解析光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)控制中的解決方案

摘 要：隨著光纖技術(shù)的成熟，電子產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。文章對(duì)光纖進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，架構(gòu)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了5公里的傳輸方案，并提出了選擇不同方案的原則，以提高整個(gè)光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)的使用壽命和傳輸性能。

關(guān)鍵詞：光纖；傳輸系統(tǒng)；工業(yè)控制

1 光纖概述

上世界六十年代，美國(guó)科學(xué)家發(fā)明世界第一臺(tái)激光器，光纖第一次進(jìn)入通信領(lǐng)域，隨后對(duì)光纖進(jìn)行不斷的研究，進(jìn)入了飛速發(fā)展階段，主要優(yōu)點(diǎn)包括：損耗低，指相對(duì)于電纜，同比程度下?lián)p耗比電纜小1億倍，損耗率極小；頻率寬，指在光譜上，光的頻率覆蓋面極廣，比VHF頻段高出一百多萬(wàn)倍；重量輕，指相對(duì)于其他傳輸介質(zhì)，更小的體積可以傳輸更大的信息量；抗干擾能力強(qiáng)，指?jìng)鞴獠粚?dǎo)電，不受電磁場(chǎng)的影響，保密性能高；保真度高以及成本不斷下降。

光纖，全名光導(dǎo)纖維，是一種傳輸光能的波導(dǎo)介質(zhì)。裸纖由以下3個(gè)部分組成：玻璃芯（50-62.5μm，位于最里層）、硅玻璃包層（125μm，位于中間層）、樹(shù)脂涂層（最外層）。按照光纖的功能、用途等可以劃分很多種類(lèi)。本文主要按照傳輸模式對(duì)光纖進(jìn)行分類(lèi)：?jiǎn)文９饫w（含偏振。隨著光纖的需求量越來(lái)越大及光纖理論體系的不斷完備，根據(jù)光纖不同性能分為保持光纖、非偏振保持光纖）、多模光纖。

2 光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

簡(jiǎn)單的光傳輸網(wǎng)絡(luò)包括光源、光檢測(cè)器以及光纖。其中光源一般指二極管（LED或LD），傳輸?shù)脑砑奥窂綖椋弘娦盘?hào)→光信號(hào)→光纖傳輸→光信號(hào)→電信號(hào)。光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)有自身的很多優(yōu)點(diǎn)：不產(chǎn)生電磁也不受電磁干擾影響，保證了周?chē)姎庠O(shè)備的安全，也使自身傳輸介質(zhì)的功能不受其他電氣設(shè)備的影響；適合于數(shù)據(jù)傳送。但是光纖的分節(jié)較為困難，損耗較大，在實(shí)際應(yīng)用中使用的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)是解決這一問(wèn)題的措施之一。

3 光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)控制中的解決方案

在工業(yè)控制中一般要傳輸?shù)氖悄M信號(hào)，因此設(shè)計(jì)最基本的3種傳輸方案進(jìn)行對(duì)比分析：第一種是通過(guò)光端機(jī)直接傳輸模擬信號(hào)；第二種是采用電信號(hào)→光信號(hào)→光纖傳輸→光信號(hào)→電信號(hào)的原理進(jìn)行傳送；第三種是在通過(guò)光隔離器來(lái)進(jìn)行傳輸信號(hào)。

3.1 方案一

以5公里左右的傳輸距離作為本次設(shè)計(jì)的傳輸距離，通過(guò)光端機(jī)直接傳輸模擬信號(hào)傳輸?shù)念l率定為1MHz，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，這個(gè)頻率值可以通過(guò)光端機(jī)來(lái)進(jìn)行傳輸，費(fèi)用計(jì)算如下表：

通過(guò)上表可知，采用第一種解決方案總費(fèi)用約6000元。通過(guò)光端機(jī)直接傳輸模擬信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建較為簡(jiǎn)單，成本低。同時(shí)，這種傳輸方式有著自身難以克服的缺點(diǎn)：傳輸?shù)馁|(zhì)量受溫度的影響很大，在進(jìn)行多種信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)候，發(fā)生相互干擾，影響傳輸效率，還有不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生，這種解決方法較適用于信號(hào)較少，溫度變化不大地區(qū)使用。

