Универсализация волоконно-оптических кабелей структурированной кабельной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дипломный проект посвящен универсализации волоконно-оптических кабелей структурированной кабельной системы.

На основе рассмотрения существующих конструкций оптических кабелей СКС, анализа возможных методов универсализации, предложена конструкция универсального кабеля, основой которой являются кабель внутренней прокладки, за счёт использования специальных конструктивных мероприятий имеющий повышенную устойчивость к воздействию факторов окружающей среды, небольшие массогабаритные размеры и радиус изгиба, соответствующий кабелям внутренней прокладки. Дана подробная классификация кабелей СКС.

Подобраны материалы элементов конструкции предложенного кабеля, рассчитаны оптические параметры волокна для производства универсального кабеля, его массогабаритные размеры.

Дан сравнительный анализ потерь элементарных кабельных участков СКС с использованием внутри- и межобъектовых кабелей и универсального кабеля.

Представлены маршрут техпроцесса и схемы изготовления универсального кабеля. Предложены методы типовых испытаний кабеля.

Рассмотрены вопросы, связанные с безопасностью жизнедеятельности при производстве универсального оптического кабеля: опасные и вредные производственные факторы, чрезвычайные ситуации. Приведен расчёт вытяжного зонта, используемого в процессе нанесения лакокрасочного покрытия на оптическое волокно, предложена система утилизации отходов оптического волокна.

Проведено планирование техпроцесса с использованием метода СПУ, рассчитана смета затрат на изготовление кабеля, рассчитан экономический эффект применения универсального кабеля при строительстве СКС.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Понятие структурированной кабельной системы

Принципы построения СКС. Назначение её элементов

Магистральная подсистема территории

Магистральная подсистема здания

Горизонтальная подсистема

Кабели СКС

Универсальные кабели

1. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ

1.1 Классификация кабелей для СКС

1.1.1 Витая пара

1.1.2 Волоконно-оптический кабель

1.2 Конструкция основных групп ВОК для СКС

1.2.1 Кабели внешней прокладки

1.2.2 Кабели внутренней прокладки

1.2.3 Кабели для шнуров

1.3 Анализ возможных методов универсализации ВОК для СКС. Выбор конкретного варианта

1.3.1 Типовые механические и эксплуатационные характеристики современных кабелей внешней и внутренней прокладки

1.3.2 Анализ возможных методов универсализации ВОК для СКС.

Выбор конкретного варианта

2. СПЕЦИАЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ

2.1 Достоинства и недостатки стандартных ВОК для СКС

2.2 Материалы для производства оптического волокна. Области их применения

2.3 Материалы для изготовления ВОК

2.3.2 Синтетические высокомодульные материалы (СВМ)

2.3.3 Армирующие материалы из стеклопластика и металла

2.3.4 Водоблокирующие материалы для волоконно-оптических кабелей

2.3.5 Материалы защитных покрытий

2.3.6 Материалы для защиты от грызунов

2.4 Анализ технологий производства ВОК

3. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

3.1 Выбор исходных данных для расчёта

3.2 Расчет основных параметров многомодового волоконного световода с градиентным профилем показателя преломления

