Los sistemas servo combinan control de precisión con un entorno eléctricamente exigente. Un controlador de movimiento puede intercambiar comandos sensibles al tiempo con variadores de servo a través de un enlace corto a nivel de máquina, mientras que el cable pasa cerca de los cables del motor, las etapas de potencia del inversor y las estructuras de máquina puestas a tierra.
Eso crea un problema de comunicación muy diferente al de la red de oficina ordinaria.
Para muchas aplicaciones servo, el principal desafío no es transmitir datos a través de kilómetros. Es mantener señales de control fiables en un entorno afectado por interferencias electromagnéticas, transitorios de conmutación rápida, ruido de modo común y diferencias de potencial eléctrico.
Aquí es donde la comunicación óptica se vuelve valiosa.Cuando la distancia requerida es relativamente corta y la interfaz está diseñada para ello,fibra óptica de plástico (POF)puede proporcionar un medio óptico práctico.
¿Qué hace que la comunicación servo sea eléctricamente difícil?
Un sistema servo normalmente combina dos funciones eléctricas muy diferentes.
El lado de control maneja comandos de posición, referencias de velocidad, sincronización, retroalimentación, diagnóstico y comunicación. El lado de potencia suministra voltaje y corriente que cambian rápidamente al motor servo.
Estas funciones a menudo operan cerca unas de otras.
Una instalación servo típica coloca controladores de movimiento, variadores de servo, cables de alimentación del motor y enlaces de comunicación dentro del mismo gabinete o entorno de máquina.
Esta proximidad es importante porque los variadores de servo son sistemas de electrónica de potencia. Su entorno electromagnético es lo suficientemente significativo como para que los sistemas de accionamiento de potencia de velocidad ajustable estén específicamente cubiertos porIEC 61800-3, el estándar EMC que aborda los requisitos de emisión e inmunidad para sistemas de accionamiento de potencia.
La electrónica de potencia y los cables del motor crean un entorno ruidoso
Un variador de servo no regula la velocidad o el par del motor suministrando un voltaje analógico perfectamente suave.
Su etapa de inversor conmuta rápidamente dispositivos semiconductores para crear las formas de onda de voltaje y corriente requeridas por el motor. La modulación por ancho de pulso, o PWM, se usa comúnmente en este proceso.
Estas transiciones de conmutación crean cambios rápidos en el voltaje y la corriente.
Desde una perspectiva EMC, la preocupación no es solo la frecuencia de conmutación nominal. Los bordes de conmutación rápidos contienen energía de alta frecuencia que puede acoplarse a circuitos cercanos a través de varios mecanismos.
El acoplamiento capacitivo puede ocurrir entre conductores de potencia y circuitos de señal cercanos. El acoplamiento inductivo puede resultar de corrientes que cambian rápidamente. Las capacitancias parásitas entre el inversor, el cable del motor, los devanados del motor, el bastidor de la máquina y la tierra de protección también pueden proporcionar rutas para corrientes de modo común de alta frecuencia.
El cable del motor se convierte en parte de este entorno eléctrico porque transporta la salida del inversor a través de la máquina, potencialmente cerca del cableado de comunicación y control.
Cómo los variadores de servo crean un entorno de comunicación con alta EMI
Una buena separación de cables, blindaje, unión, puesta a tierra y diseño de gabinetes pueden reducir estos efectos, pero no cambian el hecho básico de que la comunicación servo a menudo opera junto a una fuerte fuente de ruido eléctrico.
El potencial de tierra y los problemas de modo común pueden afectar los enlaces de señal
La EMI es solo una parte del problema.
Un controlador y un variador de servo pueden montarse en diferentes posiciones dentro de un gabinete o máquina. Sus referencias eléctricas pueden verse influenciadas por la impedancia del conductor, las corrientes de fuga de alta frecuencia, las corrientes de conmutación, la topología de puesta a tierra y la disposición física.
Como resultado, dos ubicaciones conectadas al mismo sistema de puesta a tierra no permanecen necesariamente al mismo potencial eléctrico instantáneo exacto bajo todas las condiciones de operación.
