中技源 － 塑料光纖集成系統供應商和解決方案提供商 - POF,塑料光纖,GEPON,FTTH/FTTD,光纖到戶/光纖到桌面

1.     塑料光纖在工業中的使用
        施工安裝中對光纜的的拉伸是最初的重要影響因素，安裝好後，外部環境的高溫、日光照射、紫外線輻射、電磁/射頻幹擾等都會對電纜性能造成一定影響，而同時因磨損、剪斷和碾壓等機械力、接地、平衡等也會帶來很大影響。即便安裝已經結束，哪怕是微小的機械應力或溫度變化都有可能導致光纖微彎或受力不當，從而造成損耗升高、産生誤碼、甚至完全損壞光纖。這些來自于不同的人爲或非人爲因素都爲以太網構成了一個惡劣的工業環境^[1]。因此塑料光纖在工業網絡中的應用和在家庭網絡及汽車網絡中應用具有很多不同之處。        

         塑料光纖和器件在工業網絡中使用要具有可靠性、安全性和環境適應性，具體說來就是耐振動、耐衝擊，耐腐蝕、防塵、防水，防爆，工作溫度要求爲-40～+85℃，電磁環境適應性或電磁兼容性EMC應符合EN 50081-2、EN 50082-2標准。 安裝方便，適應工業環境的安裝要求。

2.     工業控制網絡標准
        工業控制網絡作爲工業企業綜合自動化系統的基礎，從結構上看可分爲三個層次：即管理層、監控層和現場設備層。

最上層的是企業管理層網絡，主要用于企業的計劃、銷售、庫存、財務、人事以及企業的經營管理等方面信息的傳輸。管理層上各終端設備之間一般以發送電子郵件、下載網頁、數據庫查詢、打印文檔、讀取文件服務器上的計算機程序等方式進行信息的交換，數據報文通常都比較長，吞吐量較大，而且數據通信的發起是隨機的、無規則的，因爲要求網絡必須具有較大的帶寬。管理層網絡主要由快速Ethernet（100M、1G、10G等）組成。

        中間的制造執行層網絡主要用于監控、優化、調度等方面信息的傳輸，其特點是信息傳輸具有一定的周期性和實時性，數據吞吐量較大，因此要求網絡具有較大的帶寬，以前由專用網絡如令牌網組成，召集這一層網絡則 主要由傳輸速率較高的網段（如10M、100MEthernet等）組成。

        而最底層的現場設備層網絡，與變送器、執行機構等現場設備相連，采集現場數據，並將控制數據送入設備。^[2]底層設備通信主要有以下特點：
        1.  通信環境惡劣，可能受到溫度、濕度變化、塵埃、電壓波動、機械振動、電磁場幹擾等因素影響；
        2.  信息傳遞主要是設備與設備之間，故對通信可靠性要求高；
        3.  通信內容和時間一般可以預先設定，隨機、自發産生的信息相對較少，這可使通信協議大大簡化；
        4.  由于有較多的監控信息，實時性要求高；
        5.  要求有一定有故障診斷和容錯能力，以防止不必要的系統故障；
        6.  距離短，頻度高。
        基于上述特點，底層設備互連網絡通常采用協議簡單、響應迅速、可靠性高的主一從通信方式^[3]
        在工業中使用的標准主要有現場總線和工業以太網標准，這些標准是由IEC（國際電工委員會）編寫的。IECTC65 （IEC第65技術委員會）主管工業過程測量和控制（Industrial-process Measurement and Control）的國際標准化，分爲下面幾個部門：
        TC 65A：系統考慮（System Aspects）
        TC 65B：元件（Devices）
        TC 65C：數字通信（Digital Communication）
        TC 65D：分析設備（Analyzing Equipment）

        工業網絡方面的標准由TC 65C負責，現場總線和工業以太網標准都是由TC 65C來制定的。目前現場總線體系中，基于以太網的通信協議除了現場總線應用標准IEC 61784-1中包含的HSE、Ethernet/IP、Profinet之外，還包括EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Vnet/IP、TCnet、Modbus/IDA等6個新的提案。

        工業布線標准ISO/IEC 24702“工業建築綜合布線”在2006年10月發布的版本中，規定了新的環境規範和信道性能參數，包括衰減、帶寬、距離限制和接頭的參考規格^[4]。

3.     工業用塑料光纜

        考慮到惡劣的工業環境，工業網絡對塑料光纜的要求有別與通常在室內應用的塑料光纜，如消費電子和光纖到桌面方面的應用。要求POF光纜更加強韌、耐磨耐油，阻燃等，因此工業塑料光纜的設計尤爲重要。通常是通過增加護套的層數、厚度以及選用強度高、韌性好，耐油耐磨、阻燃的塑料來實現的。工業控制系統中采用的塑料光纖最多的也是標准芯徑（1000μm）的PMMA光纖，但在緊套層和護套材料的材質和尺寸設計方面就會有很大的差異，護套材質有PUR（聚氨酯）、尼龍、阻燃TPU等，同時還可加入抗張力縱向芳香尼龍纖維來增加強度。例如西門子公司的兩種POF纜，可以使用與PROFINET兼容的SC RJ連接頭簡單地現場組裝。兩個Industrial Ethernet設備之間的最大線纜長度對于POF光纖是50m。 室內應用的POF用PVC護套，室外使用的POF纜采用耐用的PUR護套材料^[5]。