3.2.1 Расчёт нормированной разности показателя преломления

3.2.2 Расчёт локальной числовой апертуры

3.2.3 Расчёт максимальной входной угловой апертуры световода

3.2.4 Расчёт нормированной частоты

3.2.5 Расчёт числа мод в волоконном световоде

3.2.6 Расчёт критической частоты

3.2.7 Расчет критической длины волны

3.2.8 Расчёт потерь энергии на поглощение

3.2.9 Расчет потерь на рассеяние

3.2.10 Расчёт общих потерь энергии в волоконном световоде

3.2.11 Расчет модовой дисперсии

3.2.12 Расчёт полосы пропускания

3.3 Расчет параметров ВОК на основе общих требований к оптическим линиям связи

3.3.1 Расчёт оптического бюджета

3.3.2 Расчет бюджета ВОЛС на основе универсального ВОК

3.3.3 Расчет бюджета ВОЛС на основе внутриобъектового и внешобъектового кабеля

3.3.4 Расчёт числа каналов

3.4 Расчет механической прочности универсального ВОК для СКС

3.4.1 Растягивающие нагрузки

3.5 Расчет геометрических размеров ВОК

3.5.1 Расчет диаметра модуля

3.5.2 Расчет диаметра профиля

3.5.3 Расчет диаметра профилированного сердечника

3.5.4 Расчет полного диаметра универсального ВОК для СКС

3.6 Расчет масс элементов волоконно-оптического кабеля

3.6.1 Расчет массы центрального силового элемента

3.6.2 Расчет массы профилированного сердечника

3.6.3 Расчет массы оптического модуля

3.6.4 Расчет массы гидрофобного заполнителя

3.6.5 Расчет массы оптических волокон

3.6.6 Расчет массы скрепляющих нитей

3.6.7 Расчет массы арамидных нитей

3.6.8 Расчет массы внешней оболочки LSZH

3.6.9 Расчет полной массы универсального ВОК

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

4.1 Техпроцесс изготовления универсального ВОК СКС

4.2 Контроль параметров оптического кабеля

4.2.1 Проверка конструкции

4.2.2 Проверка оптических параметров

4.2.3 Проверка стойкости к механическим воздействиям

4.2.4 Проверка стойкости к климатическим воздействиям

5. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

5.1 Анализ опасных, вредных факторов и возможных чрезвычайных ситуаций, возникающих в техпроцессе изготовления универсального волоконно-оптического кабеля для СКС

5.2 Разработка мер безопасности в техпроцессе изготовления универсального ВОК

5.2.1 Расчёт местной вентиляции

5.3 Экологическая оценка разрабатываемого процесса изготовления универсального ВОК и разработка мероприятий, снижающих вредное воздействие технологического процесса на природу

6. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

6.1 Планирование разработки с использованием методов СПУ

6.1.1 Определение этапов разработки

6.1.2 Определение трудоемкости этапов

6.1.3 Определение продолжительности этапов

6.1.4 Составление перечня событий и работ

6.1.5 Построение сетевого графика

6.1.6 Расчет параметров сетевого графика

6.1.7 Оптимизация сетевого графика

6.2 Расчет сметы затрат

6.3 Расчет эффекта внедрения результатов разработки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Понятие структурированной кабельной системы

Слаботочные кабельные системы в зданиях стали переосмысливаться специалистами в 80-х годах 20 века, когда началось массовое производство персональных компьютеров и объединение их в локальные вычислительные сети (ЛВС). К этому моменту в промышленных зданиях обычным было присутствие отдельных кабельных проводок для телефонии, телевидения и ряда других специальных инженерных систем. Эти системы предъявляли невысокие требования к электромагнитным характеристикам линий и каналов связи, организуемых с помощью кабельной проводки. Появление быстродействующих ЛВС потребовало и более быстродействующих каналов связи, и возникшую задачу самостоятельно решали разработчики ЛВС, начиная от выбора кабелей и их прокладки, и кончая их терминированием и измерениями.

ЛВС разрабатывали и поставляли различные фирмы, поэтому кабельные части этих ЛВС реализовывались по-разному, хотя проблемы были общие и одинаковые. В 1984 году фирмой IBM впервые для ЛВС была предложена кабельная система, т. н. IBM Cabling System, которая включала в себя кабели, соединители кабелей, распределительные панели и лицевые рамки. Впервые были классифицированы кабели [1]. ЛВС продолжали развиваться и проблемы, связанные с совместимостью аппаратуры и кабельных проводок, получаемых потребителями от различных поставщиков, нарастали.

Стало очевидно, что телекоммуникации в зданиях должны выполняться по единым правилам, иметь одинаковые средства коммутации и подключения оборудования, обеспечивать заранее известные параметры среды передачи данных. Начала формироваться концепция кабельной системы, т. е. устройства, выполненного из компонентов стандартизованного ряда, построенного по модульному принципу, обладающего заранее заданными характеристиками, которые достаточны для обеспечения работоспособности телефонов, компьютеров и другой радиоэлектронной аппаратуры, присоединенной к этой кабельной системе. Эти идеи, давно принятые и реализованные, например, в машиностроении (стандартный ряд резьбовых соединений, подшипников, размеров автомобильных шин и т. п.), только теперь начали проникать в область телекоммуникаций внутри зданий.

