4.1.1.1 Átviteli közegek

Az adatátviteli közegek valósítják meg a tényleges adatátvitelt a fizikai réteg szintjén. Az átviteli közegeket csoportosíthatjuk az átviteli csatorna alapján vezetékes, és vezeték nélküli közegekre. Az ipari alkalmazásokat zavarvédettségük miatt elsősorban a vezeték átviteli közegek képviselik, mint a rézvezeték és az egyre nagyobb népszerűségnek örvendő optikai szál. A mozgó egységek kezelése, irányítása, felügyelete a folyamatirányítás különleges területe. A folyamatirányító rendszerekben ilyen egységek látják el a raktározó, és anyagszállító modul feladatait (9. ábra). Az ilyen eszközök (automatikus targoncák, különböző szállító egységek) rendszerbe csatlakoztatására alkalmaznak vezeték nélküli átviteli közeget (infravörös adó/vevő egységek).

Sodrott érpár

A legelterjedtebb átviteli közeg a sodrott vagy csavart érpár (twisted pair). Ez a vezeték két szigetelt érpár, ami egymással spirálszerűen van összesodorva. A sodrásra azért van szükség, mert a vezetékek között lévő mágneses kölcsönhatás rontaná az átvitel minőségét.

A duplex átvitelhez szükség van adó vezeték párra és egy vevő vezeték párra. Ezeket szintén összesodorják egymással, mert különben zavarnák egymás forgalmát.

A vezeték sávszélessége függ az átviteli távolságtól, ami akár több km is lehet erősítés nélkül. Az adatátviteli sebességet az érpárok egységnyi hosszra eső csavarásának számával lehet növelni. Ez alapján létezik 3-as, 5-ös, 6-os, 7es kategóriájú kábel (CAT3, CAT5, CAT6, CAT7), sávszélességük sorban 16 MHz, 100 MHz, 250 MHz, 600 MHz. Az árnyékolatlan kivitelt nevezik UTP-nek (Unshilded Twisted Pair), az alufóliával árnyékolt kábelt FTP-nek (Folied Twisted Pair). Szerelhetőbb, biztonságosabb kivitellel rendelkezik a szövött árnyékolása rendelkező STP (Shilded Twisted Pair).

Ipari környezetben elsősorban az árnyékolt sodrott érpár alkalmazása indokolt (az árnyékolás kezelését lásd a 2.3.2-es alfejezetben.). A bemutatott kábeltípusokon kívül léteznek egyéb használatban lévő kábelek is. A kábelek kiválasztását és alkalmazását elsősorban folyóméter áruk és beépítési környezetük határozza meg. (A fent említet kábelek mára már megfelelően alacsony ár mellett alkalmazhatók.)

Fényvezető szál

Az ipari automatizálásban egyre gyakrabban alkalmazott átviteli közeg az optikai kábel. Elterjedését elsősorban csökkenő árának köszönheti. Az üvegszálas technológia érzéketlen az elektromágneses zavarokra, és önmagában biztosítja az adó és a vevő galvanikus szétválasztását. A fényvezető szál anyagától függően az átviteli sebesség elérheti akár az 50000 Gb/s-ot (a gyakorlatban az körülbelül 10 Gb/s, mivel az optikai jelek átalakítása villamos jellé nem mehet végre gyorsabban a mai technológiai szinten).

Az átvitel három részegységet igényel: fényforrást, átviteli közeget és fényérzékelőt. A fényforrás villamos jelből fényimpulzust állít elő. A fényimpulzus megléte a logikai 1-nek, hiánya pedig a logikai 0‑nak felel meg. A jeleket egy nagyon vékony fényvezető szál szállítja el a fényérzékelőig, ami a fényimpulzusokat visszaalakítja villamos jellé.

