Ripetitori in fibra ottica: come funzionano davvero

Partiamo dicendo che RS485 è un ottimo standard di comunicazione. È pensato per distanze lunghe (fino a 1200 m), velocità discrete (fino a 10 Mbps) e un buon numero di dispositivi (da 32 a 256, in base al transceiver usato). Poter usare queste specifiche fino in fondo, però, non vuol dire doverlo fare.

La lunghezza di un singolo ramo RS485 in rame va tenuta sotto controllo. Una grande rete in rame che attraversa molti piani o più edifici ha un altro nome. Quel nome è antenna.

Cosa vuol dire? Che tutto il rumore elettrico che passa nell’aria si può accoppiare alla rete e creare interferenze. La comunicazione RS485 non si ferma per forza (è uno standard molto robusto), ma la rete resta esposta a molti problemi, tra cui fulmini, anelli di massa e sovratensioni.

Un bus RS485 su più piani: dove nasce il problema

Tra un piano e l’altro di un edificio ci possono essere alcuni volt di differenza di massa. Non è molto, e tanti dispositivi non se ne accorgono nemmeno, lavorano senza problemi (alcuni reggono differenze ben maggiori, ma questo è un altro discorso). Con molti piani, però, quei pochi volt si sommano e la comunicazione può risentirne, con qualche timeout, qualche pacchetto perso, uno o due driver guasti. Ancora gestibile.

Al primo temporale tutto il bus si spegne. Cos’è successo?

L’elettricità statica o un fulmine possono creare, per qualche istante, una differenza di massa di centinaia o migliaia di volt lungo il bus, e i transceiver si guastano. Serve quindi un modo per far parlare i dispositivi senza fili di rame e senza elettricità, e la risposta è la fibra ottica.

Spezzare il bus in più rami con la fibra ottica aiuta in tre modi:

• Meno dispositivi su un ramo significa tensione di segnale più alta, quindi comunicazione più tollerante al rumore. Vale con la fibra, ovviamente, ma anche con un normale ripetitore RS485.
• Rami di bus più corti significano un’antenna più piccola, quindi meno rumore accoppiato e meno interferenze.
• Spezzoni di rame più corti significano anche che, se un fulmine cade vicino al bus, i dispositivi a rischio sono meno.

Fare tutta la comunicazione in fibra sarebbe l’ideale, ma non ha molto senso. Sarebbe molto costoso, e dal punto di vista dell’installazione sarebbe scomodo.

Il consiglio più diffuso è quindi usare la fibra ottica almeno per la dorsale della rete, per bilanciare costo, praticità e protezione.

Com’è fatto un ripetitore in fibra ottica

La fibra ottica lavora punto-punto, quindi non si possono collegare più dispositivi in cascata direttamente. Serve un ripetitore in fibra ottica. Prendiamo come esempio il TSS/1M. Ha tre sezioni, ognuna con un compito preciso.

Come viene gestito il traffico

1. Nel video il PLC interroga tre dispositivi, uno alla volta, ID 8 al piano 3, ID 4 al piano 2, ID 3 al piano 1.
2. Il PLC manda la richiesta sul suo cavo RS485. Il CMM/1S la converte in luce e la trasmette su fibra.
3. Il primo ripetitore riceve il pacchetto sul suo ingresso ottico.
4. Nello stesso istante il ripetitore fa due cose, ritrasmette il pacchetto sull’uscita ottica verso il piano successivo e sul bus RS485 dell’uscita elettrica del suo piano.
5. Il piano successivo fa lo stesso, e così via fino all’ultimo.
6. La richiesta arriva quindi su tutti i bus di tutti i piani.
7. Tutti i dispositivi vedono il pacchetto, ma solo quello con l’indirizzo giusto lo accetta. Gli altri lo ignorano, come su un normale bus RS485.
8. Il ritardo aggiunto è minimo, tipicamente circa 100 ns per ripetitore.
9. Ad esempio, con 10 ripetitori il ritardo totale è 1 µs, meno di un bit a 250 kbps (4 µs). Per il protocollo la catena è invisibile.
10. Visto dal PLC, è come un unico bus RS485 elettrico su tutto l’edificio.
11. Le risposte viaggiano in una direzione sola. Un pacchetto che entra dall’uscita elettrica non viene mai rimandato sull’uscita ottica, altrimenti i bus si intaserebbero. Sembra un dettaglio, ma è quello che fa funzionare davvero questa topologia.

Fibra e massa: anelli di massa, disturbi e fulmini

La fibra ottica è fatta di vetro o di plastica, quindi non conduce elettricità, ed è proprio questo il punto. Nell’esempio sopra il bus non è collegato elettricamente tra un piano e l’altro, ogni piano è completamente indipendente, e tutti i vantaggi portano allo stesso risultato, una comunicazione più robusta.

I benefici principali della fibra sono l’assenza di anelli di massa e l’immunità a disturbi e fulmini.

Anelli di massa

Quando due punti a potenziale diverso sono collegati da un conduttore, scorre corrente, e non c’è modo di evitarlo. La massa si usa come riferimento, ma di per sé non vuol dire molto, perché la “stessa” massa può differire anche di decine di volt dentro un edificio, centinaia tra edifici diversi.

