Оптоволоконные технологии в системах оповещения ROXTON

Оптоволоконные технологии предоставляют современному проектировщику систем оповещения и систем связи очень широкие возможности. Ширина полосы частот оптических каналов связи на несколько порядков превышает ширину каналов с коаксиальным кабелем. В последнее время разработаны оптические кабели, имеющие низкое затухание сигнала, высоконадежные устройства генерирования и детектирования сигнала, что наряду с широкой пропускной способностью позволяет передавать речевую информацию на большие расстояния. В связи с этим оптические технологии нашли самое широкое применение в области оповещения и проводной связи.

 

Волоконно-оптические линии связи ВОЛС

Каналы связи в области систем оповещения можно разделить на 2 категории: проводные и беспроводные. В беспроводных каналах информация передается в свободном пространстве, в котором несущий информационный сигнал излучается и принимается при помощи антенн. Проводной канал, иначе называемый физическим, обеспечивает соединение передатчика и приёмника двумя способами: двухпроводной линией, которая пропускает электрический сигнал, или стекловолокном, которое переносит информацию посредством модулированного светового луча.

Проводные каналы давно и активно используются в различных областях для передачи данных, звуковых сигналов, видеосигналов. Проводной канал можно разделить на витые проводные пары и коаксиальный кабель, представляющие собой электромагнитный канал, обеспечивающий прохождение относительно небольшой ширины полосы частот (узкополосные каналы). Приведем пример. Телефонный провод, соединяющий клиента с центральной станцией, имеет ширину полосы несколько сотен килогерц; Коаксиальный кабель имеет ширину полосы частот порядка мегагерц, а вот порядок полосы частот ВОЛС уже гигагерцы и выше. На сегодняшний день ВОЛС обладает самой высокой пропускной способностью среди линий связи и имеет порядок нескольких Терабит в секунду.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) относятся к области проводных технологий, основное преимущество которых перед беспроводными – высокая надежность, особенно в критических условиях. Проводные технологии эффективны для решения задач как в мирных целях, так в стратегических условиях. Волоконно-оптическая связь (ВОЛС) характеризуется способом передачи информации, использующим в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического диапазона. ВОЛС в качестве среды использует волоконно-оптические кабели. Широкая пропускная способность ВОЛС достигается благодаря высокой несущей частоте и широкими возможностями мультиплексирования. ВОЛС характеризуются такими преимуществами, как малое затухание, что позволяет применять их для передачи информации на большие расстояния без необходимости промежуточного усиления.

Оптические линии нашли широкое применение в области оповещения и связи, в которой имеют несомненное преимущество перед металлическими линиями:

  • сигнал передаваемый по оптике не искажается внешними электромагнитными и радиочастотными помехами;
  • волоконно-оптическая связь труднодоступна для несанкционированного использования;
  • оптические сигналы не требуют заземления, передатчик и приемники оптических линий изолированы и, следовательно, свободны от проблем, связанных с организацией заземляющего контура;
  • оптический кабель абсолютно невосприимчив к воздействию высокого напряжения или молнии;
  • оптический кабель пожароустойчив.

Все это и многое другое идеально соответствует высоким требованиям и стандартам в сфере пожарной безопасности и, в частности, в сфере транспорта.

Физическая основа

В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления, рис.1.

 

Рис.1 - Конструкция и принцип функционирования оптического волокна.

Оптическое волокно представляет собой диэлектрический волновод изготовленный из кварцевого стекла. Оптическое волокно (волновод) состоит из двух элементов — сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оптической оболочки. Сердцевина – это область в центре волокна, показатель преломления n1 которой немного (примерно на 1%) больше показателя преломления оболочки n2, n1 > n2, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её. Оболочка – область волокна вокруг сердцевины, которая (чаще всего) изготавливается с постоянным коэффициентом преломления. Созданная таким образом структура позволяет удерживать большую часть света в зоне сердцевины.

