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塑料光纤工业控制解决方案

塑料光纤作为数据传输介质,低碳环保,符合"光进铜退"的发展趋势。华鹰光电结合Avago、Tyco、Firecomms等国际知名元器件厂家的技术和自身的研究开发实力,研发出一系列适用于电力控制、工业现场总线控制、汽车MOST娱乐系统、医疗传感等工业应用领域的塑料光纤产品。我们服务的客户有国家电网、中国核电、三菱电机、东芝、松下电气等。


  • 塑料光纤信号传输的特点
  • 塑料光纤在工业领域的应用
  • 塑料光纤在风力发电的应用

您知道吗?年营收100亿的半导体厂,每小时设备运转所带来的价值大约为100万人民币。 钢铁业生产高峰期中机器停罢两天,损失可达1.2%的年产量。

一条产线停罢所造成的人员闲置,可由数小时至数日不等。甚至,严重的故障将导致您的维修人员不断重复更换零件,无法致力于更重要的价值提升。

现代自动化产线发生停罢事故的频率越来越高,涉足的领域也是越来越多,企业因此造成的损失也是不可估量。然而导致如此严重事故的真正因素,往往只是因设备生产者或者使用者忽略了设备内或者设备间的信号传输电缆、光缆。

因符合国家最新力推的"光进铜退"环保政策而著称的新兴光通信材料——塑料光纤,因其具有质轻、柔软、耐破坏(振动和绕曲)、抗干扰、防窃听,优异的拉伸强度,导光芯径大,简易的加工安装和低成本等诸多优势,使其在电力、风力、医疗、传感、钢铁、交通、航天等极为复杂、苛刻的工业环境应用中越来越广泛。

塑料光纤

工业通讯级塑料光纤跳线与工业级650nm光纤收发模组匹配使用,组成最安全、最稳定、最具性价比的短距离通信传输网络,目前应用最多的如工业控制中的现场总线、过程控制系统网络和数字控制系统传输等方面。塑料光纤工业网络通过转换器,与RS232、RS485、100Mbps以太网、令牌网等标准协议接口相连,使其在更多恶劣的工业制造环境中提供更稳定、可靠的通信线路,高速传输工业控制信号和指令,避免了因使用传统全属电缆线路受电磁干扰而导致通信中断的危险。塑料光纤(POF)因其具有杰出的电气"噪声"免疫性,未来在工业控制总线系统、电气自动化系统和互联网领域的发展前景越来越良好,成为替代铜线的不二之选。

塑料光纤

传感器领域的应用
塑料光纤在传感器方面有重要应用,可以用于测量许多不同的参数,如位移、液位、形状、颜色、亮度、透明度、折射率、温度、湿度、密度、气体泄漏等多种参量。

塑料光纤作为传感器有很多优点:

传感器 1、灵敏度高,塑料光纤的本征灵敏度比石英光纤高出几十倍。

2、塑料光纤柔软,光纤探测部可制成小型器件,置于窄小的场所。石英光纤的破坏应变一般为1-2%,而塑料光纤的破坏应变一般为5-10%。

3、利用塑料光纤作为传感器,在高温度、振动、冲击和真空等环境下也实现高可靠性,抗电磁噪声强。

4、塑料光纤芯径大,一般可达0.5-1mm,数值孔径大(一般为0.3-0.5),与光源和接收器的耦合效率高,端面处理简易、连接简便,易对准,可以使用廉价的注塑连接器,系统成本低。

工业自动化领域的应用
工业自动化 高速经济发展的今天,传统的人力手工加工型企业正逐步往半自动化、全自动化工厂转型。各种自动化机器设备层出不穷,但其共同特点都是依靠工人操作控制面板,将指令通过各种控制系统传达到自动化设备操作末端,而作为传输指令的载体,目前最为普遍的为铜导线。

由于自动化现场各种设备高速运转、电机马达工作,从而形成很强的电磁环境,铜线已无法保证信号完整的传输,工业精准度大大降低,设备停运频率也增加。

塑料光纤因其抗电磁干扰,保密性好,孔径大,便于工业振动环境中的数据对接传输;柔韧性好,在复杂的工业布线环境中穿梭自如。

目前,已有越来越多的应用采用塑料光纤电缆和组件作为点对点的高效率信息传输方式,如,热门的新能源应用——风力能源。

风力能源,近年来已经逐渐成为满足快速增长能源需求下非常受到欢迎的替代电力来源,和来源有限且蕴藏量逐渐减少的化石燃料不同,风力能源的来源完全不受限制并且非常容易取得。