Tenendo a mente questi due concetti, cos’è esattamente un anello di massa? Quando masse diverse vengono collegate tra loro e il loro potenziale non è lo stesso, scorre corrente, che cerca di riequilibrare il potenziale. È un problema per due motivi. La corrente genera un campo magnetico attorno al filo, e se è abbastanza forte si accoppia ai fili del bus (A e B) e crea interferenze. Inoltre lo standard RS485 ammette una tensione di modo comune da −7 V a +12 V, mentre i nostri transceiver reggono fino a ±25 V. Se la differenza di massa lungo il bus supera questa tensione, la comunicazione semplicemente non funziona. Se il modo comune supera di molto qualche decina di volt (anche per un attimo, per una sovratensione ad esempio), i transceiver si danneggiano in modo irreversibile.

Disturbi

Qui è semplice. Rete cellulare e WiFi sono rumore, dal punto di vista del bus RS485. Inverter, motori e pompe sono rumore. Questo rumore si accoppia ai fili di rame e induce una corrente, che genera una tensione.

Il problema si riduce di molto twistando i fili A e B (soprattutto se il rumore è debole e continuo, come cellulare e WiFi), e quasi tutti i cavi in commercio sono già twistati. A volte, però, il rumore è così forte che l’unica soluzione è l’isolamento in fibra ottica.

Fulmini

Quando un fulmine colpisce un punto, si propaga in fretta sui conduttori elettrici, fili di rame compresi. Qualche modo per limitare le conseguenze della scarica esiste, ma l’unico vero blocco per un evento del genere è la fibra ottica, perché è un isolante perfetto.

È abbastanza ovvio, ma meglio dirlo: se i dispositivi condividono la stessa alimentazione non sono isolati, e il fulmine passa da quei fili anche se il bus RS485 è protetto. Servono alimentazioni separate per rami separati. Altrettanto ovvio, altrettanto da dire, il ramo colpito resta esposto. La fibra ferma solo la propagazione verso gli altri rami.

Esempio pratico: cosa serve per un albergo di 3 piani

Quale fibra scegliere

La scelta dipende soprattutto dalla distanza tra i ripetitori.

Regola pratica: dentro l’albergo, con ripetitori entro 100 m, è sufficiente una fibra ottica sintetica (POF). Si taglia e si monta sul posto, senza attrezzi speciali. Tra edifici separati, meglio la fibra di vetro.

Lista materiali

• Un PLC o un server a scelta al piano terra, di solito vicino alla reception, e 3 piani con dispositivi RS485.
• 1 CMM/1S al piano terra, 1 TSS/1M al piano 1, 1 TSS/1M al piano 2, 1 CMM/1S al piano 3.
• Fibra ottica: una fibra a due canali (TX e RX) tra un piano e l’altro, per esempio POF/2.
• Alimentazione: un alimentatore (trasformatore o switching) per piano.
• Su ogni bus di piano: terminazione da 120 Ω in fondo (o alle due estremità, dipende dalla topologia).
• Per più piani: un TSS/1M in più per ogni piano in più.

Checklist di installazione

• L’ingresso ottico guarda verso il server, l’uscita ottica verso il piano successivo.
• Su ogni tratta ottica il TX di un’unità va sull’RX dell’altra.
• Fibra plastica: taglio netto e fibra spinta in fondo al connettore.
• Verificare le distanze massime di ogni tratta e rispettare il raggio minimo di curvatura.
• Ogni ramo dell’uscita elettrica è un bus RS485 a sé, con la sua terminazione.
• Un alimentatore per ogni ramo RS485, mai un singolo alimentatore per tutto l’impianto.

Domande frequenti

• Perché usare questa topologia? Si può vedere come un’assicurazione sul bus. Si paga qualcosa in più in fase di installazione per avere un impianto più robusto e protetto.
• Il ripetitore rallenta la comunicazione? Circa 100 ns per ripetitore, quindi 10 ripetitori introducono circa 1 µs di latenza, meno di un bit a 250 kbps.
• Devo impostare velocità o direzione? No, sono automatiche, niente DIP switch da impostare.
• Che distanze coprono fibra plastica e vetro? POF 100 m, HCS VersaLink 500 m, vetro 2000 m per tratta.
• La fibra protegge dai fulmini? Ferma la propagazione tra i rami, ma il ramo colpito resta esposto.
• Due dispositivi su piani diversi possono parlarsi? No, l’architettura è master/slave: parlano solo con il server o con il PLC.

Per concludere

Una dorsale in fibra cambia poco per il PLC e molto per l’impianto. Il protocollo vede un unico bus RS485 su tutto l’edificio. L’edificio vede rami di rame separati, ognuno con la sua massa e la sua alimentazione, così un guasto su un piano resta su quel piano. L’esempio usava RS485, ma gli stessi ripetitori lavorano con RS422 e RS232, perché alla sezione ottica non importa quale standard elettrico ci sia ai due capi.

Scrivici il numero di piani, le distanze tra loro e il protocollo che usate, e ti consigliamo quali ripetitori e quale fibra servono. Le specifiche complete sono nella pagina del TSS/1M.