CLP Fácil - Curso On-Line de Programação de CLP - SIEMENS

O Protocolo Profibus (Parte III)

Redes Industriais

As fibras óticas podem ser utilizadas em aplicações onde existe alto índice de interferência eletromagnética ou com o objetivo de se aumentar o comprimento máximo do barramento, independente da velocidade de transmissão. É um meio físico comumente utilizado em aplicações onde se utiliza tanto a tecnologia DP quanto Profinet.

Figura 1 – Fibra Ótica

Um sistema de transmissão com fibra ótica consiste em três elementos: um dispositivo que gera a luz, um dispositivo que detecta esta luz e um meio de transmissão por onde a luz irá trafegar. No momento da transmissão dos dados, um pulso de luz indica bit 1 e a ausência de luz, indica bit 0 (zero).

Este meio de transmissão pode trabalhar com uma velocidade de até 50 Tbps, porém, para uso em redes industrias, esta velocidade é limitada em 1 Gbps, devido ao fato de não ser possível converter sinais elétricos e óticos em uma velocidade maior [1].

Existem dois tipos de fibra ótica:

• Multimodo;
• Monomodo.

Veja abaixo a descrição de cada uma delas:

Multimodo

As fibras multimodo são utilizadas para cobrir distâncias médias, que variam entre 2 e 3 Km. O fator que limita a distância na utilização dessas fibras é a dispersão modal*. Elas possuem núcleos maiores, de aproximadamente 62,5 micrômetro de diâmetro e, transmitem luz infravermelha a partir de diodos emissores de luz (600 a 850 nanômetros). O comprimento de onda do infravermelho é de 850 a 1300 nanômetros.

De acordo com [4] as fibras multimodo são mais baratas e o núcleo mais espesso demanda uma precisão menor nas conexões, o que torna a instalação mais simples, mas, em compensação, a atenuação do sinal luminoso é muito maior. Isso acontece porque o pequeno diâmetro do núcleo das fibras monomodo faz com que a luz se concentre em um único feixe, que percorre todo o cabo com um número relativamente pequeno de reflexões. O núcleo mais espesso das fibras multimodo, por sua vez, favorece a divisão do sinal em vários feixes separados, que ricocheteiam dentro do cabo em pontos diferentes, aumentando brutalmente a perda durante a transmissão.

Veja Figura 2:

Figura 2 – Exemplo de fibra multimodo

As principais aplicações das fibras multimodo são as redes internas de computadores (LANs) e demais aplicações de curta distância como as redes corporativas e Data Centers [4].

Essas fibras podem ser divididas em dois modelos: Step Index e Graded Index.

De acordo com [3] as fibras do tipo Step Index possuem o índice de refração do núcleo constante. A energia de um impulso luminoso vai distribuir-se por todos os modos.

Ver Figura 3:

Figura 3 – Modo de refração no Step Index

Já no Graded Index o índice de refração do núcleo tem uma variação parabólica. Esta característica tem o efeito de aproximar os tempos de propagação dos vários modos, reduzindo a dispersão modal. A largura de banda utilizável é superior à da fibra Step Index.

Ver Figura 4:

Figura 4 – Modo de refração no Graded Index

Vantagens de se utilizar fibras multimodo:

• Devido ao tamanho grande do núcleo fica mais fácil o alinhamento, no caso de emendas, conectores etc;
• Baixo custo.

Desvantagens de se utilizar fibras multimodo:

• Cobre distâncias menores e limitadas;
• Taxas de transmissão mais baixas.

Monomodo

As fibras monomodo são utilizadas para cobrirem distâncias longas, acima de 15 Km. De acordo com [5], as fibras de modo simples têm núcleos pequenos, de aproximadamente 9 micrómetros de diâmetro e, transmitem luz laser infravermelha (comprimento de onda de 1300 a 1550 nanómetros). Neste tipo de fibras o diâmetro do núcleo é tão pequeno que não há mais do que um modo de propagação. Logo, não existe dispersão modal. A largura de banda utilizável é maior do que em qualquer dos tipos de fibra multimodo. Veja Figura 5 e 6, para exemplos de fibra monomodo e modo de refração da fibra monomodo, respectivemente.