Источником света в волоконно-оптической системе является светоизлучающий диод или лазер. Информация передается путем модуляции (изменения) интенсивности источника света информационным сигналом (сообщением), распространяясь по волноводу как световая волна. Для компенсации затухания сигнал периодически усиливается, в случае цифровой передачи детектируется и восстанавливается ретрансляторами. Детектирование сигнала осуществляется в приемнике при помощи фотодиода, на выходе которого формируется электрический сигнал, повторяющий интенсивность (мощность) света на входе фотодиода.

Оптические технологии в системах оповещения

Системы оповещения решают широкий круг задач в сферах безопасности зданий и сооружений, промышленной автоматики, транспорта. Система оповещения является конечным элементом любой структуры, в которой требуется передача речевой информации человеку. Для передачи информации, как обычно, требуется передатчик и приемник. В системах оповещения функции передатчика могут выполнять автоматические рабочие места (АРМы) включающие микрофоны, блоки сообщений, аппаратно-программные комплексы (АПК) и т.д., функции приемника – громкоговорители, в различных сферах применения называемые речевыми оповещателями, оконечными техническими средствами и т.д. Функции ретранслятора выполняют преобразователи сигналов и усилители.

Системы оповещения можно классифицировать по различным признакам:

  • по области применения – оповещение о пожаре, оповещение о чрезвычайных ситуациях;
  • по назначению – системы фонового вещания (звукового сопровождения), системы передачи экстренных сообщений, системы автоматического аварийного оповещения;
  • по способу реализации – аналоговые, цифро-аналоговые, цифровые;
  • по способу построения – локальные, распределенные.

Классификация по способу построения апеллирует к дальности передачи – трансляции сигнала. Локальные системы – системы функционирующие, как правило, в пределах одного объекта (сегмента). Распределенные, иногда называемые системами с централизованным управлением это, как правило, элементы единой системы, состоящие из блоков контроля и управления и периферийных блоков, удаленных на большие расстояния.

На рис.2 представлены примеры реализации систем оповещения по способу построения или по способу реализации проводных каналов оповещения на локальном рис.2(А), протокольном, рис.2(Б), сетевом, рис.3 уровнях взаимодействия.

 

Рис.2 - Примеры реализации проводных каналов оповещения на локальном и протокольном уровнях взаимодействия

Важно заметить, что в крупных решениях (в распределенных системах оповещения) все три уровня могут присутствовать и использоваться одновременно.

На рис.2(А) представлена элементарная (локальная) система оповещения. К низкоуровневому аудио-входу трансляционного усилителя ROXTON AA-35, подключен электро-динамический микрофон тангетного типа T-721, речевое сообщение с которого усиливается стандартным широко-распространенным трансляционным усилителем ROXTON AA-35, к которому могут быть подключены либо низкоомные (акустические системы АС), либо трансформаторные громкоговорители. Возможное удаление (вынос) электро-динамических микрофонов имеет порядок десятка метров. Расстояния для низкоомного выходного согласования (удаления громкоговорителя) также не велики, так как АС включается непосредственно в выходную цепь усилителя мощности (УМ), следовательно, передача большой мощности требует высокой токовой составляющей и провода большого сечения приводящего к расходам по меди.

На рис.3 (Б) представлен фрагмент цифроаналоговой, наиболее распространенной на сегодняшний день реализации с выходным трансформаторным согласованием, решением, значительно увеличивающим рабочие расстояния. В данной схеме, звуковой балансный сигнал и сигнал управления по интерфейсу RS-485 (дальность до 1200м при терминировании линии 120 Ом резисторами) от микрофонной консоли ROXTON RM-8064 поступают на комбинированную систему ROXTON RA-8236. Усиленный (до 360Вт) речевой сигнал поступает на повышающий (до 100В) трансформатор, согласующий линию громкоговорителей с выходным каскадом усилителя. В громкоговоритель встроен тоже согласующий, но уже понижающий (~10В) трансформатор, с выхода которого речевой сигнал поступает в динамик. Линии с трансформаторным согласованием называют трансляционными линиями. Двойная гальваническая развязка в таких линиях очень хорошо защищает усилитель от наводок, дополнительное повышение напряжения существенно минимизирует потери на проводах и расходы по меди.

На рис.3 представлен фрагмент, поясняющий принцип работы систем оповещения на сетевом уровне. Прежде всего, следует отметить, что на этом уровне могут работать только специализированные системы.