3.2 方案二

第二種方案采用電信號(hào)→光信號(hào)→光纖傳輸→光信號(hào)→電信號(hào)的原理進(jìn)行傳送，不再用模擬信號(hào)傳輸，傳輸方式是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸。

使用的傳輸設(shè)備主要為數(shù)字光端機(jī)，其他的傳輸設(shè)備與第一種方案相同。傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)與第一種方式相同，第二種方案能有效克服第一種方案?jìng)鬏斝盘?hào)相互干擾的弊端，可以同時(shí)傳輸4路以上的信號(hào)，性能良好的傳輸設(shè)備，可以同時(shí)傳輸幾百路信號(hào)。第二種方案與第一種方案從性能來(lái)看要明顯更高，傳輸保真度高，同時(shí)進(jìn)行多路傳輸，環(huán)境溫度影響小，傳輸穩(wěn)定的脖頸，從價(jià)格來(lái)看，第二種方案還需要增加逆流轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器等模塊，增加了實(shí)際安裝的工作量，成本比第一種方案高20%左右。

3.3 方案三

第三種方案與第二種方案的傳輸原理相同，都是不再使用模擬信號(hào)傳輸，傳輸方式是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸。第二種和第三種方案的不同在于第三種方案采用光電隔離器來(lái)代替原有的數(shù)字光端機(jī)。光電隔離器傳輸原理是以光為媒介傳輸，對(duì)輸入、輸出信號(hào)有很好的隔離作用，同時(shí)具備受外界環(huán)境干擾度小、性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、保真度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)控制信號(hào)傳輸中應(yīng)用最廣泛的光電設(shè)備之一。

信號(hào)傳輸網(wǎng)路與第二種方案類(lèi)似，需要增加逆流轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器等模塊，同時(shí)還需要根據(jù)實(shí)際傳輸情況，合理設(shè)計(jì)電路，包括轉(zhuǎn)換與逆轉(zhuǎn)換的全過(guò)程，加大了工作量。從工作原理看，第三種方案輸出信號(hào)不會(huì)影響輸入端，設(shè)計(jì)原理上更容易和邏輯電路配合使用，實(shí)用性能提高，輸入輸出端的相應(yīng)時(shí)間縮短，一般只需要微秒甚至毫微秒。

第三種方案從成本來(lái)看，增加的光電隔離器需要2對(duì)，成本約800元左右，其他的設(shè)備如6芯多模光纖、逆流轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器等價(jià)格參考第一種方案，要增加轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及安裝，費(fèi)用則根據(jù)實(shí)際情況而定。總體而言，第三種方案工作量及成本增加，性能最優(yōu)。

以上三種方案，通過(guò)從性能、工作量及成本分析可以看出，各有優(yōu)缺點(diǎn)，選用時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況而定。可以通過(guò)以下原則進(jìn)行選取：傳輸信號(hào)種類(lèi)不超過(guò)4種，環(huán)境影響度不大，對(duì)傳輸信號(hào)的要求不高時(shí)，優(yōu)先選擇第一種方案，因?yàn)槌杀据^低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品成熟，操作不復(fù)雜，易于掌握；如果傳輸信號(hào)路數(shù)多，對(duì)信號(hào)保真度要求高，環(huán)境影響很大時(shí)，優(yōu)先選擇第二種方案，適合多路傳輸，保證傳輸性能的同時(shí)能夠有效節(jié)省成本；如果只是單向傳輸，環(huán)境影響較大，對(duì)信號(hào)保真度要求高，優(yōu)先選擇第三種方案，傳輸性能較好，并能有效降低成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制自動(dòng)化的重要組成部分，為保證工業(yè)控制系統(tǒng)中信號(hào)的真實(shí)真確性，需要合理選擇信號(hào)傳輸方案。文中的三種方案是針對(duì)5公里的傳輸距離進(jìn)行的設(shè)計(jì)，如傳輸距離很大，需要將光纖換成單模光纖，相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品也要進(jìn)行更換，由于增加光纖長(zhǎng)度，總的成本會(huì)有所增加。