Fibra Óptica para Ambientes y Redes Industriales

Ing. Hugo Maldonado Téllez
NSI Networks, Sr. Key Account Manager para México y LATAM.
hugo.maldonado@nsi-networks.com


Resumen: Debido a las prestaciones que proporciona, en los últimos años la fibra óptica es uno de los componentes más utilizados dentro de la infraestructura de las comunicaciones de los sistemas y redes industriales, para trasportar información en altas tasas de trasmisión de datos y en grandes distancias. Se usan en un sin fin de aplicaciones en las áreas de telecomunicaciones y dentro de las redes Industriales tales como Modbus, Profibus, Scada, Ethernet/IP entre otras. Actualmente, existen dos tipos de fibras: las Multimodo (MMF-Multi mode Fiber) y las Monomodo (SMF-Single mode Fiber), es de suma importancia seleccionar adecuadamente el tipo de fibra óptica a utilizar para la ingeniería de redes de acuerdo a sus características técnicas.

PALABRAS CLAVE: Fibra Óptica, Multimodo, Monomodo, atenuación, ambiente critico industrial, tipos de conectores, perdida de inserción.


INTRODUCCIÓN

Todos los ambientes de Redes Industriales sufren de factores negativos de conectividad que afectan su operación y rendimiento; por tal razón, es necesario revisar los conceptos de infraestructura y corregir conectores ópticos sucios, dañados o no alineados por sus férulas, con base a la norma IEC-61300-3-35 [1], como una parte de la red que debemos proteger para mantener los procesos de control en óptimas condiciones, además, es necesario verificar la calidad de las terminaciones antes de realizar una conexión de fibras para que así se mantenga el ciclo de vida de la fibra óptica y la trasferencia de datos no sea afectada por algunas impurezas de los ambientes critico-industrial.

Dentro de los ambientes critico-industrial a nivel internacional, se encuentra la identificación de las normas, Americana (ANSI/TIA/EIA 1005 – Telecommunication Infrastructure Standard for Industrial Premises) y la Europea (ISO/IEC 24702 Information Technology – Generic Cabling – Industrial premisses), que especifican el cableado estructurado en cuanto al proyecto y las prácticas de construcción para ambientes industriales abordando los requisitos de longitud, configuración y topología, ayudando a completar las normas generales de Edificaciones Comerciales (EIA/TIA 568B-2, ISO/IEC 11801 o NBR 14565:2007) [2].

Básicamente, cada fibra óptica es un cable óptico y está compuesta por un núcleo (core) central de vidrio (por donde se produce la trasmisión de la luz) y un revestimiento (cladding) que refleja la luz de vuelta al núcleo, ambos envueltos por la cubierta protectora (coating), ver figura 1.

Figura. 1. Composición de cable óptico.

Las fibras ópticas se clasifican en dos grupos, Multimodo y Monomodo, con base en la cantidad de modos de propagación que son capaces de transmitir y en las dimensiones físicas del núcleo de estas. Las Fibras Multimodo tienen un núcleo con diámetro que oscila entre 50 μm y 62.5 μm, lo que permite que la luz de trasmisión viaje en múltiples rutas formas o modos; este tipo de propagación genera perturbaciones llamadas dispersión modal debido a la diferente velocidad de cada modo; como consecuencia, la atenuación de la señal (pérdida en potencia) es alta y el ancho de banda está limitado por la distancia (10 Gbps hasta 300 metros).

Para el uso de estas fibras, la  IEEE recomienda que las distancias no superen los 2 km, ya que su núcleo es grande y hace que la captura de la luz sea más fácil, y para su interconexión no se necesitan conectores caros, por lo que la implementación, despliegue y mantenimiento de la red sean más flexibles y económicos que las fibras Monomodo.La fibra Monomodo tiene un núcleo más pequeño de 8 a 12 micras (μm) de acuerdo con los estándares internacionales y permite la transmisión de la luz en solo un modo.