        混合纜：用于機床或生産設備，POF提供了最好的對EMI的免疫性；銅芯傳送電力到液壓控制和執行及傳感器件，適用于惡劣的的環境。DESINA是用于標准化電氣、液壓和氣動元件及其在一個由CNC控制的工具機與制造系統共通平台相互聯結的規格。它規定IO模塊與傳感器、執行器之間連接的接頭，電纜等的機械和電氣特性。此標准由德國主要的傳感器、執行器以及電氣聯接方面的廠商發起和推廣，而且從2005年11月起成爲國際標准：ISO 23570 part 1 and part 2^[6]。德國纜普集團和易格斯公司都生産符合DESINA標准的使用了POF的混合纜^[7]。

4.     交換機及光纖收發器

        工業以太網交換機，作爲工業以太網的核心設備，其實質與傳統意義的交換機一樣，是一種數據鏈路層設備，它通過硬件完成以往網橋使用軟件來完成的過濾、學習和轉發過程，能有效地提高網絡傳輸效率，減少網絡故障。工業以太網交換機具有以下特點：
        1) 實時性高：隨著快速以太網與交換式以太網技術的發展，通信速率從10M、100M增大到如今的1000M、10G，千兆交換機市場份額正在加大，完全可以勝任控制響應時間大于5ms的系統。
        2) 可靠性好：卡軌式安裝技術的出現，解決了極端條件下網絡也能穩定工作的問題；各種冗余型交換機不斷湧現，采用快速生成樹冗余（RSTP）、環網冗余（Rapid　Ring）和主幹冗余（Trunking）等技術，網絡斷開恢複時間從500ms發展到300ms甚至到10ms以內，很好地保障了工業系統的可靠性；爲適應苛刻的工業現場環境，越來越多的寬溫交換機産品面世，一般寬溫範圍已達－40℃～75 ℃。
        3) 功能多樣：從非管理型交換機到管理型交換機是一次技術的飛躍，體現了越來越高的智能化和用戶友好性，相對集線器和非管理型交換機，管理型交換機擁有更多更複雜的功能，如用于遠程監視和配置的簡單網絡管理協議（SNMP），用于診斷的端口映射，用于網絡設備成組的虛擬局域網（VLAN），用于確保優先級消息通過的優先級排列功能等^[8]。

        西門子新推出的SCALANCE X201-3P IRT，SCALANCE X202-2P IRT和SCALANCE X200-4P．IRT （Isochronous RealTime）是第一批集成了ERTEC （Enhanced RealTime Controller） 和SC RJ POF/PCF FOC （Polymer Optical Fiber， Polymer Cladded Fiber） 接口的SCALANCE産品的SIMATIC NET Industrial Ethernet實時交換機，這些接口是PROFINET標准。通過電氣RJ45和光纖SC RJ口的不同組合，這些交換機非常理想地適用于Industrial Ethernet星型、線型和環型結構的設計，環型結構的重新配置時間小于300 ms （集成的冗余管理器）。FOC接口用于通過適合的SC RJ插頭連接SIMATIC NET POF和PCF線纜^[9]。


5. 工業用塑料光纖連接器
        工業用塑料光纖連接器除了像通常的連接器要考慮的因素如材料、成本、連接損耗之外，特殊的一方面是要考慮到工業環境之下如何設計。一些工業用的1mm POF連接器類型是SMA、ST、PN/F07和AVAGO versatile link。表1是常用的工業網絡連接器類型。           

                                                                              表1.工業網絡連接器類型

最小的SC型雙芯連接器 (SC-RJ)：
        R&M公司生産的符合IEC 61754新的標准，插拔型，只有SC雙芯連接器（SFF）一半的尺寸。
用于“嚴酷”環境的POF 連接器：
        R&M的SC-RJ w / IP67是密封的POF連接器，符合IP54、 IP 65或IP 67等級，見圖2b。

圖2a SC-RJ	圖2b SC-RJ w / IP67

參考文獻：
        [1]    惡劣環境下以太網電纜應有的特點，江帆，通信市場，2005年08期
        [2]    工業自動控制網絡通信的特點
                 http://ca.nstl.gov.cn/commChannel/content.asp?contentid=158857
        [3]    數控技術的現狀與展望 http://www.dlncedu.com/ReadNews.asp?NewsID=608
        [4]    IEC  www.iec.ch
        [5]    西門子公司資料
        [6]    www.desina.eu
        [7]    德國纜普集團和易格斯公司網上資料
        [8]    從國際知名企業主要産品特點看工業以太網交換機技術發展趨勢
                http://www.istis.sh.cn/list/list.asp?id=1912
        [9]    西門子公司資料