Perché i sistemi servo utilizzano fibre ottiche di plastica per la comunicazione?

I servosistemi combinano il controllo di precisione con un ambiente elettricamente impegnativo. Un controller di movimento può scambiare comandi sensibili al tempo con servoazionamenti su un breve collegamento a livello macchina mentre il cavo corre vicino ai cavi del motore, agli stadi di potenza dell'inverter e alle strutture della macchina collegate a terra.

Ciò crea un problema di comunicazione molto diverso rispetto alle normali reti aziendali.

Per molte applicazioni servo, la sfida principale non è la trasmissione dei dati per chilometri. Mantiene segnali di controllo affidabili in un ambiente affetto da interferenze elettromagnetiche, transitori a commutazione rapida, rumore di modo comune e differenze di potenziale elettrico.

È qui che la comunicazione ottica diventa preziosa.Quando la distanza richiesta è relativamente breve e l'interfaccia è progettata per questo,fibra ottica plastica (POF)può fornire un pratico mezzo ottico.

Cosa rende elettricamente difficile la comunicazione tra i servo?

Un servosistema normalmente combina due funzioni elettriche molto diverse.

Il lato di controllo gestisce i comandi di posizione, i riferimenti di velocità, la sincronizzazione, il feedback, la diagnostica e la comunicazione. Il lato di potenza fornisce tensione e corrente in rapida variazione al servomotore.

Queste funzioni spesso operano una accanto all'altra.

Una tipica installazione servo colloca controller di movimento, servoazionamenti, cavi di alimentazione motore e collegamenti di comunicazione all'interno dello stesso armadio o ambiente macchina.

Questa vicinanza è importante perché i servoazionamenti sono sistemi elettronici di potenza. Il loro ambiente elettromagnetico è sufficientemente significativo da coprire in modo specifico i sistemi di azionamento a velocità regolabileCEI 61800-3, lo standard EMC che affronta i requisiti di emissione e immunità per i sistemi di azionamento di potenza.

L'elettronica di potenza e i cavi del motore creano un ambiente rumoroso

Un servoazionamento non regola la velocità o la coppia del motore fornendo una tensione analogica perfettamente uniforme.

Il suo stadio inverter commuta rapidamente i dispositivi a semiconduttore per creare le forme d'onda di tensione e corrente richieste dal motore. In questo processo viene comunemente utilizzata la modulazione di larghezza di impulso, o PWM.

Queste transizioni di commutazione creano rapidi cambiamenti di tensione e corrente.

Dal punto di vista EMC, la preoccupazione non riguarda solo la frequenza di commutazione nominale. I fronti di commutazione veloci contengono energia a frequenza più elevata che può accoppiarsi ai circuiti vicini attraverso diversi meccanismi.

Può verificarsi un accoppiamento capacitivo tra i conduttori di alimentazione e i circuiti di segnale vicini. L'accoppiamento induttivo può derivare da rapidi cambiamenti di corrente. Anche le capacità parassite tra l'inverter, il cavo motore, gli avvolgimenti del motore, il telaio della macchina e la terra di protezione possono fornire percorsi per correnti di modo comune ad alta frequenza.

Il cavo motore diventa parte di questo ambiente elettrico perché trasporta l'uscita dell'inverter attraverso la macchina, potenzialmente vicino al cablaggio di comunicazione e controllo.

Come i servoazionamenti creano un ambiente di comunicazione con forti emissioni di EMI

Una buona separazione dei cavi, schermatura, collegamento, messa a terra e progettazione dell'armadio possono ridurre questi effetti, ma non cambiano il fatto fondamentale che la comunicazione servo spesso opera accanto a una forte fonte di rumore elettrico.

Problemi di potenziale di terra e di modo comune possono influenzare i collegamenti di segnale

L'EMI è solo una parte del problema.

