابع تداخل صنعتی اجتناب ناپذیر است. با این حال، از آنجایی که فیبر در برابر تداخل الکترومغناطیسی بسیار مقاوم است، نرخ خطای بیت بسیار پایینی دارد.
- امنیت مطلوب: فیبر نوری ذاتا امن است. از آنجایی که فیبر نوری توان الکتریکی را انتقال نمی دهد، سیگنال هایی از خود ساطع نمی کند و بنابراین نمی توان به آن ضربه زد. در انتقال فیبر نوری، داده ها یا سیگنال ها از طریق نور منتقل می شوند. در نتیجه، هیچ راهی برای کشف داده هایی که از طریق «گوش دادن» به انرژی الکترومغناطیسی «نشت شده» از طریق سیم که امنیت کامل اطلاعات در فیبر نوری را تضمین می کند، کشف کرد. علاوه بر این، سیگنال های فیبر نوری نیز در برابر هک مقاوم هستند و تشخیص داخلی ممکن است مزاحمان را شناسایی کند. به همین دلیل است که بسیاری از صنایع به دلیل نگرانی های امنیتی از فیبر نوری استفاده می کنند.
- تلفات انتقال کم و فواصل بیشتر: تلفات انتقال تعیین می کند که سیگنال در کابل تا چه حد ممکن است پیش برود قبل از اینکه توان نوری برای تشخیص کافی نباشد. فیبر نوری تلفات انتقال بسیار کمتری نسبت به مس دارد. اگر چه سیگنالینگ مبتنی بر مس و فیبر هر دو در معرض تضعیف یا تضعیف سیگنال در طول مسافت قرار دارند. کابل های فیبر نوری هنوز هم می توانند داده ها را در فواصل بسیار دورتر حمل کنند. طول کابل مسی بر اساس الزامات تنظیمی به 100 متر (330 فوت) محدود می شود. طول های طولانی تر از نظر تئوری قابل تصور هستند، اما ممکن است مشکلات بیشتری ایجاد کنند و مس را از تبدیل شدن یک فناوری انتقال قابل دوام در فواصل طولانی تر منع کنند. بسته به نوع سیگنال و کابل، فیبر نوری ممکن است اطلاعات را برای بیش از 24 مایل انتقال دهد.
- ثبات در محیط های سخت: کابل های فیبر نوری می توانند محیط های خشن مانند دمای ۲۰- تا ۱۰۵+ درجه سانتی گراد (۴- تا ۲۲۱+ فارنهایت)، لرزش های زیاد، قرار گرفتن در معرض روغن های صنعتی معمولی و مواد شیمیایی و سر و صدا را تحمل کنند.
- قابلیت اطمینان سیستم: فیبر نوری نسبت به سیم مسی به طور قابل ملاحظه ای در برابر تأثیرات محیطی مقاوم تر است. به عنوان مثال، اگرچه مس در فاصله دو کیلومتری به طور قابل توجهی تجزیه می شود، فیبر نوری ممکن است انتقال داده بسیار قابل اعتماد را در همان فاصله ارائه دهد. علاوه بر این، همانطور که در بالا ذکر شد، فیبر در برابر شرایط مختلف محیطی مانند دما و نوسانات الکترومغناطیسی مقاوم است. به همین دلیل می توان آن را با اطمینان در کنار تجهیزات صنعتی نصب کرد. 10. مصرف برق بسیار کم: شبکه های مبتنی بر فیبر نوری در مصرف انرژی کارآمدتر هستند. زیرا آنها نسبت به شبکه های مسی انرژی کمتری مصرف می کنند.
- عمر طولانی تر: کابل های فیبر نوری به گونه ای ساخته شده اند که سال ها، اگر نگوییم دهه ها، در صورت نصب و نگهداری مناسب، زنده بمانند. در صورتی که در حین نصب و پس از آن مراقبت های لازم صورت گیرد، امید به زندگی می تواند بسیار افزایش یابد. طول عمر محاسبه شده فیبر نوری حدود 30 تا 50 سال است.
- انعطاف پذیری: فیبر نوری نیز به دلیل قطر کم و استحکام قابل توجهی انعطاف پذیر است. فیبر ممکن است به دلیل خم شدن های محکم آسیب ببیند، اما اجزای نرم فایبرگلاس در اطراف فیبر و ژاکت نرم از آن محافظت می کند و از شکستن آن جلوگیری می کند.
- سهولت نگهداری: نگهداری سیستم های فیبر نوری ساده است و نیازی به منابع اضافی ندارد. جدای از آن، ممکن است سیستم را از طریق افزایش و طراحی مجدد ارتقا دهید. راه اندازی و پشتیبانی نیازی به استعداد یا تجهیزات قابل توجهی ندارد.
- دامنه گسترده تر گسترش سیستم: از آنجایی که فیبر نوری مقیاس پذیرتر است، به راحتی می تواند تنظیمات، گسترش و ارتقاء را انجام دهد. طول موج ممکن است در صورت لزوم روشن یا خاموش شود. این امکان ارائه خدمات انعطاف پذیر و مقیاس بندی سریع را برای یک شرکت در حال رشد فراهم می کند. علاوه بر این، فیبرهای نوری به طور قابل ملاحظه ای کوچک تر و سبک تر از کابل های مسی هستند. این الیاف را می توان به طور معمول با پیش بینی نیازهای رشد آینده 15 تا 20 ساله نصب کرد. علاوه بر این، همچنین اجازه می دهد تا فیبرهای نوری بیشتری برای گسترش شبکه اضافه شود.
- تنوع انتقال سیگنال: فیبر نوری می تواند طیف گسترده ای از سیگنال های دیجیتال و آنالوگ مانند اطلاعات بسته شدن تماس را انتقال دهد. در نتیجه، فیبر نوری از مبدل های باکیفیت استفاده می کند که سیگنال های الکتریکی را به و از جریان داده های نوری تبدیل می کنند. این فناوری همچنین از تبدیل رسانه های مسی/فیبری پروتکل های سریال مانند استاندارد توصیه شده 232 یا 485، اترنت، پروتکل صنعتی اترنت، ControlNet، Profibus (گذرگاه میدان فرآیند)، دیتا بزرگراه پلاس، مدباس پلاس، و Genius Bus پشتیبانی می کند.
- قدرت بالاتر برای حمایت از صنایع: فیبر نوری برای خشن ترین محیط ها طراحی شده است و از نقص داده در یک فرآیند صنعتی کلیدی استفاده می کند. در نتیجه، فیبر نوری برای پشتیبانی از قطعات مکانیکی که عملکرد بهتری نسبت به تولید در بخش صنعتی دارند، بسیار ایده آل در نظر گرفته می شود.