Для обеспечения телекоммуникационных систем здания необходимыми кабелями возможны два пути:

Ш для каждой системы проложить по зданию свои кабели;

Ш создать в здании единую кабельную систему, которая, будучи единственной, позволит обслуживать активное оборудование всех инженерных систем.

Этот второй путь и является сегодня предпочтительным и наиболее распространенным. В современных зданиях создаются единые кабельные системы, которые и составляют основу телекоммуникационной инфраструктуры предприятия, фирмы, учебного заведения или организации. Этот процесс распространился сегодня также и на жилые здания.

В современном здании можно насчитать десятки инженерных систем. Это - телевидение (эфирное и кабельное), ЛВС и телефония, системы охраны и сигнализации, противопожарная система и много других. Говорят, что современное здание становится «интеллектуальным». Концепция интеллектуального здания получает сегодня все большее распространение среди проектировщиков - строителей, и имеются уже реальные здания (за рубежом и в России), которые в полной мере можно отнести к интеллектуальным. Такие здания оборудуются автоматизированной системой управления зданием (АСУЗ) и расходы на эксплуатацию здания существенно снижаются.

Наличие капитальной единой кабельной системы является одним из характерных признаков интеллектуального здания.

Эта система должна обладать как минимум следующими признаками [1]:

Ш являться универсальной, то есть давать возможность использовать ее для передачи сигналов основных существующих и перспективных видов сетевой аппаратуры различного назначения;

Ш позволять быстро и с минимальными затратами организовывать новые рабочие места и менять топологию трактов передачи без прокладки дополнительных кабельных линий;

Ш позволять организовать единую службу эксплуатации;

Ш создаваться на этапе строительства здания или переоборудования его помещений под офис и иметь гарантированный срок эксплуатации 10 и более лет.

Всем перечисленным выше требованиям отвечает структурированная кабельная система (СКС). Под СКС в дальнейшем будем понимать кабельную систему, принцип построения которой отвечает трем основным признакам. К основным признакам СКС относятся: структуризация, универсальность и избыточность.

Структурированная кабельная система проектируется и строится из вполне определенного и ограниченного ряда функциональных компонентов. Их всего четыре вида [2]:

Ш кабели (электрические и оптические);

Ш распределительные устройства (кроссовые блоки и коммутационные патч-панели;

Ш информационные соединители (гнезда, вилки);

Ш точки консолидации.

Никаких других функциональных элементов СКС не содержит. Конечно, для построения реальной кабельной системы требуется много других дополнительных изделий, таких, как шкафы и стойки, кабельные каналы и лотки, монтажные инструменты и приспособления, специализированные измерительные приборы и т. п. Однако, эти дополнительные компоненты не являются функциональными.

Принципы построения СКС. Назначение её элементов

Структурная схема СКС приведена на рис. 1 (лист 1).

Рис. 1. Структурная схема СКС

На рис. 1 обозначены:

Ш РУТ -- распределительное устройство территории (англ. Campus Distributor, CD);

Ш РУЗ -- распределительное устройство здания (англ. Building Distributor, BD);

Ш РУЭ -- распределительное устройство этажа (англ. Floor Distributor, FD);

Ш ТК -- точка консолидации (англ. Consolidation Point, CP);

Ш ИР -- информационная розетка (англ. Telecommunication Outlet, TO).

В самом общем случае СКС включает в себя три подсистемы [3]:

Ш магистральную подсистему территории (МПТ);

Ш магистральную подсистему здания (МПЗ);

Ш горизонтальную подсистему (ГП).

При отсутствии у предприятия территории (одно здание) будет отсутствовать, соответственно, и магистральная подсистема территории. Кабели внешних линий связи, шнуры рабочего места и шнуры оборудования не входят в состав СКС: они входят в состав тех инженерных систем, которые подключаются к СКС и могут быть заменены при смене инженерной системы. Назначение функциональных элементов структурной схемы СКС понятно из их названий.

Распределительные устройства всех рангов обеспечивают возможность конфигурировать кабельную систему, чтобы поддерживать различную топологию (шина, звезда, кольцо) активных инженерных систем. Соединение подсистем СКС при создании активных инженерных систем (ЛВС и др.) может быть осуществлено через активные устройства (например, концентратор), либо пассивным способом с помощью коммутационных шнуров или кроссовых перемычек.