Un controller e un servoazionamento possono essere montati in posizioni diverse all'interno di un armadio o di una macchina. I loro riferimenti elettrici possono essere influenzati dall'impedenza del conduttore, dalle correnti di dispersione ad alta frequenza, dalle correnti di commutazione, dalla topologia di terra e dal layout fisico.

Di conseguenza, due luoghi collegati allo stesso sistema di messa a terra non mantengono necessariamente esattamente lo stesso potenziale elettrico istantaneo in tutte le condizioni operative.

Per un collegamento di comunicazione conduttivo, questo è importante.

Se due dispositivi sono collegati elettricamente tramite un cavo di segnale, le differenze di potenziale elettrico possono contribuire a percorsi di corrente indesiderati o a tensioni di modo comune. L'interfaccia di comunicazione deve tollerare tali condizioni pur rilevando correttamente il segnale dati previsto.

La segnalazione differenziale, la schermatura, i componenti di isolamento e un'attenta messa a terra possono rendere la comunicazione in rame altamente affidabile. Un altro approccio consiste nel rimuovere del tutto il percorso di comunicazione conduttivo.

Questo è uno dei motivi principali per cui i collegamenti ottici sono utili in ambienti servo elettricamente difficili.

Perché la fibra ottica funziona bene tra controller e servoazionamenti?

La fibra ottica fornisce un percorso di comunicazione non conduttivo tra i dispositivi del servosistema. Poiché la fibra stessa non trasporta corrente elettrica tra gli endpoint, può impedire che il cavo di comunicazione diventi un percorso per la corrente di terra o per interferenze accoppiate elettricamente, il che è prezioso attorno a inverter, motori e cavi ad alta potenza.

Un trasmettitore ottico converte il segnale elettrico in luce. La fibra trasporta la luce al dispositivo ricevente, dove viene riconvertita in un segnale elettrico.

Non esiste quindi alcun conduttore metallico di segnale che corre tra le due porte ottiche.

La fibra non trasporta il percorso del rumore elettrico

Una fibra ottica dielettrica non si comporta come un conduttore di comunicazione metallico.

I campi elettrici o magnetici esterni non inducono correnti di comunicazione nella fibra stessa e la fibra non può fornire un percorso conduttivo per la corrente di terra CC tra i dispositivi collegati.

Ciò modifica la relazione tra il collegamento di comunicazione e l'ambiente energetico circostante.

Considerare un cavo di comunicazione instradato vicino al cablaggio di uscita di un servoinverter. Con un collegamento elettrico, l'interfaccia deve gestire l'energia elettromagnetica accoppiata ai conduttori preservando l'integrità del segnale.

Con un collegamento ottico, le informazioni viaggiano attraverso la fibra sotto forma di luce anziché di corrente elettrica.

Ciò non significa che un intero servosistema diventi immune alle EMI. Il trasmettitore, il ricevitore, l'elettronica del controller, l'elettronica dell'azionamento, gli alimentatori, il layout del PCB, la messa a terra e la progettazione complessiva dell'apparecchiatura richiedono ancora un'adeguata progettazione EMC.

Il vantaggio è più specifico:il cavo in fibra stesso non crea un percorso di accoppiamento elettrico tra i due punti finali di comunicazione.

L'isolamento elettrico separa i due punti finali di comunicazione

Ciò spiega anche la relazione tra comunicazione ottica e isolamento elettrico.

Con un mezzo di comunicazione conduttivo, le due estremità di un collegamento sono elettricamente correlate a meno che non sia fornito un isolamento adeguato altrove nell'interfaccia.

Un percorso ottico cambia questa relazione.

Il trasmettitore può funzionare all'interno di un dominio elettrico e il ricevitore all'interno di un altro mentre l'informazione attraversa il confine sotto forma di luce. Il mezzo di comunicazione quindi non fornisce un percorso conduttivo per la corrente del circuito di terra.

Percorso di comunicazione in rame rispetto all'isolamento ottico

Ciò può rivelarsi particolarmente utile quando controller e unità presentano condizioni di modo comune diverse.

