Qu'est-ce qu'un émetteur-récepteur fibre optique industriel ? Guide pratique des liaisons optiques industrielles

Les équipements industriels fonctionnent souvent dans des environnements où les interférences électromagnétiques, les différences de potentiel électrique, les vibrations, les variations de température et l'espace d'installation limité peuvent affecter la fiabilité de la communication.

Les fibres optiques sont largement utilisées dans ces situations car elles fournissent un chemin de signal non conducteur et sont naturellement résistantes aux interférences électromagnétiques.

Un transceiver optique industriel convertit les signaux électriques en signaux optiques pour la transmission par fibre et reconvertit les signaux optiques reçus en signaux électriques. Cependant, le transceiver lui-même n'est qu'une partie du système.

Une liaison optique industrielle fiable dépend également du type de fibre, de la construction du câble, de l'interface du connecteur, de la qualité de la terminaison, de la marge de puissance optique et de l'environnement d'installation.

Ceci est particulièrement important dans les applications industrielles où le câble peut devoir résister à la flexion, aux vibrations, aux changements de température, aux contraintes mécaniques ou à un fonctionnement répété sur de longues périodes.

Un transceiver optique industriel fournit l'interface entre l'équipement électrique et une liaison par fibre optique.

Sa fonction de base peut être représentée comme suit :

Selon la conception de l'équipement, l'émetteur et le récepteur peuvent être des composants optiques séparés ou intégrés dans un module de communication.

Ces liaisons optiques sont couramment utilisées à l'intérieur des machines, entre les contrôleurs et les variateurs, entre différentes sections des équipements de puissance, ou partout où la communication doit traverser une frontière électriquement isolée.

Le terme peut couvrir de nombreux types d'interfaces optiques industrielles. Il ne se réfère pas uniquement aux modules SFP ou QSFP utilisés dans les commutateurs Ethernet et les centres de données.

L'une des principales raisons est l'interférence électromagnétique.

Les systèmes industriels contiennent souvent des moteurs, des servomoteurs, des variateurs, des convertisseurs, des alimentations à découpage, des transformateurs et d'autres équipements électriques de haute puissance. Les câbles de signal en cuivre fonctionnant à proximité de ces appareils peuvent être affectés par le bruit électrique.

La fibre optique transporte l'information à l'aide de la lumière plutôt que d'un courant électrique, de sorte que la fibre elle-même n'est pas affectée par les interférences électromagnétiques de la même manière.

La fibre fournit également une isolation électrique car elle est non conductrice. Cela permet aux signaux de passer entre différentes parties d'un système sans créer de chemin électrique conducteur.

Cette caractéristique est particulièrement utile dans l'électronique de puissance, le contrôle haute tension, le stockage d'énergie, les systèmes d'asservissement et l'automatisation industrielle.

Lorsqu'une liaison fibre industrielle devient instable, le transceiver est souvent l'un des premiers composants à être vérifié.

Mais le remplacement du transceiver ne résout pas toujours le problème.

Une liaison optique complète peut inclure l'émetteur, le récepteur, la fibre, la structure de protection du câble, les connecteurs, la terminaison, les faces d'extrémité de la fibre, les adaptateurs et le routage réel du câble à l'intérieur de l'équipement.

N'importe lequel de ces éléments peut affecter les performances optiques.

Par exemple, l'émetteur peut fournir une puissance optique suffisante, mais le système peut toujours rencontrer des problèmes de communication si la mauvaise fibre est utilisée, si le câble est plié trop serré, si la terminaison du connecteur est médiocre, ou si la perte optique totale devient trop élevée.

C'est pourquoi la communication optique industrielle doit être évaluée comme une liaison complète plutôt que comme une collection de composants indépendants.

Les systèmes de transceivers industriels peuvent utiliser soit de la fibre optique plastique (POF) soit de la fibre optique verre (GOF).

Le choix correct dépend de l'interface de l'équipement et de l'application.

Aucune technologie n'est automatiquement meilleure.

La fibre de verre est généralement préférée lorsque une faible atténuation, une plus longue distance ou une bande passante plus élevée est requise.

La POF, en revanche, peut être particulièrement pratique pour la communication industrielle courte distance où l'isolation électrique, le routage flexible, la terminaison relativement simple et la manipulation mécanique sont importants.

De nombreux systèmes POF industriels courte distance utilisent de la fibre optique plastique à cœur de 1 mm, bien que la spécification exacte doive toujours correspondre à l'interface optique.

Une liaison typique peut ressembler à ceci :

Ce type de communication se retrouve dans les systèmes d'asservissement, l'automatisation industrielle, les variateurs, l'électronique de puissance, les systèmes de stockage d'énergie et d'autres applications de contrôle électriquement isolées.

Dans ces environnements, choisir la bonne fibre est important, mais ce n'est pas suffisant.