 

Рис.3 - Пример реализации канала оповещения на сетевом уровне взаимодействия

На рис.3 продемонстрирован фрагмент решения, построенного на базе цифровой системы оповещения ROXTON IP и семействе сетевых коммутаторов ROXTON. Более подробно с возможностями цифровой системой оповещения ROXTON IP можно познакомиться в статье по ссылке.

На рисунке, в частности, показано следующее. Контроль и управление всей системой ROXTON IP осуществляет аппаратно-программный комплекс АПК ROXTON IP-A6700R. При помощи данного комплекса можно активировать любое устройство, входящее в состав системы, посмотреть его состояние, а также состояние всей системы в целом. Речевое сообщение с микрофонной консоли IP-A6702 в оцифрованном виде может быть передано любому исполнительному устройству, например, терминальному IP-усилителю IP-A67500 нагруженному стандартной трансформаторной линией или вызывной панелью со световой индикацией IP-A6711, осуществляющей дуплексную связь с другими устройствами системы. В качестве канала связи в данном примере используется стандартная 100 мегабитная TCP/IP сеть.

Сетевой коммутатор ROXTON UNS-1008F2S, изображенный на схеме, относится к классу неуправляемых устройств, содержит восемь 100 Мбит/с портов с авто-согласованием, комбинированным портом и двумя дополнительными SFP портами, используемыми для подключения к ВОЛС линиями связи. Данный коммутатор с технологией FlowControl (IEEE 802.3x) обеспечивает высокую надёжность передачи и защиту данных от перегрузок, как в полнодуплексном, так и в полудуплексном режимах. Технология авто-MDI/MDIX определяет тип коммутационного шнура, что упрощает процесс монтажа и устраняет необходимость применения кроссоверных кабелей при соединении нескольких коммутаторов напрямую. Данный коммутатор активно используется в распределённых системах оповещения, сертифицирован в соответствии с техническом регламентом о требованиях пожарной безопасности ФЗ-123.

Для подключения к коммутатору оптоволоконной линии используются специализированные двухволоконные SFP (сокр. от Small Form-factor Pluggable) модули. Данные модули представляют собой оптические приемопередатчики, осуществляющие прием и передачу данных по разным волокнам. В отличии от одноволоконных модулей, двухволоконные модули используют, как правило, одинаковые длины волн для приема / передачи оптического сигнала. Для сопряжения с ВОЛС коммутаторы комплектуются дополнительными модулями, рис.4.

Оптический трансивер ROXTON SFP-SM2LC1310, рис.4, является устройством, поддерживающим SFP стандарт и используется в составе семейства сетевых коммутаторов ROXTON, см. выше.

 

Рис.4 - Оптический трансивер ROXTON SFP-SM2LC1310

Трансивер ROXTON SFP-SM2LC1310 предназначен для работы с одномодовым оптическом волокном (SMF), длиной волны 1310 нм и диаметрами сердцевины / оболочки 9/125 мкм соответственно. Подключение оптических волокон к трансиверу осуществляется посредством двух LC разъёмов – волоконно-оптических коннекторов с полировкой соединительной поверхности типа PC. Трансивер поддерживает функцию цифрового мониторинга диагностики (DDM) и состояния SFP-модуля и обеспечивает скорость передачи данных 1.25 Гб/с, с дальностью до 10 км.

Рассмотрим другие примеры применения ВОЛС технологий, в частности, оптические преобразователи ROXTON FA-8130 и ROXTON FB-8131, являющиеся российской разработкой.

Оптические преобразователи ROXTON FA-8130 и ROXTON FB-8131

Оптические преобразователи ROXTON FA-8130 и ROXTON FB-8131 предназначены для работы в составе распределенной цифро-аналоговой системы оповещения ROXTON 8000.

Преобразователи позволяют увеличить расстояние между отдельными блоками или группами блоков системы ROXTON 8000 до 20 километров, посредством использования Волоконно-Оптической Линии Связи (ВОЛС).