Tuttavia, la distinzione tra fibra e sistema completo è importante.

Una fibra dielettrica rimuove il percorso conduttivo del segnale, ma la capacità di isolamento dell'interfaccia completa dipende ancora dal trasmettitore, dal ricevitore, dal design del PCB, dalla struttura di isolamento, dai connettori e dall'architettura dell'apparecchiatura.

La fibra dovrebbe quindi essere intesa come un mezzo di comunicazione che consente l’isolamento piuttosto che come un sostituto di un’adeguata progettazione elettrica a livello di sistema.

Perché i servocollegamenti non sempre necessitano di distanze o larghezze di banda estreme

La fibra ottica è spesso associata alle telecomunicazioni, ai data center e alle reti a lunga distanza. Ciò può creare l’impressione che la fibra sia utile solo quando un sistema richiede una larghezza di banda estrema o una distanza di trasmissione molto lunga.

La comunicazione servo ha una serie diversa di priorità.

Un sistema di controllo del movimento può richiedere una comunicazione ciclica rapida, sincronizzazione tra gli assi, tempi prevedibili, consegna stabile dei comandi e funzionamento affidabile in un ambiente elettricamente rumoroso.

Tali requisiti possono essere impegnativi senza richiedere la trasmissione a lunga distanza.

Molti servocollegamenti rimangono all'interno di una macchina, di una cella di produzione o di un sistema di controllo locale. In tali applicazioni, estendere la capacità di trasmissione ben oltre il collegamento richiesto a livello macchina può fornire poco valore ingegneristico aggiuntivo.

Lo stesso ragionamento vale per la larghezza di banda.

La servocomunicazione deve fornire capacità sufficiente per l'architettura di controllo selezionata, ma la larghezza di banda massima non è automaticamente il criterio di selezione principale. Una volta soddisfatti il ​​ciclo di comunicazione, la sincronizzazione, le prestazioni del protocollo e la risposta del sistema richiesti, altri fattori possono diventare più importanti.

In questo contesto, la comunicazione ottica può supportare il controllo sincronizzato mantenendo il mezzo di comunicazione elettricamente separato dall'ambiente energetico circostante.

La questione ingegneristica quindi non è semplicemente quale mezzo abbia la massima larghezza di banda possibile.

È il mezzo che soddisfa in modo affidabile i requisiti di temporizzazione, distanza, immunità al rumore, isolamento, meccanica e compatibilità del servosistema.

Perché la fibra ottica in plastica è adatta a molti servocollegamenti corti

Una volta selezionato il collegamento ottico sorge un'altra domanda: perché utilizzare la fibra ottica in plastica invece della tradizionale fibra di vetro?

La risposta dipende dai requisiti dell'applicazione.

POF non è destinato a sostituire ogni forma di fibra ottica in vetro. I suoi vantaggi diventano più rilevanti quando un sistema industriale necessita di una connessione ottica relativamente breve, di un accoppiamento semplice, di un assemblaggio pratico e di una trasmissione affidabile senza i requisiti di distanza di una rete di telecomunicazioni.

Un nucleo di grandi dimensioni rende l'accoppiamento ottico meno impegnativo

Molti sistemi POF industriali con indice a gradini utilizzano un nucleo con un diametro vicino a 1 mm.

Quel grande nucleo ottico può ridurre la sensibilità di accoppiamento e supportare interfacce ottiche industriali meccanicamente più semplici.

Perché il POF a nucleo grande semplifica l'accoppiamento ottico

Ciò ha conseguenze pratiche.

Quando il target ottico è relativamente grande, il trasmettitore, il connettore e il ricevitore non richiedono lo stesso grado di precisione di allineamento richiesto da geometrie ottiche molto più piccole.

Per le apparecchiature industriali, questo può essere più importante che ottenere la minima attenuazione possibile su distanze molto lunghe.

