Wykorzystanie światła do komunikacji nie jest nowym pomysłem. Pomijając przekazywanie prostych sygnałów świetlnych, można wspomnieć o wynalezionym w 1880 r. przez Alexandra Grahama Bella i jego asystenta Charlesa Sumnera Taintera fotofonie – urządzeniu, które pozwalało na transmisję głosu dzięki wykorzystaniu wiązki światła. Pierwszą bezprzewodową telefoniczną wiadomość głosową w tym systemie przesłano na odległość ok. 213 metrów. Fotofon był prekursorem telekomunikacji optycznej na odległość za pomocą światła. Oczywiście dziś pokonaliśmy wiele ograniczeń, jakie stały przed tego typu transmisją danych pod koniec XIX w.

Rosnący rynek

W trudnych warunkach pracy, jakie spotykamy w przemyśle, technologia światłowodowa może być niezawodnym rozwiązaniem do transmisji danych. Zwłaszcza gdy stosuje się odpowiednio przygotowane do takiej pracy komponenty i moduły światłowodowe. Warto również zwrócić uwagę na szybko rozwijający się rynek komunikacji optycznej. Działające na nim przedsiębiorstwa inwestują w rozwój mocy produkcyjnych. Na przykład firma Corning w informacjach z 2017 r. podawała, że popyt na rynku przewyższa podaż i w ciągu dwóch lat planowała wydać 176 mln dolarów na budowę nowego zakładu produkującego światłowody oraz na rozbudowę istniejącego.

Podobne informacje dochodziły też od innych dostawców. Zgodnie z najnowszym raportem firmy Market Research Future (MRFR), opublikowanym w styczniu tego roku, przewiduje się, że światowy rynek kabli światłowodowych będzie od 2018 do 2025 r. rósł średnio o 11,18%. Jednak tylko za część tych wzrostów będzie odpowiadało zapotrzebowanie ze strony przemysłu. Jak się ocenia, rozwijające się branże lotnicza i motoryzacyjna zapewnią dalsze możliwości rozwoju tego rynku. Wśród głównych graczy analitycy MRFR wymieniają m.in. takie firmy jak: Hengtong, ZTT International, Nexans, Fiber Home, TongDing Group, Belden, SterliteTech, Futong, Corning, FOLAN czy Sumitomo Electric. Wiele z nich oferuje równocześnie rozwiązania przewodowe i bezprzewodowe, aby przyciągnąć większą liczbę użytkowników.

Możliwości transmisji optycznej

Można powiedzieć, że gwałtowny rozwój technologii optycznej transmisji danych nastąpił dzięki wykorzystaniu światłowodów. Bardzo dobrze zaspokaja ona rosnące zapotrzebowaniem na większą przepustowość i szybsze połączenia do różnorodnych zastosowań, w tym również w przemyśle.

Każdy system komunikacji składa się z dwu głównych elementów, czyli nadajnika i odbiornika. Nadajnik optyczny przekształca sygnał elektryczny na optyczny, a odbiornik optyczny ponownie zmienia go na sygnał elektryczny. Oba te elementy muszą się nawzajem „widzieć”. Można to zapewnić na różne sposoby, także poprzez wykorzystanie odbicia światła od różnych powierzchni (np. transmisja przez podczerwień) lub przez kabel światłowodowy. Obecnie najczęściej stosowanymi przetwornikami optycznymi są urządzenia półprzewodnikowe, takie jak diody LED (elektroluminescencyjne) i diody laserowe. Obserwujemy tu bardzo szybki rozwój technologii. Dotyczy to również kabli światłowodowych – na rynku jest bardzo duży wybór rozwiązań i produktów.

W najprostszym podziale wyróżnia się światłowody jedno- i wielomodowe. Nie wchodząc w szczegóły – zaletą światłowodów jednomodowych jest możliwość przesyłania danych na duże odległości przy ograniczonych zniekształceniach i tłumieniu sygnału. Natomiast światłowody wielomodowe przenoszą wiele tzw. modów (promieni) światła i bez wykorzystania dodatkowego wzmacniacza sygnału umożliwiają transmisje na mniejsze odległości.

Na rynku dostępnych jest kilka rodzajów wielomodowych włókien światłowodowych, odróżnianych głównie ze względu na średnicę rdzenia i płaszcza. Obecnie stosowane są cztery rodzaje włókien wielomodowych: OM1, OM2, OM3 i OM4. Różnią się one właściwościami związanymi z przesyłaniem sygnału optycznego, a w konsekwencji możliwościami dotyczącymi przepływności transmisji i odległością, na jaką może być prowadzona.

