เหตุ ใด ระบบ อุตสาหกรรม จําเป็น ต้อง มี การ ติด ติด ติด ติด ติด ติด ติด

เมื่อวิศวกรคิดถึงใยแก้วนำแสง แบนด์วิธที่สูงขึ้นและระยะการส่งข้อมูลที่ยาวขึ้นมักเป็นข้อดีประการแรกที่นึกถึง อย่างไรก็ตาม ในระบบอุตสาหกรรม อาจไม่ใช่เหตุผลหลักในการใช้ไฟเบอร์ก็ได้

สัญญาณควบคุมอาจต้องเคลื่อนที่ภายในเครื่องจักร ระหว่างตู้ 2 ตู้ หรือจากตัวควบคุมไปยังขั้นตอนการแปลงพลังงานเพียงไม่กี่เมตร อัตราข้อมูลที่ต้องการอาจค่อนข้างเจียมเนื้อเจียมตัว แต่การเชื่อมโยงแบบออปติคอลยังคงให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญระดับระบบ กล่าวคือ ข้อมูลสามารถข้ามระหว่างโดเมนทางไฟฟ้าได้โดยไม่ต้องใช้ตัวกลางในการสื่อสารเพื่อสร้างเส้นทางไฟฟ้าที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าระหว่างโดเมนเหล่านั้น

ความแตกต่างดังกล่าวมีความสำคัญในสภาพแวดล้อมที่มีไดรฟ์ความถี่แปรผัน ระบบเซอร์โว ตัวแปลงกำลังสวิตชิ่ง คอนแทคเตอร์ มอเตอร์ขนาดใหญ่ อุปกรณ์กักเก็บพลังงาน และขั้นพลังงาน IGBT หรือ SiC แรงดันสูง ศักย์ภาคพื้นดินที่แตกต่างกัน การรบกวนในโหมดทั่วไป การสลับภาวะชั่วครู่ และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ล้วนทำให้การเชื่อมโยงการสื่อสารที่เชื่อมต่อด้วยไฟฟ้าทำได้ยากขึ้น

การทำความเข้าใจการแยกแสงทางอุตสาหกรรมจึงเริ่มต้นจากปัญหาทางวิศวกรรมขั้นพื้นฐาน: อุปกรณ์สองชิ้นอาจจำเป็นต้องแลกเปลี่ยนข้อมูลแม้ว่าจะไม่ได้ทำงานภายในสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าเดียวกันก็ตาม

การแยกแสงในระบบอุตสาหกรรมคืออะไร?

การแยกแสงในระบบอุตสาหกรรมคือการถ่ายโอนสัญญาณควบคุมหรือข้อมูลระหว่างโดเมนทางไฟฟ้าที่แยกจากกัน โดยไม่ต้องใช้เส้นทางสัญญาณที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าระหว่างโดเมนเหล่านั้น สัญญาณจะถูกแปลงจากรูปแบบไฟฟ้าเป็นแสง ส่งผ่านตัวกลางแสง และแปลงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ฝั่งรับ

จุดสำคัญไม่ใช่แค่ว่าสัญญาณกลายเป็นแสงเท่านั้น เส้นทางการสื่อสารไม่จำเป็นต้องเชื่อมต่ออุปกรณ์ปลายทางทั้งสองด้วยระบบไฟฟ้าอีกต่อไป

การเชื่อมโยงทางไฟฟ้าแบบธรรมดาปกติจะใช้ตัวนำระหว่างอุปกรณ์ สิ่งเหล่านี้อาจรวมถึงสายสัญญาณ ตัวนำอ้างอิง ชีลด์ หรือเส้นทางนำไฟฟ้าอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับระบบสื่อสาร ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอินเทอร์เฟซ หากอุปกรณ์ทั้งสองมีศักย์ไฟฟ้าต่างกัน สายไฟสื่อสารอาจกลายเป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางที่กระแสไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าที่ไม่ต้องการถูกถ่ายโอนไป

ลิงก์แบบออปติคัลจะเปลี่ยนความสัมพันธ์นั้น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้านหนึ่งขับเคลื่อนเครื่องส่งสัญญาณแบบออปติคัล แสงเดินทางผ่านเส้นใย ตัวรับแสงที่อีกด้านหนึ่งจะแปลงแสงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้า

เมื่อตัวเชื่อมไฟเบอร์ไม่มีเส้นทางนำไฟฟ้าข้ามขอบเขตการแยก ฝั่งอิเล็กทรอนิกส์ทั้งสองข้างไม่จำเป็นต้องแบ่งตัวนำสัญญาณหรือการอ้างอิงทางไฟฟ้าทั่วไปผ่านสื่อการส่ง

การแยกกัลวานิกกับการปรับสภาพสัญญาณ

การปรับสภาพสัญญาณและการแยกกระแสไฟฟ้าช่วยแก้ปัญหาที่แตกต่างกัน

การกรองสามารถลดส่วนประกอบความถี่ที่ไม่ต้องการได้ การส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลสามารถปรับปรุงการปฏิเสธสัญญาณรบกวนที่ปรากฏเหมือนกันบนตัวนำสัญญาณทั้งสอง การป้องกันสามารถลดการมีเพศสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ส่วนประกอบป้องกันไฟกระชากสามารถจำกัดความเครียดชั่วคราวได้