La fibra Monomodo puede transmitir grandes cantidades de ancho de banda a largas distancias (10 Gbps, 40 Gbps, 100 Gbps, 400 Gbps apoyándose con compensadores de dispersión o amplificadores que residen en el equipo activo), por lo que generalmente se instalan en redes de acceso, redes metro y de larga distancia. La fibra Monomodo requiere costosas fuentes de luz y dispositivos de alineación (amplificadores) que pueden inyectar la suficiente potencia a la luz en el pequeño núcleo de modo único. Esto hace que la construcción de redes Monomodo sea más sensible y costosa. En la figura 2 se muestran los tipos de fibra óptica y sus características.

Figura. 2. Fibra Óptica Multimodo y Monomodo.

Para el uso de fibra óptica Multimodo dentro de las redes industriales debemos de tomar en cuenta gran parte de estos factores de ambientes critico-industrial de cableado estructurado, para edificaciones donde la fibra óptica puede ser utilizada en cualquier tipo de ambientes con presencia de polvo, humedad, grasas, aceites, ácidos, vibraciones, golpes y con grados de protección más elevados y adecuados para ambientes agresivos. Para el caso de la fibra óptica Monomodo, esta es más utilizada en proyectos de telecomunicaciones cambian las consideraciones técnicas y de aplicaciones.

CLASIFICACIÓN DE FIBRAS ÓPTICAS

En comparación con el cableado de cobre y siguiendo las normas internacionales (TR-42.8 – Telecommunications Optical Fiber Cabling), las fibras ópticas ofrecen un mejor desempeño para la industria, edificaciones, datacenters y residencias, es por tal motivo que, frecuentemente, las fibras ópticas se encuentran sustituyendo el cableado estructurado tradicional. Tomando como referencia la figura 3, el canal óptico sirve como parámetro de medida de desempeño para cualquier solución de red óptica.

Figura 3. Canal Óptico de Referencia.

De acuerdo a características particulares y desempeño de las fibras Multimodo, es posible clasificarlas por su aplicación y performance Ethernet, ver Tabla 1.

Tabla 1. Clasificación de fibras Multimodo por la TIA-492AAAA-A IEC 60793-2-10

Actualmente, se encuentran fibras Multimodo con tasas de transmisión aún más elevadas que trabajan con un diodo láser y son compatibles con las redes actuales para trasmitir a corta distancia grandes cantidades de ancho de banda usando la tecnología SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing), ver Tabla 2.

Tabla 2. Clasificación de fibras Multimodo con tecnología SWDM, TIA-942AAAE

Las fibras Monomodo las podemos encontrar en un sinfín de aplicaciones principalmente en el mundo de las telecomunicaciones y entornos de redes ópticas, ver Tabla 3.

Tabla 3. Clasificación de fibras Monomodo.

CONSIDERACIONES PARA REDES INDUSTRIALES

Las soluciones Ethernet para uso industrial están relacionadas con el cableado estructurado y se pueden utilizar en cualquier tipo de ambiente, al igual que las fibras ópticas Monomodo y Multimodo. Los ambientes crítico-industrial sufren de polvo en áreas específicas ya que se concentra demasiado y pueden dañar las conexiones debido a que llegan partículas de suciedad a la superficie del núcleo, se bloquea la luz, lo que nos arrojara una pérdida de inserción y una posible pérdida de trasmisión de datos dependiendo el nivel de suciedad (ver la Figura 4), adicionando los defectos generados por una mala manipulación por parte del operador, técnico o ingeniero.

Figura 4. Tipos de defectos en la fibra óptica.

Es importante realizar una inspección de la fibra óptica para obtener rendimientos óptimos y duraderos en cuanto a conectividad. Los conectores de fibra óptica deben de inspeccionarse, analizarse y limpiarse a lo largo de su vida útil para tener una red operando en óptimas condiciones, como lo marca la norma 61300-3-35. En la Figura 5 se aprecia la representación de una conexión limpia y una conexión sucia por diferentes factores del ambiente a las que están expuestos.

Figura 5. Representación de F.O. con conexión Limpia y Conexión Sucia.