Zdecydowana większość obecnie używanych kabli światłowodowych zawiera światłowody szklane (GOF). Te z włóknami plastikowymi (POF) są mniej popularne.

To oczywiście tylko bardzo uproszczone podziały stosowane w tej technologii transmisji danych.

Wymogi i zalety technologii

W środowisku przemysłowym szczególne znaczenie ma odporność przewodów i kabli światłowodowych na zakłócenia elektromagnetyczne – światłowód ma bardzo niski wskaźnik błędu bitowego (10 EXP-13). Można więc powiedzieć, że przesył taki jest praktycznie wolny od zakłóceń. Daje również dużą gwarancję, że dane nie zostaną „podsłuchane”, nie ma bowiem sposobu, by z zewnątrz wykryć prowadzoną komunikację.

Choć transmisja światłowodowa przynosi wiele korzyści, to sieci takie są trudniejsze do zainstalowania ze względu na kłopotliwe łączenie światłowodów. Wykorzystując światło, można jednak przesyłać dane nie tylko za pomocą światłowodów, ale też bezprzewodowo. Transmisja taka realizowana jest w różnych pasmach promieniowania. Do połączeń na ograniczonych odległościach stosuje się łączność w paśmie podczerwieni.

Opracowano kilka standardów takiej łączności na małych odległościach – m.in. standard IrDA-D o dostępnych szybkościach transmisji danych od 115 kbps do 4 Mbps (w niektórych rozwiązaniach nawet do 16 Mbps) czy też AIR: standard umożliwiający uzyskanie połączenia wielodostępowego. Na transmisję danych w paśmie podczerwieni pozwala też standard transmisji IEEE 802.11 stosowany w systemach łączności radiowej Wi-Fi. Do bezprzewodowej komunikacji optycznej na większe odległości stosuje się technologię Free Space Optics (FSO), która wykorzystuje emisję światła w wolnej przestrzeni do przesyłania danych między dwoma punktami. Sprawdza się wtedy, gdy połączenie z wykorzystaniem kabli światłowodowych jest utrudnione i nie można też użyć pasma radiowego.

Działa na częstotliwościach bliskiej podczerwieni (750–1600 nm) i zwykle wykorzystuje nadajniki laserowe. W ocenie specjalistów bezpieczeństwo transmisji laserowej jest bardzo wysokie, a przechwycenie sygnału przez inne urządzenie prawie niemożliwe.

W wielu aplikacjach stosuje się bezprzewodową komunikację optyczną (OWC), w której wykorzystywane jest promieniowanie optyczne w zakresie podczerwieni  (IR), światła widzialnego lub ultrafioletowego (UV).

Technologie te pozwalają realizować łącza komunikacyjne nawet o bardzo dużej przepustowości. Dzięki rozwojowi detektorów półprzewodnikowych działających w zakresie widma UV (200–280 nm) wzrosło zainteresowanie komunikacją optyczną wykorzystującą niskonapięciowe promieniowanie UVC krótkiego zasięgu.

W praktyce

Na rynku dostępna jest bogata oferta kabli światłowodowych przeznaczonych do różnych zastosowań. Pozwala to na odpowiedni ich dobór praktycznie do każdego zastosowania. Stale też pojawiają się nowe produkty. Na przykład takie jak HITRONIC FIRE firmy Lapp Kabel. Jest to kabel światłowodowy dla automatyki o podwyższonej odporności na działanie ognia. Może być stosowany w instalacjach przeciwpożarowych w środowiskach przemysłowych. Przewody podczas pożaru zachowują swoje właściwości izolacyjne i mogą funkcjonować do 90 minut pod bezpośrednim działaniem płomieni. Umożliwiają przesyłanie danych w trakcie pożaru i po nim. Jak podaje producent, można je stosować w tunelach transportowych, zakładach obróbki metali i w innych obszarach zagrożonych pożarem. Dostępne są z różnymi typami włókien: OS2, OM1 do OM4.