L'assemblage de câble fini doit également survivre aux conditions mécaniques et environnementales réelles à l'intérieur de l'équipement.

La fibre transporte le signal optique, mais la construction du câble détermine la façon dont la fibre survit à l'application.

Ceci est particulièrement important pour la POF industrielle.

Une fibre nue peut répondre à tous les paramètres optiques requis dans des conditions de laboratoire. Une fois installée à l'intérieur d'un système d'asservissement, d'un variateur, d'une armoire de commande ou d'une unité de stockage d'énergie, elle peut être exposée à la flexion, à la traction, à l'abrasion, aux vibrations, aux variations de température ou à un espace de routage limité.

La gaine de protection et la structure du câble permettent à la fibre de fonctionner de manière fiable dans ces conditions.

Différentes applications peuvent donc nécessiter différents :

• matériaux de gaine,

• diamètres de câble,

• structures de renforcement,

• indices de température,

• propriétés de traction,

• performances de flexion,

• et résistance à l'abrasion.

Deux assemblages de câbles contenant le même type de fibre optique peuvent se comporter très différemment en service si leurs structures de protection sont différentes.

Pour les applications industrielles, la fibre optique doit donc être sélectionnée conjointement avec la structure du câble plutôt que séparément.

Les gaines de câble sont parfois considérées comme une spécification secondaire car elles ne transmettent pas directement le signal optique.

Dans les applications industrielles, cependant, le matériau de la gaine peut fortement influencer la fiabilité à long terme.

Un câble installé près d'un composant générant de la chaleur peut nécessiter une résistance à la température plus élevée. Un câble acheminé à travers des machines en mouvement peut nécessiter une meilleure flexibilité et de meilleures performances de flexion. D'autres installations peuvent nécessiter une résistance améliorée à l'abrasion, à l'huile, aux produits chimiques ou aux contraintes de traction.

Pour cette raison, la sélection de la gaine doit être basée sur l'environnement d'exploitation plutôt que simplement sur la couleur du câble ou le diamètre extérieur.

Ceci est particulièrement pertinent pour les assemblages POF industriels, où la même fibre optique peut être traitée en différentes constructions de câbles pour différentes conditions d'exploitation.

Une autre erreur courante consiste à identifier un câble de remplacement uniquement par son connecteur.

Deux câbles peuvent utiliser des connecteurs qui semblent identiques et se comporter différemment.

L'interface optique dépend également de facteurs tels que :

• le matériau de la fibre,

• le diamètre de la fibre,

• l'ouverture numérique,

• la longueur d'onde de fonctionnement,

• la géométrie du connecteur,

• l'alignement de la fibre,

• et la qualité de la terminaison.

Pour les assemblages POF, la coupe, le polissage, l'assemblage du connecteur et la préparation de la face d'extrémité peuvent tous affecter le couplage optique.

Un câble peut donc s'adapter physiquement tout en créant une perte optique excessive.

En termes pratiques, le même connecteur ne signifie pas nécessairement la même compatibilité optique.

La première étape consiste à confirmer la technologie de fibre requise par l'équipement.

Il peut s'agir de POF, de fibre de verre multimode ou monomode, de silice à revêtement dur, de fibre à revêtement polymère ou d'une autre fibre spécialisée.

La longueur d'onde de fonctionnement doit également correspondre à l'émetteur, au récepteur et à la fibre.

La distance de transmission doit ensuite être considérée conjointement avec le budget de puissance optique. La perte totale peut provenir de la fibre elle-même, des connecteurs, de la terminaison, du couplage, de la flexion, de la contamination et d'autres parties du chemin optique.

Les conditions mécaniques sont tout aussi importantes.

Un câble court installé de manière permanente à l'intérieur d'une armoire a des exigences très différentes d'un câble exposé à des mouvements répétés, des vibrations ou un routage serré.

La température doit également être évaluée sur l'ensemble de l'assemblage. Le transceiver peut avoir une classification de température industrielle, mais la fibre, la gaine, le connecteur, l'adhésif et les matériaux de terminaison doivent également être adaptés au même environnement.

Lorsqu'une liaison optique échoue ou devient intermittente, plusieurs problèmes liés au câble doivent être pris en compte avant de supposer que le transceiver est défectueux.

La flexion excessive est l'un des problèmes les plus courants. Les plis serrés autour des coins d'armoire, des sorties de connecteur, des colliers de serrage ou des sections mobiles peuvent augmenter la perte optique.

Une sélection incorrecte de la fibre peut créer des problèmes similaires. Un connecteur peut s'adapter physiquement même si le diamètre de la fibre, l'ouverture numérique ou les caractéristiques optiques ne conviennent pas à l'interface.

Une mauvaise terminaison est un autre facteur important. Une coupe, un polissage, un assemblage ou un alignement incorrect peuvent réduire considérablement le couplage optique.