เทคนิคทั้งหมดนี้มีคุณค่า แต่ไม่ได้แยกโดเมนทางไฟฟ้าสองโดเมนออกโดยอัตโนมัติ

การแยกกัลวานิกหมายความว่ากระแสไฟฟ้าปกติไม่สามารถไหลผ่านแผงกั้นแยกได้โดยตรง ในขณะที่ข้อมูลหรือพลังงานถูกถ่ายโอนผ่านกลไกอื่น หม้อแปลง ออปโตคัปเปลอร์ ตัวแยกประจุ ตัวแยกแม่เหล็ก และการเชื่อมต่อใยแก้วนำแสงเป็นวิธีการสร้างขอบเขตที่แตกต่างกัน

การแยกออกจากกันไม่ได้เป็นเพียงฟังก์ชันด้านความปลอดภัยเท่านั้น

การแยกสัญญาณมักเกี่ยวข้องกับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าที่เป็นอันตราย แต่การสื่อสารทางอุตสาหกรรมมีเหตุผลอีกประการหนึ่งที่ควรใช้: ความสมบูรณ์ของสัญญาณ

วงจรสองวงจรสามารถทำงานได้ที่แรงดันไฟฟ้าค่อนข้างต่ำและยังคงมีความต่างศักย์กราวด์หรือสัญญาณรบกวนในโหมดทั่วไปเพียงพอที่จะสร้างปัญหาในการสื่อสาร

ดังนั้นการแยกทางอุตสาหกรรมจึงอาจใช้เพื่อแยกศักย์อ้างอิงที่เข้ากันไม่ได้ ขัดขวางเส้นทางกระแสกราวด์ที่ไม่ต้องการ ลดการแพร่กระจายของการรบกวนทางไฟฟ้าผ่านสายสื่อสาร หรือป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าต่ำจากภาวะไฟฟ้าชั่วครู่แรงดันสูง

ด้วยเหตุนี้ การแยกส่วนจึงมักเป็นส่วนหนึ่งของสถาปัตยกรรมการสื่อสาร แทนที่จะเป็นเพียงองค์ประกอบด้านความปลอดภัยที่เพิ่มเข้ามาในภายหลัง

เหตุใดระบบอุตสาหกรรมจึงพัฒนาความต่างศักย์ภาคพื้นดิน?

แผนผังทางไฟฟ้ามักแสดงกราวด์เป็นโหนดศูนย์โวลต์เพียงจุดเดียว การติดตั้งทางอุตสาหกรรมจริงมีความซับซ้อนมากกว่า

ตัวนำกราวด์มีความต้านทานและความเหนี่ยวนำ กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ เครือข่ายสายดิน โครงสร้างตู้ โครงเครื่องจักร และระบบจำหน่าย อุปกรณ์อาจได้รับพลังงานจากแหล่งจ่ายที่แตกต่างกันหรือติดตั้งให้ห่างจากกัน

ด้วยเหตุนี้ จุดสองจุดที่ระบุว่า "กราวด์" บนอุปกรณ์แต่ละชิ้นจึงไม่รับประกันว่าจะมีศักยภาพเท่ากันในทันทีทุกประการ

“พื้นดิน” ไม่ได้มีศักยภาพเหมือนกันทุกที่เสมอไป

พิจารณาการติดตั้งคอนโทรลเลอร์ในตู้หนึ่งและไดรฟ์ที่ติดตั้งในอีกตู้หนึ่ง

อุปกรณ์ทั้งสองอาจต่อสายดินอย่างถูกต้อง การอ้างอิงกราวด์ในพื้นที่อาจแตกต่างกันเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าตกตามตัวนำกราวด์ กระแสสูงที่ไหลผ่านอิมพีแดนซ์ที่ใช้ร่วมกัน ความแตกต่างในการกระจายกำลัง การสลับภาวะชั่วครู่ หรือการแยกทางกายภาพ

หากมีการเชื่อมต่อสายสื่อสารไฟฟ้าระหว่างระบบเหล่านี้ สายเคเบิลอาจกลายเป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางที่ความต่างศักย์พยายามทำให้เท่ากัน

ความต่างศักย์ไฟฟ้าของพื้นดินสร้างกราวด์ลูปอย่างไร

ความต่างศักย์กราวด์กลายเป็นกราวด์ลูปได้อย่างไร

กห่วงกราวด์สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อมีเส้นทางนำไฟฟ้ามากกว่าหนึ่งเส้นทางเชื่อมต่อจุดที่มีการต่อสายดินแต่ไม่ได้มีศักยภาพเท่ากัน

กระแสไฟฟ้าอาจไหลเวียนผ่านเส้นทางที่มีจุดประสงค์หลักสำหรับการอ้างอิงสัญญาณ การป้องกัน หรือการสื่อสาร แทนที่จะใช้กระแสไฟฟ้าที่เท่ากัน

กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะสร้างแรงดันไฟฟ้าตกเพิ่มเติมตามเส้นทางการสื่อสาร เครื่องรับจะไม่เห็นเฉพาะสัญญาณข้อมูลส่วนต่างที่ต้องการอีกต่อไป สัญญาณทั้งหมดอาจเปลี่ยนไปโดยสัมพันธ์กับการอ้างอิงภายในเครื่องของผู้รับ

นี่คือจุดที่ความต่างศักย์ภาคพื้นดินกลายเป็นปัญหาในโหมดทั่วไป

Ground Loops กลายเป็นปัญหาการสื่อสารได้อย่างไร

เครื่องรับไฟฟ้าทำงานภายในสภาพแวดล้อมโหมดร่วมที่จำกัด

หากความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างระบบที่เชื่อมต่อมากเกินไป หรือหากแรงดันไฟฟ้าในโหมดทั่วไปเปลี่ยนแปลงเร็วเกินไป ขอบสัญญาณที่มีอยู่อาจลดลง ข้อมูลอาจเสียหาย โครงสร้างการป้องกันอาจเริ่มดำเนินการ หรือส่วนประกอบอินเทอร์เฟซอาจประสบกับความเครียดทางไฟฟ้าเพิ่มเติม

ปัญหาเหล่านี้มักจะเกิดขึ้นเป็นระยะๆ

ลิงค์การสื่อสารอาจทำงานได้ในระหว่างการทดสอบการทำงาน แต่จะไม่เสถียรหลังจากเชื่อมต่ออุปกรณ์เพิ่มเติม อาจล้มเหลวเมื่อมอเตอร์ขนาดใหญ่สตาร์ทหรือเมื่ออินเวอร์เตอร์เข้าสู่สถานะการทำงานอื่น โปรโตคอลเองอาจทำงานอย่างถูกต้องในขณะที่ความสัมพันธ์ทางไฟฟ้าระหว่างจุดสิ้นสุดไม่ทำงาน

เหตุใด EMI จึงส่งผลต่อลิงก์การสื่อสารด้วยทองแดง

ความต่างศักย์กราวด์เป็นเพียงส่วนหนึ่งของสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าทางอุตสาหกรรม

โรงงานและระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังก็มีแหล่งที่แข็งแกร่งเช่นกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI). สายเคเบิลมอเตอร์นำกระแสที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว อินเวอร์เตอร์และตัวแปลงสวิตชิ่งจะสร้างการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่สูงชัน คอนแทคเตอร์และรีเลย์จะสลับโหลดอุปนัย ตัวนำกระแสไฟฟ้าสูงอาจทำงานใกล้กับสายไฟควบคุมระดับต่ำ

สายสื่อสารไฟฟ้าทำงานในสภาพแวดล้อมเดียวกันนี้

การรบกวนเข้าสู่ลิงค์ไฟฟ้าอย่างไร

สัญญาณรบกวนสามารถเข้าสู่ระบบสื่อสารที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้ผ่านกลไกต่างๆ

สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงสามารถกระตุ้นให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในวงจรตัวนำได้ สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงสามารถรวมพลังงานเข้ากับตัวนำที่อยู่ใกล้เคียงได้ สัญญาณรบกวนอาจเข้ามาผ่านกำลังไฟฟ้าที่ใช้ร่วมกันหรืออิมพีแดนซ์กราวด์

ระบบสื่อสารทางอุตสาหกรรมจึงอาศัยเทคนิคต่างๆ เช่น การส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล อิมพีแดนซ์แบบควบคุม การชีลด์ รูปแบบการต่อสายดิน การกรอง การป้องกันไฟกระชาก การกำหนดเส้นทางสายเคเบิล และการแยกกระแสไฟฟ้า

แต่ละคนจัดการปัญหาในส่วนที่แตกต่างกัน

การส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลช่วยได้ แต่ไม่ได้ถอดการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า

การสื่อสารแบบดิฟเฟอเรนเชียลถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย เนื่องจากเครื่องรับตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันระหว่างตัวนำไฟฟ้าสองตัวเป็นหลัก แทนที่จะตอบสนองต่อตัวนำตัวใดตัวหนึ่งทีละตัว

หากการรบกวนเดียวกันปรากฏเท่ากันบนทั้งสองสาย ส่วนใหญ่สามารถถูกปฏิเสธได้

อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ เสียงไม่ค่อยมีความสมดุลอย่างสมบูรณ์แบบ รูปทรงของสายเคเบิล การชีลด์ การสิ้นสุด ความถี่ การต่อสายดิน คุณภาพการติดตั้ง และความสามารถในโหมดทั่วไปของตัวรับ ล้วนส่งผลต่อผลลัพธ์

ที่สำคัญกว่านั้น การส่งสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลไม่ได้กำจัดเส้นทางนำไฟฟ้าระหว่างโดเมนทางไฟฟ้าด้วยตัวมันเอง