Una servomacchina potrebbe necessitare di una connessione ottica robusta che possa essere assemblata e mantenuta in modo coerente. Se la distanza di comunicazione richiesta è breve, i vantaggi pratici dell’accoppiamento a nucleo grande possono essere più rilevanti della capacità di trasmissione a lunga distanza.

La terminazione semplice può essere preziosa nelle apparecchiature industriali

La grande geometria della fibra consente anche sistemi di connettori relativamente semplici.

A seconda della famiglia di componenti, il POF industriale può utilizzare metodi di terminazione a scatto, senza crimpatura, con bloccaggio meccanico o senza connettori.

Terminazione POF industriale semplice

Alcuni sistemi consentono di tagliare la fibra a misura e di installarla meccanicamente direttamente nel componente ottico. Altri utilizzano un connettore con un processo di taglio e finitura relativamente semplice.

Ciò può rendere il POF utile nei macchinari in cui è richiesto l'isolamento ottico, ma la terminazione in fibra complessa aggiungerebbe inutili sforzi di installazione.

Non tutti i connettori POF utilizzano lo stesso metodo di terminazione.

Alcuni sistemi richiedono ancora il taglio controllato, la preparazione della superficie o la lucidatura. L'installazione dovrebbe quindi seguire i requisiti dell'effettivo sistema di connettori e ricetrasmettitori.

Il vantaggio non è che il POF non richieda mai la preparazione delle fibre.

È quelloIl POF a nucleo grande può supportare architetture di connettori industriali relativamente semplici.

La breve portata può essere una caratteristica piuttosto che una limitazione

La fibra ottica in plastica generalmente ha un'attenuazione maggiore rispetto alla fibra per telecomunicazioni in silice.

Per la comunicazione a lunga distanza, questa è una limitazione importante.

All'interno di una macchina compatta, tuttavia, la distanza di trasmissione richiesta può essere sufficientemente breve da far sì che un'attenuazione ultrabassa fornisca poco valore aggiuntivo al sistema.

Se un collegamento controller-azionamento deve funzionare solo entro la distanza supportata dal servosistema, la questione rilevante è se il budget completo di potenza ottica supporta quel collegamento con un margine adeguato.

Un sistema POF progettato per quella gamma può quindi essere appropriato anche se un'altra tecnologia in fibra potrebbe trasmettere molto più lontano.

Un mezzo di comunicazione dovrebbe essere valutato rispetto al collegamento richiesto piuttosto che rispetto alle massime prestazioni disponibili da un'altra tecnologia.

Per collegamenti industriali brevi, POF può scambiare capacità a lunga distanza con accoppiamento ottico e installazione più semplici.

La POF non è la fibra giusta per ogni servosistema

L'uso della comunicazione ottica nei servosistemi non significa che tutti i servosistemi debbano utilizzare POF.

I moderni sistemi di controllo del movimento utilizzano diverse architetture di comunicazione. A seconda del design dell'apparecchiatura, la rete da controllore a convertitore può utilizzare la comunicazione in rame, fibra ottica in plastica, fibra ottica in silice o un altro strato fisico.

Collegamenti ottici più lunghi possono favorire la fibra di silice a causa della sua minore attenuazione.

Anche la temperatura può modificare la selezione. Il campo operativo consentito dipende dalla fibra, dalla guaina, dal connettore e dalla struttura completa del cavo, quindi l'ambiente servo specificato deve essere confrontato con la classificazione del cavo.

Anche i requisiti meccanici contano.

Un cavo installato permanentemente all'interno di un armadio è sottoposto a sollecitazioni diverse rispetto a un cavo installato attraverso una sezione della macchina in continuo movimento.

Ancora più importante, è l'interfaccia del servo stessa a determinare la compatibilità.

Una porta ottica progettata per un particolare tipo di fibra, geometria del connettore o collegamento ottico non può essere convertita in un altro sistema in fibra semplicemente perché la fibra alternativa presenta specifiche generali interessanti.

