解析光纖信號傳輸系統應用于工業控制中的解決方案

摘 要：隨著光纖技術的成熟，電子產業的不斷發展，光纖信號傳輸系統在工業控制中得到廣泛應用。文章對光纖進行簡要說明，架構光纖傳輸網絡，設計了5公里的傳輸方案，并提出了選擇不同方案的原則，以提高整個光纖信號傳輸系統的使用壽命和傳輸性能。

關鍵詞：光纖；傳輸系統；工業控制

1 光纖概述

上世界六十年代，美國科學家發明世界第一臺激光器，光纖第一次進入通信領域，隨后對光纖進行不斷的研究，進入了飛速發展階段，主要優點包括：損耗低，指相對于電纜，同比程度下損耗比電纜小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頻段高出一百多萬倍；重量輕，指相對于其他傳輸介質，更小的體積可以傳輸更大的信息量；抗干擾能力強，指傳光不導電，不受電磁場的影響，保密性能高；保真度高以及成本不斷下降。

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

2 光纖傳輸網絡的架構

簡單的光傳輸網絡包括光源、光檢測器以及光纖。其中光源一般指二極管（LED或LD），傳輸的原理及路徑為：電信號→光信號→光纖傳輸→光信號→電信號。光纖傳輸網絡有自身的很多優點：不產生電磁也不受電磁干擾影響，保證了周圍電氣設備的安全，也使自身傳輸介質的功能不受其他電氣設備的影響；適合于數據傳送。但是光纖的分節較為困難，損耗較大，在實際應用中使用的拓撲網絡是解決這一問題的措施之一。

3 光纖信號傳輸系統應用于工業控制中的解決方案

在工業控制中一般要傳輸的是模擬信號，因此設計最基本的3種傳輸方案進行對比分析：第一種是通過光端機直接傳輸模擬信號；第二種是采用電信號→光信號→光纖傳輸→光信號→電信號的原理進行傳送；第三種是在通過光隔離器來進行傳輸信號。

3.1 方案一

以5公里左右的傳輸距離作為本次設計的傳輸距離，通過光端機直接傳輸模擬信號傳輸的頻率定為1MHz，通過分析發現，這個頻率值可以通過光端機來進行傳輸，費用計算如下表：

通過上表可知，采用第一種解決方案總費用約6000元。通過光端機直接傳輸模擬信號的優點是網絡構建較為簡單，成本低。同時，這種傳輸方式有著自身難以克服的缺點：傳輸的質量受溫度的影響很大，在進行多種信號傳輸的時候，發生相互干擾，影響傳輸效率，還有不穩定現象發生，這種解決方法較適用于信號較少，溫度變化不大地區使用。

3.2 方案二

第二種方案采用電信號→光信號→光纖傳輸→光信號→電信號的原理進行傳送，不再用模擬信號傳輸，傳輸方式是將模擬信號轉換成數字信號傳輸。

使用的傳輸設備主要為數字光端機，其他的傳輸設備與第一種方案相同。傳輸網絡系統的架構與第一種方式相同，第二種方案能有效克服第一種方案傳輸信號相互干擾的弊端，可以同時傳輸4路以上的信號，性能良好的傳輸設備，可以同時傳輸幾百路信號。第二種方案與第一種方案從性能來看要明顯更高，傳輸保真度高，同時進行多路傳輸，環境溫度影響小，傳輸穩定的脖頸，從價格來看，第二種方案還需要增加逆流轉換器、AD轉換器等模塊，增加了實際安裝的工作量，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傳輸，傳輸方式是將模擬信號轉換成數字信號傳輸。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代替原有的數字光端機。光電隔離器傳輸原理是以光為媒介傳輸，對輸入、輸出信號有很好的隔離作用，同時具備受外界環境干擾度小、性能穩定、使用壽命長、無觸點、保真度高等優點，是目前工業控制信號傳輸中應用最廣泛的光電設備之一。

信號傳輸網路與第二種方案類似，需要增加逆流轉換器、AD轉換器等模塊，同時還需要根據實際傳輸情況，合理設計電路，包括轉換與逆轉換的全過程，加大了工作量。從工作原理看，第三種方案輸出信號不會影響輸入端，設計原理上更容易和邏輯電路配合使用，實用性能提高，輸入輸出端的相應時間縮短，一般只需要微秒甚至毫微秒。

第三種方案從成本來看，增加的光電隔離器需要2對，成本約800元左右，其他的設備如6芯多模光纖、逆流轉換器、AD轉換器等價格參考第一種方案，要增加轉換電路的設計及安裝，費用則根據實際情況而定。總體而言，第三種方案工作量及成本增加，性能最優。

以上三種方案，通過從性能、工作量及成本分析可以看出，各有優缺點，選用時要根據實際情況而定。可以通過以下原則進行選取：傳輸信號種類不超過4種，環境影響度不大，對傳輸信號的要求不高時，優先選擇第一種方案，因為成本較低，設計簡單，產品成熟，操作不復雜，易于掌握；如果傳輸信號路數多，對信號保真度要求高，環境影響很大時，優先選擇第二種方案，適合多路傳輸，保證傳輸性能的同時能夠有效節省成本；如果只是單向傳輸，環境影響較大，對信號保真度要求高，優先選擇第三種方案，傳輸性能較好，并能有效降低成本。

4 結束語

光纖信號傳輸系統是實現工業控制自動化的重要組成部分，為保證工業控制系統中信號的真實真確性，需要合理選擇信號傳輸方案。文中的三種方案是針對5公里的傳輸距離進行的設計，如傳輸距離很大，需要將光纖換成單模光纖，相對應的產品也要進行更換，由于增加光纖長度，總的成本會有所增加。