Les faces d'extrémité de fibre contaminées ou endommagées peuvent également augmenter la perte, tandis qu'une traction ou un écrasement excessif pendant l'installation peut endommager la structure du câble ou la fibre elle-même.

Enfin, certaines liaisons fonctionnent avec une marge optique très faible. Elles peuvent fonctionner lors des tests initiaux mais devenir instables plus tard à mesure que les changements de température, la contamination, la flexion ou le vieillissement des composants augmentent la perte totale.

Dans de nombreux projets de maintenance industrielle, la fiche technique du câble d'origine n'est plus disponible.

Dans ce cas, le câble existant peut souvent être identifié en collectant quelques informations de base.

Les points de départ les plus utiles sont le modèle de l'équipement, des photos claires des deux extrémités du connecteur, les marquages du câble, le diamètre extérieur du câble, la longueur du câble et l'environnement d'application.

Il est également utile de savoir si le câble reste fixe ou bouge pendant le fonctionnement, ainsi que la température de fonctionnement approximative.

Si des informations sur l'émetteur ou le récepteur sont disponibles, elles peuvent fournir des indices supplémentaires sur le type de fibre et l'interface optique requis.

Ces informations fournissent généralement une base beaucoup meilleure pour sélectionner un remplacement que l'apparence du connecteur seule.

Toutes les applications POF industrielles ne peuvent pas être desservies par un câble standard.

Les fabricants d'équipements et les intégrateurs de systèmes peuvent avoir besoin de longueurs de câble, de matériaux de gaine, de diamètres extérieurs, de couleurs, de combinaisons de connecteurs ou de structures mécaniques différentes.

Pour ces projets, les exigences optiques et mécaniques doivent être confirmées ensemble.

Une spécification typique peut inclure le type de fibre, la configuration du connecteur, la longueur du câble, le diamètre du câble, l'exigence de gaine, la température de fonctionnement, les conditions de flexion, les exigences de traction et la perte optique acceptable.

Cette approche permet de s'assurer que l'assemblage fini est non seulement optiquement compatible avec le transceiver, mais aussi adapté à l'environnement dans lequel il fonctionnera réellement.

• Les transceivers optiques industriels peuvent-ils utiliser de la fibre optique plastique ?

  Oui. La POF est utilisée dans de nombreux systèmes de communication et de contrôle industriels courte distance, y compris les équipements d'asservissement, l'automatisation industrielle, l'électronique de puissance et les liaisons de contrôle électriquement isolées. La fibre doit correspondre à l'émetteur et au récepteur optiques.

• Comment savoir si mon équipement utilise de la fibre POF ou verre ?

  Vérifiez la documentation de l'équipement, le diamètre de la fibre, l'interface du connecteur, la longueur d'onde de fonctionnement et les marquages du câble existant. Si la documentation n'est pas disponible, le modèle de l'équipement et des photos claires du câble existant peuvent souvent aider à identifier le type de fibre.

• Puis-je remplacer un câble fibre industriel par un autre câble utilisant le même connecteur ?

  Pas nécessairement. Le type de fibre, le diamètre, l'ouverture numérique, la longueur d'onde, la terminaison et les performances optiques doivent également correspondre à l'équipement.

• Le matériau de la gaine affecte-t-il un câble POF industriel ?

  Oui. La gaine protège la fibre et affecte les performances du câble en termes de température, de flexion, d'abrasion, de force de traction et d'autres conditions environnementales.

• Qu'est-ce qui cause une perte optique excessive dans une liaison fibre industrielle ?

  Les causes courantes comprennent la flexion excessive, une sélection incorrecte de la fibre, une mauvaise terminaison, des faces d'extrémité endommagées ou contaminées, un désalignement des connecteurs, des dommages mécaniques et une marge de puissance optique insuffisante.

• Quelles informations sont nécessaires pour fabriquer un câble POF industriel de remplacement ou personnalisé ?

  Les informations utiles comprennent le modèle de l'équipement, des photos des connecteurs, le type de fibre si connu, la longueur du câble, le diamètre extérieur, la température de fonctionnement, les conditions mécaniques et toutes les exigences optiques disponibles.

Un transceiver optique industriel effectue la conversion électrique-optique, mais une communication fiable dépend de bien plus que du transceiver seul.

Le système complet comprend :

Pour le contrôle industriel courte distance et la communication électriquement isolée, la POF peut être une solution pratique lorsque la flexibilité et l'adaptabilité mécanique sont importantes.

Pour la communication longue distance ou à bande passante plus élevée, la fibre de verre est souvent plus appropriée.

La clé est d'adapter la fibre et l'assemblage de câble à l'interface de l'équipement réel et à l'environnement de travail plutôt que de choisir un produit basé sur une seule spécification.

Si un câble fibre industriel existant doit être identifié ou remplacé, le modèle de l'équipement, les photos des connecteurs, les marquages du câble, la longueur et les conditions de fonctionnement sont généralement le meilleur point de départ.