Устройство, называемое точкой консолидации (ТК), представляет собой панель с информационными гнездами, к которым с одной стороны присоединены стационарные кабели горизонтальной подсистемы. В эти гнезда включаются информационные вилки, которыми оконцованы т.н. «кабели точки консолидации», идущие, в свою очередь, по мобильным перегородкам к информационным розеткам, закрепленным на этих перегородках. Кабели точки консолидации могут быть перемещены в пространстве вместе с мобильными перегородками в «открытом офисе».

Рассмотрим более подробно элементный состав подсистем СКС.

Магистральная подсистема территории

Компонентный состав магистральной подсистемы территории (МПТ) представлен на рис. 2 (лист 1).

-- - соединитель, т.е. состыкованные гнездо и вилка.

Рис. 2. Компонентный состав магистральной подсистемы территории

В МПТ включаются и цифрами на рис. 2 обозначены:

1) кабели магистрали территории;

2) любые кабельные компоненты внутри вводных устройств в здание;

3) коммутационные шнуры и перемычки в распределительном устройстве территории;

4) соединительное оборудование (коммутационные панели, кроссовые блоки), на котором терминируются кабели МПТ как в РУТ, так и в РУЗ.

Шнуры оборудования, хотя и используются для его подключения к МПТ, не входят в состав МПТ. В случаях, когда отсутствует РУЗ, МПТ простирается до РУЭ.

Иногда (в целях резервирования) используют непосредственное соединение РУЗов между собой дополнительными кабелями. В таких случаях эти кабели также относятся к МПТ, но всегда рассматриваются только как дополнительные, и ни в коем случае их наличие не должно исключать присутствие основных кабелей МПТ, формирующих основную топологическую иерархию СКС.

Магистральная подсистема здания

Компонентный состав магистральной подсистемы здания (МПЗ) представлен на рис. 3 (лист 1).

-- - соединитель, т.е. состыкованные гнездо и вилка.

Рис . 3. Компонентный состав магистральной подсистемы здания

В нее включаются и цифрами на рис. 3 обозначены:

1) кабели магистрали здания;

2) коммутационные шнуры и перемычки в РУЗ;

3) соединительное оборудование (коммутационные панели), на котором терминируются кабели МПЗ как в РУЗ, так и в РУЭ.

Так же, как и в МПТ:

Ш шнуры, используемые для подключения активного оборудования, не входят в состав МПЗ;

Ш при непосредственном соединении РУЗ между собой дополнительными кабелями последние не должны исключать наличие основных кабелей.

Горизонтальная подсистема

Компонентный состав горизонтальной подсистемы (ГП) представлен на рис. 4 (лист 1).

-- - соединитель, т.е. состыкованные гнездо и вилка.

Рис. 4. Компонентный состав горизонтальной подсистемы

В эту подсистему включаются и на рис. 4 цифрами обозначены:

1) кабели горизонтальной подсистемы (стационарные кабели (СК) и кабели точки консолидации (КТК));

2) коммутационные шнуры и перемычки в РУЭ;

3) устройство присоединения горизонтальных кабелей на ИР (как правило, оно входит в конструкцию ИР);

4) соединительное устройство и устройство терминирования кабелей в РУЭ;

5) точка консолидации (опция);

6) информационные розетки.

Так же, как в МПТ и МПЗ, шнуры рабочего места и шнуры оборудования в РУЭ не входят в состав подсистемы.

Кабель ГП должен быть непрерывен от РУЭ до ИР (если отсутствует точка консолидации), т. е. сращивание любым способом электрического кабеля (скрутки, пайки, гнездо и вилка) запрещается.

Кабели СКС

Одним из основных элементов любой волоконно-оптической линии связи является кабель. Несмотря на разнообразие электрических и оптических кабелей существует вполне определённая их классификация.

Одним из удачных способов повышения технико-экономической эффективности кабельных систем офисных зданий является минимизация типов кабелей, применяемых для их построения. В СКС допускается использование только [2]:

Ш симметричных электрических кабелей на основе витой пары с волновым сопротивлением 100, 120 и 150 Ом в экранированном и неэкранированном исполнении;

Ш одномодовых и многомодовых оптических кабелей.