ข้อต่อทองแดงที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีสามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในระบบอุตสาหกรรม คำถามในการออกแบบที่แท้จริงคือแอปพลิเคชันจะได้รับประโยชน์จากการรักษาโดเมนทางไฟฟ้าทั้งสองที่เชื่อมต่อกันทางกายภาพหรือไม่

เหตุใดไฟเบอร์จึงจัดให้มีการแยกทางไฟฟ้าที่ชั้นกายภาพ

ไฟเบอร์เปลี่ยนปัญหาการสื่อสารเนื่องจากข้อมูลไม่จำเป็นต้องข้ามขอบเขตเช่นกระแสไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าอีกต่อไป

การเชื่อมต่อแบบออปติคอลทางอุตสาหกรรมทั่วไปมีลำดับง่ายๆ ดังนี้:

สัญญาณไฟฟ้า → ตัวส่งสัญญาณแสง → ไฟเบอร์ → ตัวรับแสง → สัญญาณไฟฟ้า

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังคงอยู่ที่ปลายทั้งสองข้าง แต่ตัวกลางในการส่งจะพาแสงมากกว่าสัญญาณไฟฟ้า

เหตุใดทองแดงจึงมีการรบกวนทางไฟฟ้าในขณะที่ไฟเบอร์ทำลายเส้นทางนำไฟฟ้า

ทั้งสองฝ่ายไม่จำเป็นต้องแบ่งปันกราวด์สัญญาณผ่านไฟเบอร์

สมมติว่าตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าต่ำส่งคำสั่งไปยังอุปกรณ์ที่ทำงานในโดเมนไฟฟ้าอื่น

ด้วยการเชื่อมต่อทองแดงโดยตรง ทั้งสองระบบจะเชื่อมโยงกันทางไฟฟ้าผ่านการเดินสายสื่อสาร

ด้วยเส้นทางแสงที่ไม่นำไฟฟ้าโดยสมบูรณ์ จะไม่มีตัวนำสัญญาณที่เป็นโลหะซึ่งกระแสไฟฟ้าปรับสมดุลกราวด์สามารถไหลจากจุดสิ้นสุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งได้

ข้อมูลข้ามขอบเขต แต่ศักย์ไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องเป็นไปตามนั้น

นี่เป็นแนวทางที่แตกต่างโดยพื้นฐานจากการเพิ่มความทนทานต่อสัญญาณรบกวนของเครื่องรับไฟฟ้า

เหตุใด EMI จึงไม่เชื่อมต่อกับสัญญาณแสงในลักษณะเดียวกัน

ตัวนำทองแดงรองรับกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นสนามไฟฟ้าและแม่เหล็กภายนอกจึงสามารถโต้ตอบกับวงจรสื่อสารได้โดยตรง

สัญญาณแสงภายในเส้นใยอิเล็กทริกจะแตกต่างกัน ไม่มีตัวนำสัญญาณไฟฟ้าวิ่งไปตามเส้นใยเพื่อให้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกขับเคลื่อนในลักษณะเดียวกัน

นี่คือเหตุผลว่าทำไมใยแก้วนำแสงจึงมีคุณค่าสูงในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่มีเสียงดังทางไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม ไม่ควรกล่าวถึงความแตกต่างมากเกินไป PCB ตัวส่งสัญญาณ, PCB ตัวรับ, แหล่งจ่ายไฟในพื้นที่, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของตัวเชื่อมต่อ และวงจรโดยรอบยังคงเป็นระบบอิเล็กทรอนิกส์ การต่อสายดินไม่ดี ความสมบูรณ์ของพลังงานที่อ่อนแอ การป้องกันชั่วคราวที่ไม่เพียงพอ หรือโครงร่าง PCB ที่ไม่ดี ยังสามารถทำให้เกิดความล้มเหลวได้

ไฟเบอร์จะลบการเชื่อมต่อที่สำคัญและเส้นทางปัจจุบันออก ไม่ได้ขจัดความจำเป็นในการออกแบบ EMC ที่เหมาะสมที่จุดสิ้นสุด

การแยกไฟเบอร์กับตัวแยกไฟฟ้า: ไฟเบอร์จะเพิ่มมูลค่าเมื่อใด

ใยแก้วนำแสงไม่ใช่วิธีเดียวที่จะสร้างการแยกกระแสไฟฟ้า

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรมยังใช้ออปโตคัปเปลอร์ ตัวแยกประจุ ตัวแยกแม่เหล็ก หม้อแปลงแยก และเทคโนโลยีอื่นๆ สิ่งเหล่านี้สามารถให้การแยกสัญญาณที่มีประสิทธิภาพสูงในขณะที่รักษาสัญญาณทั้งหมดไว้บน PCB หรือภายในอินเทอร์เฟซทางไฟฟ้า

การเปรียบเทียบที่เป็นประโยชน์จึงไม่ใช่ว่าไฟเบอร์ "ดีกว่า" มากกว่าตัวแยกไฟฟ้าทุกตัวหรือไม่