Figura 5 – Exemplo de fibra monomodo

Figura 6 – Modo de refração da fibra monomodo

A aplicação das fibras monomodo vão desde sistemas de ultra-longa distância (~1000 km), como os sistemas submarinos e terrestres, assim como os sistemas de telefonia regionais, acesso e serviços de TV a cabo (~100 km) [4].

De acordo com [4] as fibras monomodos podem ser divididas em três grupos: fibras monomodo convencionais ITU-T G.652 (Standard Monomode Fiber – SMF), fibras de dispersão deslocada ITU-T G.653 (Dispersion Shifted Fiber – DSF) e fibras de dispersão deslocada não-nula ITU-T G.655 (Non Zero Dispersion Shifted Fiber – NZDF).

Veja abaixo uma breve descrição de cada uma delas [4]:

- As fibras ITU-T G.652 foram as primeiras a serem construídas. Esses tipos de fibras foram otimizadas para operarem na janela de 1310 nm. Para sinais nesse comprimento de onda, as fibras convencionais apresentam dispersão nula e baixa atenuação. Praticamente todos os sistemas de comunicações do início da década de 1980 possuíam fontes que operavam nesse comprimento de onda. Esse tipo de fibra vem sendo fabricado desde o início dos anos 80 e é o tipo de fibra monomodo mais instalada no mundo inteiro. Apesar de estar otimizada para operação em 1310 nm, essa fibra também permite a operação na janela de 1550 nm, quando a dispersão não é um fator limitante para o sistema.
- No meio da década de 80, surgiram os primeiros amplificadores, a fibra dopada com érbium (AFDEs). Esses amplificadores são capazes de amplificar sinais em torno de 1550 nm, coincidentemente a mesma região espectral onde as fibras apresentam a menor atenuação possível. Por essa razão, foi interessante migrar a região de operação dos sistemas de 1310 nm para a região de 1550 nm, onde os amplificadores poderiam ser utilizados e como conseqüência os sistemas poderiam cobrir distâncias muito maiores. Por esse motivo, foram desenvolvidas as fibras ITU-T G.653. Essas fibras possuem dispersão nula na região de 1550 nm, i.e., um sinal com comprimento de onda em 1550 nm propagando nessa fibra não sofrerá os efeitos da dispersão. Somando o efeito nulo da dispersão, com o mínimo de atenuação e o uso dos AFDEs, os sistemas baseados em fibras de dispersão deslocada puderam cobrir distâncias nunca antes imaginadas.
- As fibras NZDs podem ser encontradas comercialmente apresentando tanto dispersão positiva ou negativa na região de 1550 nm e são uma evolução das fibras DS. Essas fibras apresentam uma pequena dispersão suficiente para evitar os efeitos não lineares, mas ainda pequena o suficiente para não causar penalidades no sistema pelo alargamento dos pulsos.

Vantagens de se utilizar fibras monomodo:

• Distâncias maiores e ilimitadas;
• Taxas de transmissão muito altas.

Desvantagens de se utilizar fibras monomodo:

• Torna difícil o alinhamento devido ao núcleo ser muito pequeno;
• Alto custo.

Nota:
*Dispersão modal: são atrasos do sinal na fibra multimodo causado pelos diferentes modos de propagação que a luz pode ter no núcleo.

E isso aí pessoal. Neste post se encerra a parte onde falei sobre os meios físicos utilizados no Profibus DP. No próximo post vou falar um pouco mais sobre a Camada de Enlace e os telegramas de mensagens.

Até mais!

Referencias Bibliográficas:

[1] ALBUQUERQUE, P. U. B., ALEXANDRIA, A. R. (2009). Redes Industriais – Aplicações em Sistemas Digitais de Controle Distribuído. Ensino Profissional Editora.
[2] http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialfoIII/pagina_4.asp
[3] http://www.melhorseguranca.info/2009/02/fibra-optica-multimodo-vs-monomodo.html
[4] http://www.telcon.com.br/Telcon/Web/Perguntas/Default.aspx?idper=S10110509132753
[5] http://www.melhorseguranca.info/2009/02/fibra-optica-multimodo-vs-monomodo.html
[6] http://www.dsif.fee.unicamp.br%2F~rudge%2Fpdf%2FDispers_Complet_f201r.pdf&ei=P23sT6_UMJSQ8wTbxK3hBQ&usg=AFQjCNFOdn_8eek38TEOmRotC9T6L0_7og&cad=rja