Para un enlace de comunicación conductor, esto importa.
Si dos dispositivos están conectados eléctricamente a través de un cable de señal, las diferencias de potencial eléctrico pueden contribuir a rutas de corriente no deseadas o voltaje de modo común. La interfaz de comunicación debe tolerar esas condiciones mientras detecta correctamente la señal de datos prevista.
La señalización diferencial, el blindaje, los componentes de aislamiento y una cuidadosa puesta a tierra pueden hacer que la comunicación de cobre sea altamente confiable. Otro enfoque es eliminar por completo la ruta de comunicación conductora.
Esa es una de las principales razones por las que los enlaces ópticos son útiles en entornos servo eléctricamente difíciles.
¿Por qué la fibra óptica funciona bien entre controladores y variadores de servo?
La fibra óptica proporciona una ruta de comunicación no conductora entre los dispositivos del sistema servo. Debido a que la fibra en sí no transporta corriente eléctrica entre los puntos finales, puede evitar que el cable de comunicación se convierta en una ruta para la corriente de tierra o la interferencia acoplada eléctricamente, lo cual es valioso alrededor de inversores, motores y cableado de alta potencia.
Un transmisor óptico convierte la señal de datos eléctrica en luz. La fibra transporta esa luz al dispositivo receptor, donde se convierte nuevamente en una señal eléctrica.
Por lo tanto, no hay un conductor de señal metálico que recorra los dos puertos ópticos.
La fibra no transporta la ruta de ruido eléctrico
Una fibra óptica dieléctrica no se comporta como un conductor de comunicación metálico.
Los campos eléctricos o magnéticos externos no inducen corrientes de comunicación en la fibra en sí, y la fibra no puede proporcionar una ruta conductora para la corriente de tierra CC entre los dispositivos conectados.
Esto cambia la relación entre el enlace de comunicación y el entorno de potencia circundante.
Considere un cable de comunicación enrutado cerca del cableado de salida de un inversor servo. Con un enlace eléctrico, la interfaz debe gestionar la energía electromagnética acoplada a los conductores mientras preserva la integridad de la señal.
Con un enlace óptico, la información viaja a través de la fibra como luz en lugar de corriente eléctrica.
Esto no significa que todo el sistema servo se vuelva inmune a la EMI. El transmisor, el receptor, la electrónica del controlador, la electrónica del variador, las fuentes de alimentación, el diseño de la PCB, la puesta a tierra y el diseño general del equipo aún requieren una ingeniería EMC adecuada.
El beneficio es más específico:el propio cable de fibra no crea una ruta de acoplamiento eléctrico entre los dos puntos finales de comunicación.
El aislamiento eléctrico separa los dos puntos finales de comunicación
Esto también explica la relación entre la comunicación óptica y el aislamiento eléctrico.
Con un medio de comunicación conductor, los dos extremos de un enlace están eléctricamente relacionados a menos que se proporcione un aislamiento adecuado en otro lugar de la interfaz.
Una ruta óptica cambia esa relación.
El transmisor puede operar dentro de un dominio eléctrico y el receptor dentro de otro mientras la información cruza el límite como luz. Por lo tanto, el medio de comunicación no proporciona una ruta conductora para la corriente de bucle de tierra.
Ruta de comunicación de cobre frente a aislamiento óptico
Esto puede ser especialmente valioso cuando los controladores y los variadores experimentan diferentes condiciones de modo común.
Sin embargo, la distinción entre la fibra y el sistema completo es importante.
Una fibra dieléctrica elimina la ruta de señal conductora, pero la capacidad de aislamiento de la interfaz completa aún depende del transmisor, el receptor, el diseño de la PCB, la estructura de aislamiento, los conectores y la arquitectura del equipo.
Por lo tanto, la fibra debe entenderse como un medio de comunicación que permite el aislamiento en lugar de un sustituto del diseño eléctrico adecuado a nivel de sistema.
¿Por qué los enlaces servo no siempre necesitan distancias o anchos de banda extremos?