คำถามที่สำคัญกว่านั้นคือขอบเขตการแยกตัวจะต้องอยู่ที่ใด

การแยกระดับบอร์ดเทียบกับการแยกไฟเบอร์ระดับโดเมน

การแยกไฟฟ้าระดับบอร์ด

พิจารณาคอนโทรลเลอร์ PCB ที่มีไมโครคอนโทรลเลอร์และอินเทอร์เฟซการสื่อสารแบบแยกส่วน

ตัวแยกสัญญาณดิจิทัลอาจแยกโดเมนตัวควบคุมออกจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ฝั่งอินเทอร์เฟซ สายเคเบิลภายนอกยังคงเป็นระบบไฟฟ้า แต่สถาปัตยกรรมของบอร์ดจะป้องกันกระแสไม่ให้ข้ามแผงแยกเฉพาะภายในไปยังโดเมนตัวควบคุม

สำหรับหลายๆ แอปพลิเคชัน นี่เป็นโซลูชันที่เหมาะสมอย่างยิ่ง

เครื่องแยกกระแสไฟฟ้ามีขนาดกะทัดรัด รวดเร็ว คุ้มราคา และติดตั้งง่าย ไม่มีเหตุผลที่จะแทนที่ด้วยไฟเบอร์โดยอัตโนมัติ

การแยกระดับสายเคเบิลหรือระดับโดเมน

ไฟเบอร์มีความน่าสนใจมากขึ้นเมื่อขอบเขตการแยกที่ต้องการขยายออกไปเกิน PCB ในพื้นที่

เส้นทางการสื่อสารอาจวิ่งระหว่างตู้ ระหว่างเครื่องจักรที่แตกต่างกัน ระหว่างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมและส่วนไฟฟ้าแรงสูง หรือข้ามพื้นที่ที่มีความไม่แน่นอนของพื้นดินและมีสัญญาณรบกวนการสลับอย่างรุนแรง

ในสถานการณ์เหล่านี้ ตัวกลางในการส่งสัญญาณสามารถกลายเป็นส่วนหนึ่งของสถาปัตยกรรมการแยกได้

แทนที่จะแยกส่วนต่อประสานทางไฟฟ้าในขณะที่ยังคงเดินสายเคเบิลนำไฟฟ้าผ่านสิ่งแวดล้อม การเชื่อมต่อแบบไฟเบอร์สามารถรักษาการแยกทางไฟฟ้าตลอดระยะห่างทางกายภาพระหว่างจุดปลาย

สถาปัตยกรรมเหล่านี้แก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องแต่ต่างกัน ตัวเลือกที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับตำแหน่งของเส้นทางไฟฟ้าที่ไม่ต้องการ และระบบจำเป็นต้องตัดเส้นทางนั้น

เมื่อการแยกแสงมีความสำคัญในระบบอุตสาหกรรมจริง

หลักการทางไฟฟ้าเดียวกันนี้ปรากฏในการใช้งานทางอุตสาหกรรมหลายประเภท แม้ว่าอุปกรณ์จะดูแตกต่างกันมากก็ตาม

การแยกแสงในระบบไฟฟ้าแรงสูงทางอุตสาหกรรม

ไดรฟ์ความถี่ตัวแปรและไดรฟ์เซอร์โว

มอเตอร์ขับเคลื่อนผสมผสานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าต่ำเข้ากับระยะกำลังสวิตชิ่งกระแสสูงและรวดเร็ว

ตัวควบคุมอาจจัดการกับคำสั่ง ข้อมูลตำแหน่ง การวินิจฉัย หรือการป้อนกลับ ในขณะที่สเตจอินเวอร์เตอร์จะสลับแรงดันและกระแสจำนวนมากไปยังมอเตอร์

สายเคเบิลมอเตอร์และโหนดสวิตช์สามารถสร้างสภาพแวดล้อมทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ยากลำบาก ตู้ควบคุม อุปกรณ์ระยะไกล ตัวเข้ารหัส และระบบขับเคลื่อนอาจอยู่ที่ศักย์ไฟฟ้าของพื้นดินที่แตกต่างกันเล็กน้อย

การสื่อสารด้วยแสงอาจมีประโยชน์ในกรณีที่เส้นทางการควบคุมหรือป้อนกลับต้องข้ามขอบเขตเหล่านี้โดยไม่ขยายการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า

นี่ไม่ได้หมายความว่าไดรฟ์เซอร์โวหรือไดรฟ์ความถี่แปรผันทุกตัวต้องใช้ไฟเบอร์ สัญญาณภายในที่สั้นอาจได้รับการจัดการอย่างสมบูรณ์แบบด้วยการแยกทางไฟฟ้า ไฟเบอร์จะมีคุณค่ามากขึ้นเมื่อการแยกทางกายภาพและการแยกโดเมนทางไฟฟ้าเป็นส่วนหนึ่งของข้อกำหนด