Per le applicazioni servo, la compatibilità del sistema viene prima delle prestazioni generiche della fibra.

Come selezionare un cavo in fibra servo

La scelta di un cavo in fibra servo sostitutivo o personalizzato dovrebbe iniziare dall'interfaccia di comunicazione, non dal colore della guaina, dal diametro della fibra o dall'aspetto del connettore.

Fattori di selezione del cavo in fibra servo

Due cavi ottici possono sembrare simili pur non essendo adatti allo stesso servosistema.

Inizia con l'interfaccia servo, non con il diametro della fibra

Identificare innanzitutto l'esatta interfaccia del controller e del servoazionamento.

Controllo:

• il tipo di fibra ottica richiesta;

• architettura del trasmettitore e del ricevitore;

• famiglia di connettori;

• numero di fibre;

• costruzione di cavi consentita;

• lunghezza massima del collegamento supportata;

• ed eventuali requisiti di compatibilità specifici del sistema.

Se il produttore dell'apparecchiatura specifica un particolare supporto ottico o architettura di cavo, tale requisito dovrebbe avere la priorità rispetto alle ipotesi generiche sulla POF.

La sola idoneità fisica non garantisce la compatibilità ottica.

Controlla la lunghezza, il budget ottico e la compatibilità del connettore

Ogni collegamento ottico ha un budget di potenza finito.

Il trasmettitore lancia energia ottica nella fibra. La perdita è introdotta dalla fibra, dai connettori, dai giunti, dagli effetti della temperatura, dalla contaminazione e da altre parti del collegamento. Il ricevitore deve ancora ricevere potenza ottica sufficiente per recuperare in modo affidabile i dati trasmessi.

La lunghezza del cavo pertanto non può essere scelta indipendentemente dal sistema ottico.

Le specifiche di un cavo in fibra servo dovrebbero considerare sia la lunghezza fisica che le limitazioni ottiche del controller e dell'interfaccia dell'azionamento.

La compatibilità dei connettori è altrettanto importante.

La fibra deve essere posizionata correttamente rispetto al trasmettitore e al ricevitore. Il tipo di fibra, la geometria del connettore e le condizioni della superficie terminale possono influenzare l'accoppiamento ottico e la perdita di collegamento.

Per i cavi sostitutivi, abbinare l'architettura ottica originale è generalmente più sicuro che scegliere un cavo solo perché il connettore appare simile.

Le condizioni meccaniche e ambientali contano altrettanto

L'isolamento elettrico risolve solo una parte dell'applicazione.

I cavi in ​​servo fibra sono ancora componenti meccanici installati all'interno di macchine reali.

Le condizioni di selezione importanti includono:

Anche il routing merita attenzione.

Un cavo in fibra può evitare interferenze elettriche in modi che un cavo di segnale conduttivo non può, ma può comunque guastarsi se viene piegato bruscamente, schiacciato, tirato eccessivamente, esposto a un ambiente inadatto o danneggiato da movimenti ripetuti.

Per questo motivo, il raggio di curvatura, il carico di trazione, l'ambiente operativo e i limiti di movimentazione dovrebbero essere trattati come parte delle specifiche del collegamento di comunicazione piuttosto che come dettagli di installazione secondari.

Problemi elettrici del servosistema e ruolo di un collegamento ottico

La relazione può essere riassunta direttamente:

La fibra ottica non elimina la necessità di una buona ingegneria EMC.

Restano importanti la corretta messa a terra, la schermatura, la disposizione dell'armadio, l'installazione dei cavi motore e la progettazione del sistema di alimentazione.

Il suo valore è che il cavo di comunicazione stesso smette di essere uno dei percorsi elettrici da gestire.

Il vero motivo per cui il POF appare nei servosistemi

La fibra ottica in plastica non dovrebbe essere vista semplicemente come un insieme di caratteristiche come un nucleo di grandi dimensioni, una connessione facile o una trasmissione a breve distanza.