La fibra óptica a menudo se asocia con telecomunicaciones, centros de datos y redes de larga distancia. Esto puede crear la impresión de que la fibra solo es útil cuando un sistema requiere un ancho de banda extremo o una distancia de transmisión muy larga.
La comunicación servo tiene un conjunto diferente de prioridades.
Un sistema de control de movimiento puede requerir comunicación cíclica rápida, sincronización entre ejes, temporización predecible, entrega de comandos estable y operación confiable en un entorno eléctricamente ruidoso.
Esos requisitos pueden ser exigentes sin requerir transmisión a larga distancia.
Muchos enlaces servo permanecen dentro de una máquina, celda de producción o sistema de control local. En tales aplicaciones, extender la capacidad de transmisión mucho más allá del enlace a nivel de máquina requerido puede proporcionar poco valor de ingeniería adicional.
El mismo razonamiento se aplica al ancho de banda.
La comunicación servo debe proporcionar suficiente capacidad para la arquitectura de control seleccionada, pero el ancho de banda bruto máximo no es automáticamente el criterio de selección principal. Una vez que se satisfacen el ciclo de comunicación requerido, la sincronización, el rendimiento del protocolo y la respuesta del sistema, otros factores pueden volverse más importantes.
En este contexto, la comunicación óptica puede soportar el control sincronizado manteniendo el medio de comunicación eléctricamente separado del entorno de potencia circundante.
Por lo tanto, la pregunta de ingeniería no es simplemente qué medio tiene el mayor ancho de banda posible.
Es qué medio cumple de manera confiable con los requisitos de temporización, distancia, inmunidad al ruido, aislamiento, mecánicos y de compatibilidad del sistema servo.
¿Por qué la fibra óptica de plástico se adapta a muchos enlaces servo cortos?
Una vez que se selecciona un enlace óptico, aparece otra pregunta: ¿por qué usar fibra óptica de plástico en lugar de fibra de vidrio convencional?
La respuesta depende de los requisitos de la aplicación.
La POF no está destinada a reemplazar todas las formas de fibra óptica de vidrio. Sus ventajas son más relevantes cuando un sistema industrial necesita una conexión óptica relativamente corta, acoplamiento sencillo, ensamblaje práctico y transmisión confiable sin los requisitos de distancia de una red de telecomunicaciones.
Un núcleo grande hace que el acoplamiento óptico sea menos exigente
Muchos sistemas POF industriales de índice escalonado utilizan un núcleo de casi 1 mm de diámetro.
Ese gran núcleo óptico puede reducir la sensibilidad del acoplamiento y admitir interfaces ópticas industriales mecánicamente más simples.
Por qué la POF de núcleo grande simplifica el acoplamiento óptico
Esto tiene consecuencias prácticas.
Cuando el objetivo óptico es relativamente grande, el transmisor, el conector y el receptor no requieren el mismo grado de precisión de alineación que las geometrías ópticas mucho más pequeñas.
Para equipos industriales, esto puede ser más importante que lograr la menor atenuación posible en distancias muy largas.
Una máquina servo puede necesitar una conexión óptica robusta que pueda ensamblarse y mantenerse de manera consistente. Si la distancia de comunicación requerida es corta, las ventajas prácticas del acoplamiento de núcleo grande pueden ser más relevantes que la capacidad de transmisión a larga distancia.
La terminación simple puede ser valiosa en equipos industriales
La gran geometría de la fibra también permite sistemas de conectores relativamente simples.
Dependiendo de la familia de componentes, la POF industrial puede usar métodos de terminación de encaje a presión, sin crimpado, con bloqueo mecánico o sin conector.
Terminación POF industrial simple
Algunos sistemas permiten cortar la fibra a la medida e instalarla mecánicamente directamente en el componente óptico. Otros utilizan un conector con un proceso de corte y acabado relativamente simple.
Esto puede hacer que la POF sea útil en maquinaria donde se requiere aislamiento óptico pero una terminación de fibra compleja agregaría un esfuerzo de instalación innecesario.
No todos los conectores de POF utilizan el mismo método de terminación.