สถาปัตยกรรม PCS และ BMS สำหรับเก็บพลังงาน

ระบบกักเก็บพลังงานประกอบด้วยโดเมนทางไฟฟ้าหลายโดเมน

วงจรตรวจสอบแบตเตอรี่ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการสื่อสาร ระบบควบคุม และขั้นตอนการแปลงพลังงานอาจทำงานที่ศักยภาพที่แตกต่างกันมาก ส่วนเหล่านี้ยังคงจำเป็นต้องแลกเปลี่ยนข้อมูลในขณะเดียวกันก็ป้องกันความเครียดทางไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ไม่ให้แพร่กระจายระหว่างกันอย่างอิสระ

การแยกกัลวานิกจึงเป็นส่วนสำคัญของสถาปัตยกรรมระบบ

ไฟเบอร์จะมีประโยชน์ในกรณีที่การสื่อสารข้ามขอบเขตทางไฟฟ้าที่มีการแยกทางกายภาพหรือมีเสียงรบกวนเป็นพิเศษ ไม่ควรถือเป็นข้อบังคับสำหรับการเชื่อมต่อ PCS หรือ BMS ทุกรายการ วิธีการที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับโทโพโลยีของระบบ แรงดันไฟฟ้า ระยะทาง แบนด์วิธ ข้อกำหนดด้านความปลอดภัย และต้นทุน

ระบบ IGBT และ SiC Gate-Driver

ระบบเกตไดรเวอร์แสดงให้เห็นปัญหาการแยกส่วนอย่างชัดเจนเป็นพิเศษ

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าต่ำจะต้องแจ้งให้ทรานซิสเตอร์กำลังเปลี่ยนเมื่อใด ในขณะที่ทรานซิสเตอร์อาจอยู่บนโหนดสวิตช์ซึ่งอาจมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วโดยสัมพันธ์กับกราวด์ของตัวควบคุม

ด้วย IGBT, SiC MOSFET และอุปกรณ์กำลังเร็วอื่นๆ แผงกั้นการแยกจะต้องถ่ายโอนสัญญาณควบคุมที่ถูกต้องต่อไปในขณะที่แรงดันไฟฟ้าระหว่างโดเมนทางไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

นี่คือที่ภูมิคุ้มกันชั่วคราวโหมดทั่วไป (CMTI)กลายเป็นเรื่องสำคัญ CMTI อธิบายความสามารถของอุปกรณ์ที่แยกเดี่ยวในการรักษาพฤติกรรมของสัญญาณที่ถูกต้องในระหว่างการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าในโหมดร่วมอย่างรวดเร็ว

เส้นทางการควบคุมด้วยแสงเข้าถึงปัญหาเดียวกันจากทิศทางอื่น. ส่วนหนึ่งของเส้นทางการสื่อสารสามารถถือเป็นแสงแทนที่จะเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ทอดข้ามทั้งสองโดเมน

ระบบที่สมบูรณ์ยังคงต้องการกำลังแยกที่เหมาะสม การคืบคลานและการกวาดล้างที่เหมาะสม การป้องกันสวิตช์ การออกแบบ PCB และการควบคุม EMC ไฟเบอร์ระบุเส้นทางการสื่อสาร ไม่ใช่ทุกข้อกำหนดในการแยกส่วนในระยะพลังงาน

POF มีบทบาทอย่างไรในลิงค์แยกทางอุตสาหกรรมระยะสั้น

ไม่ใช่ทุกลิงค์ออปติกอุตสาหกรรมต้องใช้ไฟเบอร์โทรคมนาคมระยะไกล

ภายในเครื่องจักร ตู้ ระบบขับเคลื่อน ระบบอัตโนมัติ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ระยะทางที่ต้องการอาจเป็นเพียงหลายเมตรหรือหลายสิบเมตรในช่วงนี้ใยแก้วนำแสงพลาสติก (POF)สามารถให้การผสมผสานที่เป็นประโยชน์ของการแยกทางไฟฟ้าและลักษณะการติดตั้งที่ใช้งานได้จริง

เหตุใด POF จึงสามารถใส่ลิงก์ระดับเครื่องจักรแบบสั้นได้

POF อุตสาหกรรมทั่วไปใช้แกนแสงที่ค่อนข้างใหญ่เมื่อเทียบกับไฟเบอร์โทรคมนาคมทั่วไป

สิ่งนี้สามารถทำให้การจัดตำแหน่งและการสิ้นสุดด้วยแสงมีความต้องการน้อยลง ซึ่งมีประโยชน์ในการเชื่อมโยงระดับเครื่องจักรซึ่งการใช้งานจริงในการติดตั้ง การบริการ และการจัดการตัวเชื่อมต่ออาจมีความสำคัญมากกว่าระยะการส่งสัญญาณที่ยาว

POF ยังมีความยืดหยุ่นและมีน้ำหนักเบา

โครงสร้างสายเคเบิลที่สมบูรณ์ยังคงมีความสำคัญ วัสดุแจ็คเก็ต การเสริมแรงทางกล ความสามารถด้านอุณหภูมิ พฤติกรรมของเปลวไฟ ความต้านทานแรงดึง ประสิทธิภาพการโค้งงอ และความต้านทานต่อการเคลื่อนไหวซ้ำๆ จะเป็นตัวกำหนดว่าสายเคเบิลนั้นเหมาะสมกับสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมโดยเฉพาะหรือไม่

ด้วยเหตุนี้ การเชื่อมต่อ POF ทางอุตสาหกรรมจึงควรได้รับการประเมินว่าเป็นระบบเคเบิลและตัวเชื่อมต่อที่สมบูรณ์ แทนที่จะใช้เฉพาะวัสดุใยแก้วนำแสงเท่านั้น

ลิงก์การแยก POF ทั่วไป

ลิงค์ออปติคัลอุตสาหกรรมแบบสั้นสามารถแสดงเป็น:

คอนโทรลเลอร์อิเล็กทรอนิกส์
→ เครื่องส่งสัญญาณแสง
→ สายเคเบิล POF
→ ตัวรับแสง
→ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้านแยก

                                           สถาปัตยกรรมลิงค์แยก POF ระยะสั้น

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ปลายทั้งสองข้างยังต้องใช้ไฟจากท้องถิ่น

ประโยชน์ของการแยกส่วนมาจากการไม่มีเส้นทางการสื่อสารที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าระหว่างสองโดเมน

ลิงก์ประเภทนี้สามารถนำคำสั่งควบคุม ข้อมูลสถานะ ข้อมูลซีเรียล หรือสัญญาณทางอุตสาหกรรมระยะสั้นอื่นๆ ขึ้นอยู่กับตัวรับส่งสัญญาณและสถาปัตยกรรมอินเทอร์เฟซที่เลือก

เหตุใดระยะทางสั้น ๆ ไม่ได้หมายความว่ามีมูลค่าต่ำ

ง่ายต่อการประเมินใยแก้วนำแสงตามระยะการส่งสัญญาณเป็นหลัก

จากมุมมองดังกล่าว การใช้ไฟเบอร์สำหรับการเชื่อมต่อระยะสั้นอาจดูเหมือนไม่จำเป็น เมื่อทองแดงสามารถส่งข้อมูลที่ต้องการในระยะทางเดียวกันได้อย่างง่ายดาย

แต่ระยะทางอาจไม่ใช่ปัญหาทางวิศวกรรมที่แท้จริง

หากไม่กี่เมตรเหล่านั้นข้ามโดเมนกราวด์ที่แตกต่างกัน ผ่านไปข้างอินเวอร์เตอร์กำลังสูง เชื่อมต่อตู้ควบคุมกับสเตจสวิตช์ หรือสร้างเส้นทางกระแสที่ไม่ต้องการระหว่างชิ้นส่วนต่างๆ ของอุปกรณ์ ค่าของการเชื่อมต่อแบบออปติกจะมาจากการแยกทางไฟฟ้ามากกว่าการเข้าถึง

การเชื่อมต่อแบบออปติคัลแบบสั้นจึงสามารถแก้ปัญหาระดับระบบซึ่งแทบไม่เกี่ยวข้องกับระยะการส่งข้อมูลสูงสุด

POF ไม่ใช่ตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับออปติคอลลิงก์ทุกอัน

POF ยังมีขอบเขตที่ชัดเจน

ระยะทางที่ไกลกว่า อัตราข้อมูลที่สูงกว่า ข้อกำหนดการสูญเสียการมองเห็นที่เข้มงวดมากขึ้น อุณหภูมิที่สูงขึ้น การสัมผัสกับสิ่งแวดล้อม สถาปัตยกรรมของตัวเชื่อมต่อ และระยะขอบการเชื่อมโยงระบบ อาจสนับสนุนสื่อออพติคอลอื่นๆ เช่น ซิลิกาที่หุ้มแข็ง ซิลิกาที่หุ้มโพลีเมอร์ หรือใยแก้วทั่วไป

การตัดสินใจควรเริ่มต้นด้วยข้อกำหนดการใช้งานมากกว่าการเลือกใช้ไฟเบอร์ประเภทเดียว

สำหรับการเชื่อมต่อการแยกระดับเครื่องจักรแบบสั้น POF สามารถใช้งานได้จริงมาก สำหรับแกนหลักทางอุตสาหกรรมที่มีขนาดยาวหรือการเชื่อมต่อความเร็วสูงมาก สื่อออปติคอลอื่นอาจมีความเหมาะสมมากกว่า

วิธีตัดสินใจว่าการเชื่อมต่อทางอุตสาหกรรมจำเป็นต้องมีการแยกแสงหรือไม่

การตัดสินใจควรเริ่มต้นด้วยขอบเขตทางไฟฟ้า ไม่ใช่วัสดุของสายเคเบิล

ขั้นแรก ให้พิจารณาว่าปลายทางทั้งสองมีศักยภาพในการอ้างอิงที่เสถียรเหมือนกันหรือไม่ อุปกรณ์ที่จ่ายไฟจากแหล่งจ่ายที่แตกต่างกัน ติดตั้งในตู้ต่างกัน หรือเชื่อมต่อกับจุดกราวด์ที่แตกต่างกันอาจไม่ทำงาน