要将把风力能源转换成为实用的交流电,需要如整流器(Rectifier)和逆变器(Inverter)等功率电子设备,在高功率发电系统中,电绝缘在确保电力产生的质量和可靠性上扮演了非常重要的角色,而光纤组件可以通过提供高电压脉冲绝缘以及防止不必要信号进入功率电子设备提供保护。

风力发电系统中工业用光纤的主要应用包括整流器和逆变器的功率电子门驱动、控制和通信电路板、风力涡轮机控制单元、状态监测系统以及风力电场联网等。

1.风力涡轮机发电

风力涡轮机通过使用发电机把动能转换成为电力能源,随着风力条件的变化,发电机所产生的电力必须随之转换才能使用,在风力涡轮机中必须要有整流器、逆变器、变压器以及滤波器等设备,以便可以长距离传送所产生的实用交流电源,如图1。

通常在风力电塔的底部安装有变压器设备,目的是将风力涡轮机产生的低电压转换成为方便传送的中高电压。

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图1:风力涡轮发电机系统的典型功能框图
Generator = 发电机;Wind Turbine Blade = 风力涡轮机叶片;Rectifier AC-DC = AC-DC整流器;DC Link = 直流链路;
Inverter DC-AC = DC-AC逆变器;Fiber Optic = 光纤;Control Board and Communication = 控制和通信电路板
Turbine Control Unit(TCU) = 涡轮机控制单元(TCU);3 Phase Line Filter and Transformer = 3相线路滤波器和变压器;
Utility Grade AC Power = 实用级交流电源

2.整流器和逆变器

整流器和逆变器为风力涡轮机系统中主要的组成部件,整流器可以把高噪声交流电转换成为直流电,而逆变器则可以把直流电转换成干净可靠的交流电输出,这些设备的开关动作通常由嵌入式数字信号处理器(DSP)通过光纤链路控制,以提供具有高电绝缘能力的高效率可靠控制。

基本上在整流器和逆变器的控制开关上有几个选择,分别是绝缘栅双极晶体管(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)、门极可关断晶闸管(GTO, Gate Turn Off Thyristor)、集成门极换流晶闸管(IGCT, Integrated Gate Commutated Thyristor)、对称型门极换流晶闸管(SGCT, Symmetrical Gate Commutated Thyristor)以及发射极关断晶闸管(ETO, Emitter Turn-off Thyristor)等。

光纤组件普遍用於控制高电压和电流开关设备,提供可靠的控制和反馈信号,请参考图2和图3

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图2:使用Avago HFBR-0500Z Versatile Link通用链路收发器实现的典型IGBT门驱动电路典型功能框图。
Control Board = 控制电路板;Versatile Link HFBR-0500Z series = Versatile Link通用链路HFBR-0500Z系列 Driver Logic and Protection Functions = 驱动器控制逻辑和保护功能;Gate Driver = 门驱动器;Driver = 驱动器

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图3:使用HFBR-0500Z收发器的典型ETO二级电压源转换器相位连接图
Over Current Protection = 过电流保护;PWM Command = PWM命令;Current Control = 电流控制 Controller = 控制器;Versatile Link HFBR-0500Z series = Versatile Link通用链路HFBR-0500Z系列 POF = POF塑料光纤;Gate Driver = 门驱动器

3.状态监测系统

大多数现代的风力涡轮机都具有可以监测并依不同风力条件进行系统控制的智能功能,例如大气环境传感器可以检测风速和风向,其他传感器则能够用来监测涡轮风机部件的状况和强度以避免发生问题。

风力涡轮机必须可以承受极端的天气条件,如暴风雪或闪电,在这些情况下,非常重要的一点是确保涡轮风机的监测系统在设计上可以提供高电压和大电流隔离,相较於光电耦合器和其他类似器件,光纤由於可以提供高了许多的电压和电流隔离能力,因此成为较好的信号传递媒体选择。

4.风力涡轮机和风力电场联网

通过状态监测系统所收集的数据,搭配上每个涡轮风机使用的短距离POF塑料光纤链路,通常会以多路复用方式接入硬包层(HCS, Hard-Clad Silica)或多模光纤电缆,如果风力电塔的高度高於100米,就可能需要更长距离的HCS和多模光纤。

塑料光纤质轻、柔软、耐破坏(振动和绕曲)、抗干扰、防窃听,及优异的拉伸强度,相较于其他介质,可以在恶劣环境提供更稳定的信号传输。这些特性使得它非常适合应用于风力涡轮机发电的垂直布线需求。

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