Конкурентным преимуществом данных преобразователей является возможность передачи данных по одной линии ВОЛС. Обмен данными между оптическими преобразователями осуществляется в дуплексном режиме посредством оптического волокна с применением собственного проприетарного протокола (оптического моста) и технологии спектрального уплотнения каналов (сокр. WDM от англ. wavelength-division multiplexing). Данная технология предполагает необходимость совместного использования пары оптических преобразователей, устанавливаемых на противоположных концах ВОЛС и осуществляющих согласованный прием и передачу данных на двух длинах волн в дуплексном режиме. Оптический преобразователь ROXTON FA-8130 условно считается «ведущим» блоком и устанавливается с одной стороны шины ВОЛС, а ROXTON FB-8131 «ведомым», устанавливаемым с другой стороны той же шины.

На рис.5 изображен внешний вид и состав преобразователя ROXTON FA-8130.

 

Рис.5 - Внешний вид и состав оптического преобразователя ROXTON FA-8130

Блок обеспечивает контроль шины, контроль оптического порта, контроль работоспособности, характера общей неисправности и неисправности по питанию посредством, звуковой сигнализации, световой индикации и сигналов квитирования, согласно ГОСТ-53325 2012.

Специфика применения оптических преобразователей FA-8130 и FB-8131 в системе оповещения ROXTON 8000

На рис.6 изображен пример использования пары оптических преобразователей ROXTON FA-8130 и ROXTON FB-8131 в системе оповещения ROXTON 8000.

 

Рис.6 - Пример использования оптических преобразователей ROXTON FA-8130 и FB-8131 в системе оповещения ROXTON 8000

Существенная особенность данных преобразователей заключается в том, что они полностью поддерживают существующий протокол системы ROXTON 8000, позволяющий осуществлять трехканальное управление и централизованный контроль параметров удаленных (распределенных) терминальных блоков системы.

В данном примере контроль состояния удаленного терминального усилителя ROXTON RA-8236 / RP-8264, осуществляет блок контроля и управления ROXTON PS-8208. Всего в системе может использоваться до 64-х 8-ми зонных терминальных блоков, для удобства управления объединяемых в восемь возможных групп. Звуковой сигнал и сигнал управления может поступать с различных управляющих устройств в любую зону (группу зон), любого терминального блока или группы блоков, по 3-м различным каналам и 35 приоритетам.

Гибкая система приоритетов реализована как в терминальных устройствах, так и в блоках управления. Наивысший приоритет (в блоках RA-8236, RP-8264, PS-8208) имеет ручное (включение) управление. Следующий за ним высокий приоритет, как правило, отводится оповещению о пожаре. Далее следует приоритет оповещения о чрезвычайных ситуациях (ЧС), затем идет приоритет дистанционного управления, например с 8-ми микрофонных консолей. Наивысший приоритет имеют блоки управления с наивысшим адресом (всего их 9). Фоновая музыкальная трансляция имеет низкий приоритет, так например, для случая показанного на рис.6, аудио-процессор ROXTON AP-8264, к которому подключены контакты от системы пожарной автоматики должен иметь адрес 9, блок контроля и управления ROXTON PS-8208, к которому подключены контакты от системы ГОЧС, должен иметь адрес 8, а микрофонная консоль ROXTON RM-8264, при помощи которой осуществляется дистанционное (ручное) управление: включение зон и трансляция речевого сигнала, может иметь любой адрес, но не выше 7.

Оптические преобразователи ROXTON FA-8130 и ROXTON FB-8131 осуществляют конвертацию цифроаналоговых данных, передаваемых по шине RS-485 – цифровых данных и трех аналоговых аудиоканалов, в цифровой формат, предназначенный для передачи по ВОЛС. Без использования данных преобразователей максимальная длина шины, даже при использовании 120-омных терминирующих коннекторов, не превышает 1200 метров. Каждая же пара (связка) преобразователей ROXTON FA-8130 и ROXTON FB-8131 гарантированно увеличивает эту дальность на 20 км. Инженеры компании ROXTON провели успешное тестирование работоспособности системы ROXTON 8000 для 5-ти комплектов преобразователей (с бухтами по 25км), реализовав линию протяженностью 125 км.