ต่อไป ให้ตรวจสอบสภาพแวดล้อมที่มีเสียงรบกวน มอเตอร์ไดรฟ์ คอนแทคเตอร์ โหนดสวิตชิ่งอินเวอร์เตอร์ สายเคเบิลกระแสไฟสูง ตัวแปลง DC/DC โมดูล IGBT ระยะกำลัง SiC และโหลดแบบเหนี่ยวนำ ล้วนแต่เพิ่มความเครียดในการเชื่อมต่อการสื่อสารทางไฟฟ้าได้

ตำแหน่งทางกายภาพของขอบเขตการแยกก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน หากปัญหาเกิดขึ้นเฉพาะในขอบเขตเล็กๆ ของ PCB ตัวแยกสัญญาณดิจิทัลหรือออปโตคัปเปลอร์อาจเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ง่ายที่สุด หากเส้นทางการสื่อสารข้ามตู้ เครื่องจักร โซนไฟฟ้าแรงสูง หรือโดเมนกราวด์ที่ไม่แน่นอน การย้ายขอบเขตการแยกไปยังตัวกลางการส่งสัญญาณสามารถให้มูลค่าเพิ่มเติมได้

ข้อกำหนดด้านการสื่อสารจะต้องได้รับการพิจารณาควบคู่ไปกับการแยกตัว อัตราข้อมูล เวลาแฝง ระยะการเชื่อมต่อ อุณหภูมิ การเคลื่อนที่ของสายเคเบิล ข้อกำหนดการโค้งงอ ความทนทานของตัวเชื่อมต่อ วิธีการบำรุงรักษา งบประมาณพลังงานแสง และพฤติกรรมความล้มเหลว ล้วนส่งผลต่อสถาปัตยกรรมขั้นสุดท้าย

ดังนั้นตัวเลือกจึงไม่ใช่แค่ทองแดงกับไฟเบอร์เท่านั้น เป็นการตัดสินใจระหว่างการสื่อสารทางไฟฟ้าโดยตรง การสื่อสารด้วยทองแดงที่แยกทางไฟฟ้า POF, HCS/PCS หรือใยแก้ว โดยขึ้นอยู่กับขอบเขตทางไฟฟ้าและการสื่อสารที่เกิดขึ้นจริง

หลักการทางวิศวกรรมที่สำคัญ: แยกโดเมนทางไฟฟ้าเมื่อต้องใช้ลิงก์

เส้นใยอุตสาหกรรมไม่ควรเข้าใจว่าเป็นทองแดงที่เร็วกว่าเท่านั้น

ในระบบควบคุมหลายๆ ระบบ คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของมันนั้นเป็นพื้นฐานมากกว่า:แสงสามารถนำข้อมูลระหว่างสถานที่ต่างๆ โดยไม่ต้องมีการเชื่อมต่อสถานที่เหล่านั้นทางไฟฟ้าผ่านสื่อการสื่อสาร

นั่นสำคัญเมื่อศักยภาพของพื้นดินแตกต่างกัน เป็นเรื่องสำคัญเมื่อกระแสไฟฟ้าที่ไม่ต้องการไหลเวียนผ่านสายสื่อสาร สิ่งสำคัญคือเมื่อการสลับกำลังสูงสร้างสภาวะโหมดทั่วไปและ EMI ที่ยากลำบาก นอกจากนี้ยังมีความสำคัญเมื่อตัวควบคุมต้องสื่อสารข้ามขอบเขตไฟฟ้าแรงสูงทางกายภาพ

ตัวแยกไฟฟ้า อินเทอร์เฟซแบบดิฟเฟอเรนเชียล การป้องกัน การกรอง การป้องกันไฟกระชาก และการลงกราวด์อย่างระมัดระวัง ยังคงเป็นเครื่องมือทางวิศวกรรมที่สำคัญ ไฟเบอร์ไม่สามารถทดแทนได้ในระดับสากล

มันมีตัวเลือกทางสถาปัตยกรรมอีกทางหนึ่ง: ลบเส้นทางสัญญาณที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าทั้งหมด

สำหรับระบบทางไกลหรือแบนด์วิดธ์สูง ที่อาจมาพร้อมกับข้อดีการส่งสัญญาณที่คุ้นเคยของใยแก้วนำแสง สำหรับการเชื่อมโยงทางอุตสาหกรรมระยะสั้น ประโยชน์หลักอาจจะง่ายกว่ามาก:

สัญญาณข้ามเขตแดน ในขณะที่กราวด์ไม่ข้าม

คำถามที่พบบ่อย

• เหตุใดจึงใช้การแยกแสงในระบบอุตสาหกรรม?

การแยกแสงช่วยให้ข้อมูลหรือสัญญาณควบคุมข้ามระหว่างโดเมนทางไฟฟ้าโดยไม่ต้องใช้เส้นทางการสื่อสารที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าระหว่างโดเมนเหล่านั้น ซึ่งสามารถช่วยขัดจังหวะเส้นทางกราวด์กราวด์ ลดผลกระทบของความต่างศักย์กราวด์ และป้องกันไม่ให้สายสื่อสารกลายเป็นการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างส่วนที่มีเสียงดังหรื