Para lograr una mayor protección de las fibras ópticas en la industria, existe un índice de protección de grado IP67 para los ambientes más adversos que ayudan a protegerlas del agua, polvo, aceite, humedad e inmersión temporal.

CONECTORES DE FIBRA ÓPTICA

Los conectores de fibra óptica son dispositivos diseñados para proporcionar una unión mecánica, confiable y de bajas pérdidas entre los dos extremos de un enlace o de un extremo de fibra óptica con algún dispositivo activo (electrónico) de la red. Existen diversos tipos de conectores los cuales se seleccionan de acuerdo a su aplicación específica (comportamiento térmico, alineamiento de férulas, atenuación o pérdidas de inserción) según se requiera.

El tipo de conector se debe seleccionar durante el diseño de la red para conectar los equipos que proporcionen el servicio; otro factor que se debe considerar es el tipo de fibra (Monomodo o Multimodo) a conectar con sus respetivas características. El tipo de cable (indoor, outdoor) de acuerdo al uso específico de ambientes, así como sus características técnicas donde se implementará tomando en cuenta el tipo de herramienta especializada, accesorios, tiempos de ejecución, revisión y certificación de la misma. Los componentes principales de un conector de fibras se indican a continuación en la Figura 6.

Figura 6. Componentes principales de un conector LC.

Otro de los elementos que se debe tomar en cuenta respecto a los conectores de fibra óptica son las pérdidas de inserción bajo el estándar TIA/EIA 568B.3 y su desempeño bajo el cual ha sido fabricado. Por lo tanto, Los conectores ópticos tienen la función de conectar la fibra óptica al componente óptico de los equipos (puerto, tarjeta de servicio o equipo activo) de modo rápido y eficiente.

Los conectores se instalan por medio de alineadores y el color indica el tipo de pulido de la cara, siendo este importante al momento de configurar los equipos, seleccionando los correctos. Siempre se debe conectar los conectores de colores iguales por compatibilidad de las alineaciones.

Tabla 4. Tipos de Conectores para Fibra Óptica [4].
Tabla 5. Características constructivas de conectores de Fibra Óptica [3].

SEGURIDAD PARA CABLEADO INTERNO

Debido a la creciente cantidad de cables internos utilizados en edificios, industria, sitos de telecomunicaciones, ha aumentado la preocupación de los fabricantes, técnicos e ingenieros, en cuanto a las características de retardo de la flama de estos cables durante incendios.

Una de las primeras normas que trató este tema fue NFPA 70 (NEC – National Electrical CodeR), editado por National Fire Protection Association (NFPA), en los Estados Unidos. Basado en NEC la UL (Underwriters Laboratories) ha desarrollado pruebas de inflamabilidad y propagación de llamas. Donde es importante tener claro el comportamiento del cable ante las llamas en un accidente. Con relación al comportamiento del cable ante la llama hay métodos de ensayo de su comportamiento definidos principalmente por las normas UL-Estados Unidos (1685, 1581 Vertical tray), IEC-internacional (cabina 60332-1-2, quema de bandeja IEC 60332-3D), donde se consideran los siguientes parámetros:

  • Inflamabilidad: Se trata de cómo la llama se propaga en el cable.
  • Generación de Humo: Se refiere a la cantidad de humo generada.
  • Gases Tóxicos Producidos: Se refiere al grado de toxicidad del humo.
  • Corrosividad del Humo: Se refiere al poder de corrosión del humo.

Los cables “Lead Free” cumplen la política ambiental RoHS (denominada Restriction of the use of certain hazardous substances) que restringe el uso de Plomo; Cadmio; Cromo hexavalente; Mercurio, Polibrominados bifenilos (PBB) y Éteres difenílicos polibromados (PBDE). El cable “lZSH” tiene baja emisión de humo y sin la presencia de halógenos (por Ej. cloro, bromo) durante su quema. Tomando estas consideraciones con base a las normas, se tiene la clasificación siguiente ante la llama para fibra óptica, ver Tabla 6.

Tabla 6. Clasificación ante la llama para fibra óptica.