W zakresie transmisji bezprzewodowej np. firma Sick oferuje system transmisji danych w podczerwieni typu ISD, który umożliwia komunikację bez okablowania. Jak podano, typowe zastosowania obejmują np. technikę magazynową i przenośnikową w systemach układnic, gdzie potrzebna jest bezprzewodowa komunikacja między pojazdem a stacjonarną częścią systemu. Optyczny system transmisji danych Sick składa się z optycznie skorelowanej pary nadajnika i odbiornika, które służą do dwukierunkowej komunikacji na duże odległości. Jest to nieulegająca zużyciu, niedroga alternatywa w stosunku do łączności z wykorzystaniem kabli. Przykładem takiego rozwiązania jest rodzina produktów ISD400 firmy wyposażona w interfejs PROFIBUS DP w wariancie ISD400 Core oraz bezprotokołowy interfejs Fast Ethernet w wariancie ISD400 Pro i łącze Fast Ethernet o prędkości transmisji do 100 Mbit/s, również w wariancie ISD400 Pro. Dostępny jest też wariant z grzałką do użytku w temperaturze do -40°C.

System optycznej transmisji danych oferuje także firma Pepperl+Fuchs, uznany na świecie producent systemów komunikacji optycznej znanych pod marką Visolux. Przesyłanie danych między dwoma stanowiskami odbywa się za pomocą wiązek podczerwieni modulowanych przez zegar. Dostępne są komunikatory optyczne z wieloma typowymi interfejsami stosowanymi w przemyśle. Transmisja danych odbywa się szeregowo lub w 8-bitowym trybie równoległym.

Z kolei w sondach firmy Renishaw przeznaczonych do obrabiarek zastosowano trzy podstawowe rodzaje transmisji: optyczne, radiowe i przewodowe. W systemach transmisji optycznej firmy wykorzystywane są promienie podczerwone do przesyłania informacji między sondą i interfejsem/sterownikiem.

Sonda odbiera sygnały sterownika obrabiarki i przesyła sygnały stanu. Podczas pracy nadaje do odbiornika informacje dotyczące sondy, w tym stan naładowania baterii. W systemach Renishaw wykorzystuje się się technologię modulowanej transmisji optycznej, aby redukować zakłócenia pochodzące ze źródeł zewnętrznych. Jak informuje producent, ponieważ systemy takie wymagają niezakłóconego pola widzenia pomiędzy sondą i odbiornikiem, nadają się one stosowania w małych lub średnich maszynach bez skomplikowanych zamocowań. Typowy zasięg transmisji to 6 metrów. Przykładem sondy tej firmy wykorzystującej łączność optyczną jest model OMP60 – kompaktowa trójwymiarowa sonda elektrostykowa z optyczną transmisją danych, przeznaczona do kontrolowania i bazowania przedmiotu obrabianego na średnich i dużych centrach obróbkowych. Jak podaje producent, pozwala ona na skrócenie czasów ustawiania do 90%, a także na redukcję braków i kosztów uchwytów. Zgodność ze wszystkimi odbiornikami optycznymi firmy Renishaw (tradycyjnymi i nowej generacji) pozwala na łatwe rozbudowanie istniejących instalacji.

Warto pamiętać, że łączność optyczna nie zawsze jest najlepszym rozwiązaniem, ponieważ systemy radiowe nie wymagają „pola widzenia”, jak to jest w przypadku systemów optycznych, co powoduje, że nadają się idealnie do stosowania na 5-osiowych centrach obróbkowych i dużych obrabiarkach ze złożonymi układami zamocowań.

Wysokie transfery, niskie zakłócenia

Optyczna transmisja danych może być dziś znakomitą odpowiedzą na potrzeby związane z koniecznością przesyłania dużej ilości informacji w zautomatyzowanych procesach produkcyjnych w różnych gałęziach przemysłu. Wymaga się, by komunikacja taka była niezawodna i szybka. A także by działała na duże odległości i w obrębie rozległych instalacji. Dostępne technologie optycznej transmisji danych spełniają te warunki – jako jedyne w zasadzie systemy mogą zaoferować odpowiednio wysokie transfery danych przy bardzo niskim poziomie zakłóceń.

Sprawnie działająca sieć ma dziś coraz większy wpływ na ciągłość pracy zakładu i pozwala uniknąć kosztownych przerw w produkcji. Wiele wskazuje na to, że w dzisiejszym świecie większość transmisji danych będzie się odbywać z wykorzystaniem sieci światłowodowych. Nie dziwi więc nie tak dawno podawana informacja, że rząd Egiptu zamierza do 2020 r. zastąpić 95% kabli miedzianych włóknami światłowodowymi, aby zwiększyć prędkość internetu w kraju.