Fiberoptisk transmission har nu blivit ett verkligt alternativ till kopparbaserad datakommunikation i fabriker. Bland fördelarna finns högre hastigheter, längre överföringsavstånd, immunitet mot elektriska störningar och elektrisk isolering. Visserligen kan kostnaden fortfarande kan vara en begränsande faktor för korta datalänkar som arbetar med låg hastighet. Men fördelarna med möjligheten att uppgradera länken till längre avstånd och högre datahastigheter bör också tas med i beräkningarna.

Systemintegratörerna behöver bara få en smula vägledning om hur man konstruerar fiberbaserade kommunikationslänkar för att kunna ta fram kostnadseffektiva lösningar som uppfyller kraven på prestanda, säkerhet och skalbarhet.

Kommunikation i fabriken ställer speciella krav. Varje industriell applikation - exempelvis automation eller processtyrning - måste kunna överföra data tillförlitligt, predikterbart och i realtid. Det kan handla om kommunikation punkt-till-punkt, om ett nätverk av terminaler, eller en uppsättning sensorer och aktuatorer som behöver övervakas och styras på avstånd.

För ändamålet finns flera standarder, exempelvis Fieldbus, Profibus och Sercos, som är vanliga i applikationer som kräver låga datahastigheter från 2 Mbaud till 16 Mbaud. Men kraven från systemutvecklarna har förändrats sedan dessa standarder definierades. Trenden går mot högre datahastigheter och en öppen arkitektur. Som exempel kan nämnas en nyligen introducerad standard baserad på Internetprotokollet har fått extra funktioner för dataöverföring i realtid. Den ger nu möjligheter att integrera kommunikation på låg nivå och med låga datahastigheter i företagsnät. Detta kommer att möjliggöra högre grad av integration av kommunikationsnäten, och göra att industriella processer kan initieras, övervakas, justeras och kontrolleras från ett skrivbord beläget långt från fabriksgolvet.

Nästa generation industriella nätverk måste kunna stödja allt högre krav. Vid konstruktion av nya nätverk ger en fiberoptisk infrastruktur ett antal fördelar över kopparbaserade transmissionsledningar.

Den allra viktigaste fördelen med att ersätta koppar med optofiber är hastigheten. Industriella applikationer har tidigare brukat arbeta med datatakter upp till ungefär 50 Mbit/s. När fabriksnätverk och företagsnätverk nu i allt högre grad integreras krävs det vanligen mycket högre datahastigheter - upp till 125 Mbit/s - för att nå kompatibilitet med standarden Fast Ethernet. Fiberkablar stöder mycket högre datahastigheter än kopparkablar vid långa avstånd.

En annan betydande fördel med fiberbaserade infrastrukturer är att de inte skapar någon elektromagnetisk interferens (EMI), och de är även immuna mot EMI som genereras externt. Detta gör fiberoptiska länkar mycket lämpliga att använda i elektriskt störda miljöer, för exempelvis effektdistribution och switchande utrustning. Tack vare EMI-immuniteten kan också fiberoptiska kablar förläggas längs samma infrastrukturer som elkablar, och nära kraftaggregat, kraftiga elmotorer och andra utrustningar med höga strömmar.

Vid sidan av kostnadsskälen kräver vissa applikationer ett alternativ till koppar av säkerhetsskäl. Detta gäller speciellt för applikationer som finns i brandfarliga miljöer eller som exponeras för farliga kemikalier. Sådana kan bara implementeras säkert och kostnadseffektivt med fiber. Det krävs inte lika många förebyggande åtgärder när man använder optofiber i sådana riskabla miljöer, och man behöver inte spendera lika mycket pengar på att dra transmissionsledningarna säkert. Med koppar finns det däremot alltid risker för farliga elektrostatiska urladdningar (ESD), som kan kräva kostsamma skärmningar eller obekväm dragning av kopparkablarna.

Därtill kan man uppnå följande fördelar med fiberoptiska kablar:

- Större länkavstånd utan behov av förstärkning eller regenerering av signalerna

- Galvanisk isolering mellan sändare och mottagare

- Låg vikt som gör dragningen och hanteringen enklare

- Mindre krökningsradier och mer tolerans mot ovarsam hantering

Fiberoptikens mognad och fördelarna med storskalighet har förvisso drivit ned kostnaderna för utrustning och installation. Men hur kostnadseffektiv en fiberbaserad infrastruktur är beror alltjämt på applikationen. De dominerande parametrarna är datatakten och länkarnas längd, tillsammans med miljöfaktorer som brandfara och EMI.

För en rättvis jämförelse måste även långsiktiga kostnader tas med i beräkningen. Helt säkert kan initialkostnaderna vara högre för en kort optolänk för låga datahastigheter jämfört med en motsvarande kopparlänk. Men på lång sikt kan man ändå räkna med besparingar tack vare minskat underhåll och möjligheten till uppgraderingar.

Multimodfibrer är idag den fibertyp som används mest i industriella applikationer. De har större toleranser än enkelmodfibrer för injustering, optisk koppling och renhet. När det gäller fibermaterial är POF (Plastic Optical Fibre) och HCS (Hard Clad Silica) de mest använda varianterna. Båda har en relativt stor kärna - 900 µm för POF och 200 µm för HCS - vilket möjliggör effektiv koppling av ljuset in i och ut ur fibern. En stor kärna minskar också kravet vid injustering av kontakten, och det ställs mindre krav på mekaniska toleranser. Detta leder till lägre kostnader.