ÁREAS CRITICO INDUSTRIAL

En las áreas critico industrial que marca la norma (ANSI/TIA/EIA 1005 – Telecommunication Infrastructure Standard for Industrial Premises), las principales fallas que se identifican en los cableados comunes en ambientes críticos son:

  • Falla de polvo higroscópico: Materiales sólidos en suspensión pueden depositarse en las superficies de las placas de circuito impreso o en los contactos, formando un puente entre los dos conductores y causando corto circuito.
  • Oxidación: Humedad elevada daña los contactos, causando varios tipos de corrosión en los contactos que pueden llevar a fallas en el sistema.
  • Fatiga: Con la presencia de partículas en las áreas de contacto, las capas de metales preciosos pueden sufrir deterioro durante los procesos de conexión.
  • Desconexión: Ambientes con vibración pueden dañar los contactos de los conectores, causando pérdidas de las señales de comunicación.

En el estándar que se ha adoptado en la norma crea 3 niveles de hostilidad de los ambientes industriales (estándar MICE), con 4 parámetros de referencia que se describen a continuación:

  • Mecánico: Impacto, vibración, tensión, torsión, etc.
  • Interferencias Electromagnéticas: Descarga en contacto y por arco, radiofrecuencia, tensión de línea, inducción, etc.
  • Climático y Químico: Temperatura, humedad, radiación solar, productos químicos, etc.
  • Entrada: Partículas sólidas y líquidas.

La elección de productos con o sin blindaje depende del nivel de interferencias electromagnéticas que se presente dentro del lugar de instalación. Las interferencias de máquinas industriales con fuerte inductiva, lámparas fluorescentes o fuentes con tensiones elevadas pueden perjudicar la transmisión de datos en los cables de cobre. En dichos casos, se recomienda utilizar productos blindados con una adecuada infraestructura de instalación (canaletas eléctricas cerradas, etc.), ver Tabla 7 y Figura 7.

Tabla 7. Parámetros MICE versus Ambientes.
Figura 7. Parámetros MICE.

CABLES ÓPTICOS

Los cables ópticos Multimodo y Monomodo están constituidos de diferentes materiales de acuerdo a su aplicación y para usos diversos tanto para redes internas como para redes externas, aéreas, subterráneas o marítimas. En la figura 8 se muestra la composición de un cable de fibra óptica que puede ser utilizado en ambientes de instalación interno/externo.

Figura 8. Composición de un cable de fibra óptica para uso interior/exterior.

Dentro del cable las fibras permanecen sueltas recubiertas por gel o cable metálico que las protege de la exposición a una posible humedad o mordidas de roedores. Debido a la creciente cantidad de cables que existen en el mercado, es importante identificar sus aplicaciones y su uso específico interior/exterior de cada fibra óptica que seleccionemos, para ello hay que auxiliarse de sus características constructivas y nomenclatura ejemplificando en la figura 9.

Figura 9. Características constructivas y nomenclatura de una fibra óptica.

GLOSARIO

  • Fibra Óptica: Está compuesta de materiales dieléctricos, como el vidrio o los polímeros acrílicos, capaz de conducir y transmitir impulsos luminosos de uno a otro de sus extremos.
  • Pérdida de Inserción: Las pérdidas por inserción en telecomunicaciones son las pérdidas de potencia de señal debido a la inserción de un dispositivo en una línea de transmisión o fibra óptica y se expresa normalmente en decibelios (dB).
  • Atenuación: Significa la disminución de potencia de la señal óptica, en una proporción inversa a la longitud de fibra su unidad de medida son los dBs, la fibra se expresa en dB/Km. Este valor significa la pérdida de luz por Km.
  • Ambiente Crítico Industrial: Básicamente el concepto está relacionado a los productos en redes que puedan ser utilizados para ambientes de uso rudo que sufran principalmente con el polvo y la humedad.
  • SWDM: La multiplexación por división de longitud de onda de onda corta (SWDM) aprovecha otro medio de multiplicar velocidades de datos utilizando múltiples longitudes de onda para aumentar la capacidad de cada fibra por al menos un factor de cuatro.
  • Índice de Protección IP67: Es un índice de protección nivel de protección 6 contra objetos sólidos que establece que un producto está inmune contra depósitos de polvo. El nivel de protección 7 especifica que es contra líquidos (agua), y es posible sumergirlo hasta 30 minutos debajo de 1 m de agua.
  • NFPA 70E: Seguridad Eléctrica en Lugares de Trabajo, es una norma de consenso general de la National Fire Protection Association, que se encarga de reducir riesgos de trabajo así como accidentes.