Queste caratteristiche contano solo quando risolvono un problema applicativo.

In un servosistema il ragionamento spesso inizia con l'elettronica di potenza.

L'azionamento commuta una tensione e una corrente significative. Il motore e il relativo cablaggio operano all'interno di tale ambiente di commutazione. I controllori e gli azionamenti possono inoltre presentare disturbi di modo comune e differenze nel potenziale elettrico.

Una comunicazione affidabile deve coesistere con tali condizioni.

Un collegamento ottico rimuove il percorso metallico del segnale tra i punti finali della comunicazione. Quando il collegamento richiesto è relativamente breve, il sistema non beneficia necessariamente della capacità di lunga distanza della fibra per telecomunicazioni.

In tale situazione, il nucleo di grandi dimensioni e i metodi di accoppiamento relativamente semplici disponibili con il POF industriale possono diventare utili vantaggi ingegneristici.

Ecco perché POF ha senso in alcuni servosistemi:non perché le applicazioni servo richiedano universalmente la fibra plastica, ma perché alcuni collegamenti di comunicazione servo necessitano di isolamento elettrico e immunità al rumore più di quanto necessitino di distanze di trasmissione estreme.

Domande frequenti

Perché i servoazionamenti utilizzano la comunicazione in fibra ottica?

La comunicazione in fibra ottica può fornire un collegamento non conduttivo tra un controller e un servoazionamento. Ciò aiuta a evitare che il cavo di comunicazione trasporti corrente del circuito di terra o interferenze accoppiate elettricamente in ambienti contenenti commutazioni di inverter, motori e cavi di alimentazione.

La fibra ottica elimina i problemi EMI in un servosistema?

No. La fibra rimuove un importante percorso di accoppiamento elettrico, ma l'elettronica dell'azionamento, il controller, i ricetrasmettitori, gli alimentatori, la messa a terra, il layout della PCB e le apparecchiature circostanti richiedono comunque una progettazione EMC adeguata. La fibra migliora il comportamento elettrico del mezzo di comunicazione; non rende l'intera macchina immune alle EMI.

Perché utilizzare la fibra ottica in plastica anziché la fibra di vetro in un servosistema?

Il POF può essere interessante quando il collegamento richiesto è relativamente breve e l'apparecchiatura è progettata attorno a un'interfaccia ottica a nucleo grande. Il suo nucleo di grandi dimensioni può semplificare l'accoppiamento ottico e supportare sistemi di connettori relativamente semplici. La fibra di vetro può essere più appropriata quando prevalgono distanze maggiori, attenuazione inferiore o altri requisiti di sistema.

POF è abbastanza veloce per la comunicazione servo?

Dipende dalla servorete e dai componenti ottici. I servosistemi richiedono una velocità dati sufficiente e tempistiche prevedibili per la loro architettura di controllo. Il POF dovrebbe quindi essere selezionato in base al controller e all'interfaccia dell'unità specificati anziché confrontarlo solo con la larghezza di banda massima disponibile da altre tecnologie in fibra.

Quanto può essere lungo un cavo in fibra ottica per servo?

Non esiste una lunghezza massima universale. La distanza consentita dipende dal servosistema, dal trasmettitore e dal ricevitore, dal tipo di fibra, dalle perdite del connettore, dall'attenuazione, dalla temperatura e dal budget di potenza ottica. La lunghezza massima del collegamento specificata per l'apparecchiatura effettiva deve essere trattata come limite primario.

Cosa devo controllare quando sostituisco un cavo in fibra del servo?

Inizia con l'esatta interfaccia del controller e del servoazionamento. Confermare il tipo di fibra, il connettore, il numero di fibre, la lunghezza consentita e i requisiti di compatibilità richiesti. Quindi verificare le condizioni meccaniche quali raggio di curvatura, flessione, carico di trazione, temperatura, esposizione chimica, requisiti della guaina e pulizia del connettore prima di selezionare il cavo sostitutivo.