En fiberoptisk kommunikationslänk kan karaktäriseras av den datatakt den klarar och det avstånd över vilket den kan arbeta med en acceptabelt låg bitfelsfrekvens. Det finns två fysiska effekter - dämpning och dispersion - som bestämmer vilka avstånd och datahastigheter en fiberlänk klarar.

Dämpningen, som mäts i dB/km, är beroende av våglängden och en funktion av fiberns materialegenskaper. Dispersionen är en mer komplex egenskap som begränsar den maximala datahastighet som kan upprätthållas över ett givet länkavstånd. Den kan anges som en produkt av bandbredd och avstånd, uttryckt i MHz km, så att det går att göra en uppskattning av acceptabla kombinationer av länklängd och datahastighet för en given kabel. Ett värde på 500 MHz km innebär att en datahastighet på 500 MHz stöds vid ett avstånd på 1 km, eller att 50 MHz stöds vid ett avstånd på 10 km.

De vanligast använda optiska sändarna i industriella applikationer är lysdioden (LED) och VCSEL-lasern (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Dessa klarar enkelt att uppfylla kraven på datahastighet och länkavstånd för industriella applikationer, och de finns tillgängliga till konkurrenskraftiga. Lysdioder arbetar vanligen på 650 nm, medan en VCSEL arbetar kring 820 nm.

Som mottagare används vanligen en PIN-fotodiod. Även dessa finns tillgängliga till låg kostnad, och de har ett brett våglängdsområde från 400 nm till 1100 nm. Det gör att de kan användas med LED- och VCSEL-sändare i industriella applikationer.

Genom att se närmare på hur en vanlig länk för 5 Mbaud och några hundra meters överföringsavstånd implementeras kan man få en uppfattning om de viktigaste konstruktionsparametrarna som måste beaktas vid valet av optisk transmissionsutrustning.

När man valt kabel, sändare och mottagare måste dessa dels integreras med varandra, och dels med den elektriska infrastrukturen i vardera änden. Integrationen är en relativt rättfram uppgift, där man vanligen kan få hjälp av tillverkarnas utvecklingskort. En leverantör, Avago Technologies stöder som exempel sitt sortiment av fiberoptiska produkter med över 15 utvärderingssatser, som hjälper ingenjörerna att snabbt bygga upp optiska länkar för att kunna färdigställa konstruktionen av transceivrarna och verifiera deras prestanda.

En komponentserie som Avagos familj HFBR-x4xx, som innehåller diskreta sändare och mottagare, utgör ett exempel. Dessa kan stödja länkavstånd upp till 2,7 km eller datahastigheter upp till 160 Mbaud. Men de datahastigheter och länkavstånd som verkligen går att uppnå är beroende av den använda kombinationen av sändare, mottagare och fibertyp. Denna serie är kompatibel med 50/125, 62,5/125 och 100/140 multimodfibrer som använder optiska standardkontakter.

De olika sändarna och mottagarna i produktfamiljen erbjuder olika optiska uteffekter och mottagarkänsligheter. För en 5 Mbaud-länk behövs sändaren HFBR-14x4 och mottagaren HFBR-24x2. Denna kombination klarar 5 Mbaud över en 2 km lång länk. Avagos utvärderingskort HFBR-0410 är till nytta för denna applikation, och kan beställas från Future Electronics.

Sändaren drivs enkelt med en drivkrets 74521. Drivströmmen till den LED-baserade sändaren bestäms av ett motstånd placerat mellan VCC (5V) och ingången på drivkretsen. För att hjälpa konstruktören att optimera värdet på motståndet för de specifika arbetsvillkoren tillhandahåller Avago diagram över konstruktionsgränserna för varje produkt och fibertyp.

Med ett kortare länkavstånd på 400 m och en datahastighet på 5 Mbaud kan man minska drivströmmen från de 60 mA som nominellt krävs för 2 km avstånd. Det krävs en drivström på omkring 15 mA för ett länkavstånd på 400 m. Värdet på resistorn kan då beräknas som (VCC (5V) - Vf hos lysdioden)/ drivströmmen, vilket i detta fall är 233 ohm. I motsats till den vanliga uppfattningen om fiberoptiska system är denna kretslösning enkel att implementera.

Med industritransceivern AFBR-5987 går det även att implementera Fast Ethernet över POF- och HCS-länkar. Detta är industrins första transceiver för Industrial Fast Ethernet (10/100) som har integrerade funktioner för digital övervakning och som dessutom uppfyller RoHS-kraven. Kretsen innehåller en 650 nm LED som sändare och en PIN-fotodiod som mottagare, och den klarar Fast Ethernet över 50 m (POF-länk) eller 100 m (HCS-länk). De elektriska ingångarna och utgångarna arbetar med differentiell LVPECL-signalering för att behålla dataintegriteten vid höga signalhastigheter. Det digitala övervakningsgränssnittet ger access i realtid till flera av transceiverns parametrar, som temperaturen, matningsspänningen och den optiska effekten, för att stödja diagnostik- och skyddsfunktioner.

Future Electronics' Engineering Resource Centre har utvecklat ett utvärderingskort som hjälper ingenjörerna att konfigurera AFBR-5987Z och integrera kretsen med de funktioner för styrning, protokollkonvertering och SERDES som krävs på den elektriska sidan av länken. Utvärderingskortet FutureBlox EEP051 implementerar korrekt terminering av den differentiella transceiverns I/O-portar, och utgör därmed en referensdesign som ger riktlinjer för en optimal layout. Kortet har konstruerats för att integreras med en 32-bits mikroprocessor, vilket gör att ingenjören snabbt kan utvärdera både transceivern och DMI-gränssnittet.