Algunos sistemas aún requieren corte controlado, preparación de la cara del extremo o pulido. Por lo tanto, la instalación debe seguir los requisitos del conector y el transceptor reales.
La ventaja no es que la POF nunca requiera preparación de fibra.
Es quela POF de núcleo grande puede soportar arquitecturas de conectores industriales comparativamente simples.
El alcance corto puede ser una característica en lugar de una limitación
La fibra óptica de plástico generalmente tiene una atenuación más alta que la fibra de vidrio de telecomunicaciones.
Para la comunicación a larga distancia, esa es una limitación importante.
Dentro de una máquina compacta, sin embargo, la distancia de transmisión requerida puede ser lo suficientemente corta como para que una atenuación ultra baja proporcione poco valor de sistema adicional.
Si un enlace de controlador a variador solo necesita operar dentro de la distancia admitida por el sistema servo, la pregunta relevante es si el presupuesto de potencia óptica completo admite ese enlace con un margen adecuado.
Por lo tanto, un sistema POF diseñado para ese rango puede ser apropiado, aunque otra tecnología de fibra podría transmitir mucho más lejos.
Un medio de comunicación debe evaluarse en función del enlace requerido en lugar de la máxima capacidad disponible de otra tecnología.
Para enlaces industriales cortos, la POF puede intercambiar capacidad de larga distancia por un acoplamiento e instalación óptica más simples.
La POF no es la fibra adecuada para todos los sistemas servo
El uso de comunicación óptica en sistemas servo no significa que todos los sistemas servo deban usar POF.
Los sistemas modernos de control de movimiento utilizan diferentes arquitecturas de comunicación. Dependiendo del diseño del equipo, la red de controlador a variador puede usar comunicación de cobre, fibra óptica de plástico, fibra óptica de vidrio u otra capa física.
Los enlaces ópticos más largos pueden favorecer la fibra de vidrio debido a su menor atenuación.
La temperatura también puede cambiar la selección. El rango de operación admisible depende de la fibra, la cubierta, el conector y la construcción completa del cable, por lo que el entorno servo especificado debe verificarse con la clasificación del cable.
Los requisitos mecánicos también son importantes.
Un cable instalado permanentemente dentro de un gabinete se enfrenta a diferentes tensiones que uno enrutado a través de una sección de máquina en movimiento continuo.
Lo más importante es que la propia interfaz servo determina la compatibilidad.
Un puerto óptico diseñado para un tipo de fibra particular, geometría de conector o enlace óptico no se puede convertir a otro sistema de fibra simplemente porque la fibra alternativa tiene especificaciones generales atractivas.
Para aplicaciones servo, la compatibilidad del sistema precede al rendimiento genérico de la fibra.
¿Cómo seleccionar un cable de fibra servo?
La selección de un cable de fibra servo de reemplazo o personalizado debe comenzar con la interfaz de comunicación, no con el color de la cubierta, el diámetro de la fibra o la apariencia del conector.
Factores de selección de cables de fibra servo
Dos cables ópticos pueden parecer similares y, sin embargo, no ser adecuados para el mismo sistema servo.
Comience con la interfaz servo, no con el diámetro de la fibra
Primero identifique la interfaz exacta del controlador y del variador de servo.
Verifique:
-
el tipo de fibra óptica requerido;
-
arquitectura del transmisor y receptor;
-
familia de conectores;
-
número de fibras;
-
construcción de cable permitida;
-
longitud máxima de enlace admitida;
-
y cualquier requisito de compatibilidad específico del sistema.
Si el fabricante del equipo especifica un medio óptico o una arquitectura de cable particular, ese requisito debe tener prioridad sobre las suposiciones genéricas sobre la POF.
El ajuste físico por sí solo no garantiza la compatibilidad óptica.
Verifique la longitud, el presupuesto óptico y la compatibilidad del conector
Cada enlace óptico tiene un presupuesto de potencia finito.
El transmisor lanza potencia óptica a la fibra. La pérdida se introduce por la fibra, los conectores, las uniones, los efectos de la temperatura, la contaminación y otras partes del enlace. El receptor aún debe recibir suficiente potencia óptica para recuperar los datos transmitidos de manera confiable.