CONCLUSIONES

Las fibras ópticas Multimodo y Monomodo desarrollan un papel de suma importancia en las redes industriales y de telecomunicaciones debido a que permiten altas tasas de trasmisión de datos e información sobre diferentes longitudes de onda seleccionadas por los trasmisores y receptores (equipo activo) de acuerdo a las aplicaciones requeridas en la industria de redes.

Al momento de diseñar un proyecto debemos de considerar los beneficios de la fibra óptica versus el cableado de cobre; la fibra no tiene interferencias del ruido y no tiene el problema de las distancias para trasmitir grandes cantidades de información en Gigabytes, recuerden que puede cubrir largas distancias (km) de acuerdo a las necesidades del proyecto y, en la actualidad, los costos ya no son tan elevados e inclusive dependiendo la aplicación y/o proyecto son más económicos que el uso de cobre.

Hoy en día, es necesario tener claro donde aplicar fibras ópticas Multimodo (OM1, OM2, OM3, OM4, OM5) y Monomodo (bandas 0 hasta la U): las fibras ópticas Multimodo por lo regular siempre son utilizadas para cubrir desde distancias cortas hasta 2 km, por lo tanto, se ocupan en las salas de control, sitios de IT, telecomm, edificios donde van todas las interconexiones con los equipos activos (controladores y tarjetas de servicio, puertos, conexión de enlaces). Las fibras Monomodo son preferentemente utilizadas en redes de telecomunicaciones que cubran enlaces de larga distancias que puede ser aéreos, subterráneos o marítimos desde 0 Km hasta X kilómetros de gran cantidad de distancia; los kilómetros a cubrir esto dependerá de los trasmisores y amplificadores que tengan los equipos activos.

REFERENCIAS

[1] ANSI WEBSTORE, https://goo.gl/dfCZJW

[2] Advance Global Communications TIA, https://goo.gl/ZGpRMd

[3] Furukawa Electric, https://goo.gl/9HXz2G

[4] Beyondtech, https://beyondtech.us/


ACERCA DEL AUTOR

El Ing. Hugo Maldonado Téllez es Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica egresado del IPN-ESIME y cuenta con más de 13 años de experiencia en soporte técnico, homologaciones, diseño e implementación de soluciones en Redes de Acceso, Redes de Transmisión y Redes de Datos.

En el área de Telecomunicaciones, trabajo en ALCATEL- LUCENT escribiendo, probando y homologando en laboratorio, protocolos con base a los estándares internacionales ITU sobre los servicios HSI, VoIP, IPTV de las tecnologías de redes de acceso (XDSL, VDSL2, GPON y Sistemas de Gestión) a implementar en México con Telmex principalmente. En HUAWEI TECHNOLOGIES ocupo diferentes gerencias como (Product Manager, Marketing & Solutions Manager, Sales Account Manager) donde fue responsable de introducir las nuevas tendencias tecnológicas en FTTX, ONTs, 10GPON, VDSL2, Vectoring, contribuidor en CWDM, DWDM, OTN en México, Latino américa y Centro América para Operadoras y Carriers como Telmex, ATT, Claro, América Móvil, Telnor.

Actualmente se encuentra laborando en la empresa NSI NETWORKS como gerente de cuentas clave senior. Responsable de las integraciones de soluciones y servicios en Telecomunicaciones (redes FTTX, análisis forense, seguridad, redes de voz y datos, redes industriales e Infraestructura) para proyectos nacionales y LATAM.


 

 

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