A fény egyenes vonalban terjed. A kábeleket a kábelezési nyomvonalnak megfelelően kell lefektetni. Ez a nyomvonal a legritkább esetben egyenes. A fény az optikai szálból mégsem tud kilépni. Ennek magyarázata a fizikában keresendő. Abban az esetben, ha a fény két különböző közeg (pl. levegő és üveg) határához érkezik, akkor megtörik, haladási irány megváltozik. Ha a fény egy bizonyos szögnél (határszög) nagyobb szögben érkezik a réteg határára, akkor visszaverődik.

Ezt a jelenséget használják ki a fényvezető szálak egyik típusánál. Az optikai közegbe belépő fény a határszöggel vagy annál nagyobb szögben érkezik az üvegszál felületéhez, és innen visszaverődik.

Ebben az esetben egyszerre több különböző szögben visszaverődő fénysugár halad a közegben. Ezt az optikai kábeltípust multi-módusú szálnak nevezik (módus latin eredetű szó, jelentése mérték, az elnevezés a különböző mértékű visszaverődésre utal).

A mono-módusú kábelek átmérője a fény hullámhosszával összemérhető. Az ilyen a kábelekben a fény visszaverődés nélkül ”egyenes” vonal mentén terjed a vezetékben. Ezek a kábelek nagyobb távolságok áthidalására is alkalmasak erősítés nélkül nagyobb átviteli sebesség mellett.

A fényvezető kábel egy fényvezető magot tartalmaz, amit körbevesz egy tükröző anyag, ami a magnál kisebb törésmutatójú. A magot és a tükröző réteget műanyag köpeny veszi körül.

A fényimpulzusokat kétféle módon állítják elő, fénykibocsátó diódával (Light Emitted Diode, LED) vagy lézerrel. A LED alacsonyabb átviteli sebesség és kisebb áthidalható távolság mellett, olcsóbb kialakítást tesz lehetővé.

Aduplex átvitel megvalósításához két fényvezető szálat kell alkalmazni, Egyet az adásnak, és egyet a vételnek.

A fényvezető mag anyaga szerint lehet műanyag fényvezetős kábel vagy üveg fényvezetős kábel. A műanyag maggal (Plastic Optical Fibre, POF) rendelkező kábelek alacsony árfekvésűek, hajlékonyak és egyszerűbben szerelhetőek. (A kábelek toldásakor a szál végeit megfelelő szögben kell lecsiszolni, összeilleszteni, majd egy szorítóval rögzíteni.) Többnyire multi-módusú kábelek készülnek műanyag maggal, aminek átmérője akár az 1 mm-t is elérheti. Az üvegmagos kábelek (Glass Optical Fibre) átmérője 0,05 mm. (A toldás, hegesztéssel történik.)

Ipari gyakorlatban elsősorban a műanyag fényvezetős kábelt használják alacsonyabb ára miatt. Magasabb csillapítás és az illesztési veszteségek mellett is magas adatátviteli sebességet biztosít. Az alacsony csillapítású üvegszálas optikai kábelt inkább a nagyobb távolságokra lévő üzemépületek összekötésére használják.

Az optikai kábelek átviteli tulajdonságát a csillapítás mellett a jeltorzítás határozza meg. A bemenetre adott digitális jelek, a kimeneten a fényimpulzus szóródása (diszperziója) miatt torzulnak. Általában elmondható azonban, hogy az iparban használt digitális jelek esetén a szóródás jelensége elhanyagolható torzulást okoz.

A magban a különböző hullámhosszúságú fények más sebességgel haladnak (kromatikus diszperzió). A multi-módusú szálban, különböző hosszúságú utak alakulnak ki. (módus diszperzió), valamint a mag borításában is halad fény (hullámvezetési diszperzió).

A kábelek érzékenysége miatt a szerelésre különös gondot kell fektetni. A kábel hajlítási szöge a külső átmérőnek maximum húszszorosa lehet. A kábel csatornába fektetésekor ügyelni kell a behúzásra, ugyanis a fényvezető szál ”átlátszósága” a nyúlással csökken, érdemes páncélozott vezetékeket használni. A kábelrögzítő bilincs szintén okozhat deformációt erős meghúzás esetén.