Por lo tanto, la longitud del cable no se puede seleccionar independientemente del sistema óptico.
Una especificación de cable de fibra servo debe considerar tanto la longitud física como las limitaciones ópticas de la interfaz del controlador y el variador.
La compatibilidad del conector es igualmente importante.
La fibra debe colocarse correctamente en relación con el transmisor y el receptor. El tipo de fibra, la geometría del conector y la condición de la cara del extremo pueden influir en el acoplamiento óptico y la pérdida del enlace.
Para cables de reemplazo, igualar la arquitectura óptica original es generalmente más seguro que elegir un cable solo porque el conector parece similar.
Las condiciones mecánicas y ambientales importan tanto como
El aislamiento eléctrico resuelve solo una parte de la aplicación.
Los cables de fibra servo siguen siendo componentes mecánicos instalados dentro de máquinas reales.
Las condiciones de selección importantes incluyen:
| Elemento de selección |
Por qué importa |
Qué verificar |
| Compatibilidad de fibra/interfaz |
Determina si el enlace óptico puede operar |
Especificaciones del controlador y variador servo |
| Longitud del cable |
Afecta la pérdida óptica total |
Longitud de enlace admitida y presupuesto óptico |
| Tipo de conector |
Controla el acoplamiento mecánico y óptico |
Interfaz exacta y método de bloqueo |
| Radio de curvatura mínimo |
La flexión excesiva puede aumentar la pérdida o dañar la fibra |
Especificación y enrutamiento del cable |
| Carga de tracción |
El tirón excesivo puede dañar la fibra o la terminación |
Método de instalación |
| Instalación fija o móvil |
El movimiento repetido crea estrés mecánico |
Requisito de flexión |
| Temperatura de operación |
Las propiedades de la fibra y la cubierta dependen de la temperatura |
Entorno de la máquina y clasificación del cable |
| Exposición a aceite o productos químicos |
Algunos materiales de cable pueden no ser adecuados |
Entorno de fluidos de la máquina |
| Requisitos de cubierta y llama |
Pueden ser requeridos por el equipo o el proyecto |
Especificación de instalación |
| Limpieza del conector |
La contaminación puede aumentar la pérdida óptica |
Procedimiento de instalación y mantenimiento |
El enrutamiento también merece atención.
Un cable de fibra puede evitar interferencias eléctricas de una manera que un cable de señal conductor no puede, pero aún puede fallar si se dobla bruscamente, se aplasta, se tira excesivamente, se expone a un entorno inadecuado o se daña por movimiento repetido.
Por esta razón, el radio de curvatura, la carga de tracción, el entorno operativo y los límites de manipulación deben tratarse como parte de la especificación del enlace de comunicación en lugar de detalles de instalación secundarios.
Problemas eléctricos del sistema servo y el papel de un enlace óptico
La relación se puede resumir directamente:
| Condición del entorno servo |
Posible problema de comunicación |
Cómo ayuda un enlace óptico |
| Conmutación rápida del inversor |
EMI conducida y radiada |
La fibra no conduce corrientes de señal eléctrica inducidas |
| Cables de alimentación del motor cerca del cableado de señal |
Acoplamiento electromagnético |
La transmisión óptica elimina los conductores de señal metálicos |
| Diferentes potenciales eléctricos |
Corriente de bucle de tierra o de modo común |
La fibra rompe la ruta de comunicación conductora |
| Cableado denso de la máquina |
Mayores oportunidades de acoplamiento eléctrico |
La comunicación óptica reduce la dependencia de las rutas de señal conductoras |
| Electrónica de potencia y control operando cerca |
Entorno de integridad de señal difícil |
Los dominios eléctricos pueden intercambiar información a través de la luz |
La fibra óptica no elimina la necesidad de una buena ingeniería EMC.
La puesta a tierra adecuada, el blindaje, la disposición del gabinete, la instalación del cable del motor y el diseño del sistema de potencia siguen siendo importantes.
Su valor es que el propio cable de comunicación deja de ser una de las rutas eléctricas que deben gestionarse.
La verdadera razón por la que la POF aparece en los sistemas servo
La fibra óptica de plástico no debe verse simplemente como una colección de características como un núcleo grande, conexión fácil o transmisión a corta distancia.
Esas características solo importan cuando resuelven un problema de aplicación.
En un sistema servo, el razonamiento a menudo comienza con la electrónica de potencia.
El variador conmuta voltaje y corriente significativos. El motor y su cableado operan dentro de ese entorno de conmutación. Los controladores y los variadores también pueden experimentar perturbaciones de modo común y diferencias de potencial eléctrico.
La comunicación confiable debe coexistir con esas condiciones.
Un enlace óptico elimina la ruta de señal metálica entre los puntos finales de comunicación. Cuando el enlace requerido es relativamente corto, el sistema no se beneficia necesariamente de la capacidad de larga distancia de la fibra de grado de telecomunicaciones.
En esa situación, el núcleo grande y los métodos de acoplamiento comparativamente simples disponibles con la POF industrial pueden convertirse en ventajas de ingeniería útiles.
Es por eso que la POF tiene sentido en ciertos sistemas servo:no porque las aplicaciones servo requieran universalmente fibra de plástico, sino porque algunos enlaces de comunicación servo necesitan aislamiento eléctrico e inmunidad al ruido más de lo que necesitan una distancia de transmisión extrema.
Preguntas frecuentes
¿Por qué los variadores de servo utilizan comunicación por fibra óptica?
La comunicación por fibra óptica puede proporcionar un enlace no conductor entre un controlador y un variador de servo. Esto ayuda a evitar que el cable de comunicación transporte corriente de bucle de tierra o interferencia acoplada eléctricamente en entornos que contienen conmutación de inversor, motores y cableado de potencia.
¿La fibra óptica elimina los problemas de EMI en un sistema servo?
No. La fibra elimina una ruta de acoplamiento eléctrico importante, pero la electrónica del variador, el controlador, los transceptores, las fuentes de alimentación, la puesta a tierra, el diseño de la PCB y el equipo circundante aún requieren un diseño EMC adecuado. La fibra mejora el comportamiento eléctrico del medio de comunicación; no hace que toda la máquina sea inmune a la EMI.
¿Por qué usar fibra óptica de plástico en lugar de fibra de vidrio en un sistema servo?
La POF puede ser atractiva cuando el enlace requerido es relativamente corto y el equipo está diseñado alrededor de una interfaz óptica de núcleo grande. Su núcleo grande puede simplificar el acoplamiento óptico y admitir sistemas de conectores comparativamente sencillos. La fibra de vidrio puede ser más apropiada cuando la distancia más larga, la menor atenuación u otros requisitos del sistema son dominantes.
¿Es la POF lo suficientemente rápida para la comunicación servo?
Depende de la red servo y los componentes ópticos. Los sistemas servo requieren una tasa de datos suficiente y una temporización predecible para su arquitectura de control. Por lo tanto, la POF debe seleccionarse según la interfaz del controlador y el variador especificada en lugar de compararse solo con el ancho de banda máximo disponible de otras tecnologías de fibra.
¿Cuánto puede medir un cable de fibra óptica servo?
No hay una longitud máxima universal. La distancia permitida depende del sistema servo, el transmisor y el receptor, el tipo de fibra, las pérdidas del conector, la atenuación, la temperatura y el presupuesto de potencia óptica. La longitud máxima de enlace especificada para el equipo real debe tratarse como el límite principal.
¿Qué debo verificar al reemplazar un cable de fibra servo?
Comience con la interfaz exacta del controlador y del variador de servo. Confirme el tipo de fibra requerido, el conector, el número de fibras, la longitud permitida y los requisitos de compatibilidad. Luego, verifique las condiciones mecánicas como el radio de curvatura, la flexión, la carga de tracción, la temperatura, la exposición química, los requisitos de la cubierta y la limpieza del conector antes de seleccionar el cable de reemplazo.
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