Электрические кабели используются в основном для создания горизонтальной разводки. По ним передаются как телефонные сигналы и низкоскоростные данные, так и данные высокоскоростных приложений. Применение оптических решений в горизонтальной подсистеме в настоящее время встречается достаточно редко, хотя их доля растет очень быстрыми темпами (решения в рамках концепции fiber to the desk). В подсистеме внутренних магистралей электрические и оптические кабели применяются одинаково часто, причем электрические кабели предназначены для передачи главным образом телефонных сигналов и данных с тактовыми частотами до 1 МГц, тогда как оптические кабели обеспечивают передачу данных высокоскоростных приложений. На внешних магистралях оптические кабели играют доминирующую роль.

Для перехода с электрического кабеля на оптический в процессе передачи данных со скоростью 10 Мбит/с и выше в технических помещениях устанавливается соответствующее сетевое оборудование (преобразователи среды или трансиверы), которые обычно обслуживают групповое устройство (концентратор системы передачи данных, выносной модуль АТС, контроллер инженерной системы здания). Прямое использование волоконно-оптического кабеля для передачи телефонных сигналов и низкоскоростных данных на современном этапе развития техники является экономически нецелесообразным и применяется в тех ситуациях, когда другие решения невозможны или же выдвигаются особые требования в отношении защиты информации от несанкционированного доступа.

Для построения горизонтальной подсистемы стандартами допускается применение экранированного и неэкранированного кабелей. Экранированный симметричный кабель потенциально обладает лучшими электрическими, а в некоторых случаях и прочностными характеристиками по сравнению с неэкранированным. Однако этот кабель является очень критичным к качеству выполнения монтажа и заземления, имеет заметно большую стоимость и худшие массогабаритные показатели. Поэтому пока основным кабелем для передачи электрических сигналов по СКС, по крайней мере в нашей стране, являются кабели на основе неэкранированных витых пар. Как было отмечено выше, стандарты разрешают строить СКС на электрических кабелях с волновым сопротивлением 100, 120 и 150 Ом. При этом две последние разновидности кабелей часто обладают заметно лучшими характеристиками. Однако в силу целого ряда причин технического и экономического плана они не получили широкого распространения в нашей стране.

Многомодовые волоконно-оптические кабели используются в основном в качестве основы подсистемы внутренних магистралей. Одномодовые волоконно-оптические кабели рекомендуется применять только для построения длинных внешних магистралей.

Коаксиальные кабели не включаются в число разрешенных к применению в новых стандартах [2,4] и исключаются из очередных редакций старых стандартов. Это объясняется низкой надежностью сетей, построенных на их основе, невысокой технологичностью и более высокой стоимостью по сравнению с кабелями на основе витых пар.

Для обеспечения возможности работы по СКС сетевой аппаратуры с коаксиальным и триаксиальным интерфейсом используется широкая номенклатура адаптеров различных видов.

В прошлом не пользовавшиеся большим спросом и производившиеся в небольших объемах универсальные кабели становятся все более востребованными, поскольку их применение экономит трудозатраты на развертывание сети кампуса, упрощая этот процесс.

Универсальные кабели

Среди инсталляторов и пользователей сетей растет спрос на универсальные кабели (indoor/outdoor cables), предназначенные для прокладывания как внутри, так и за пределами здания, поскольку эти кабели можно заводить (из внешней кабельной инфраструктуры) в здание и не нужно их сращивать с кабелями внутренней прокладки. Тем самым упрощается, а, следовательно, и ускоряется процесс развертывания сети.

Согласно Национальному электрическому кодексу (NEC), не соответствующие требованиям пожарной безопасности медные или волоконно-оптические кабели наружной прокладки можно протягивать внутри здания на расстояние не более 15 м (от места их ввода в него), за исключением тех случаев, когда кабели помещаются в металлические трубы или другие прочные кабелепроводы. На указанном расстоянии кабель наружной прокладки должен стыковаться с кабелем внутренней прокладки [5]. Применение же универсальных кабелей позволяет инсталляторам избежать этого. Огнестойкие и малодымные универсальные кабели в основном используются для построения наружной кабельной инфраструктуры с инсталляцией и внутри зданий.

По сравнению с ситуацией пятнадцатилетней давности, когда очень мало компаний выпускали универсальные кабели, сейчас этим занимаются гораздо большее число производителей, предлагая широкий ассортимент продукции. Вот некоторые из них [5]:

Ш Корпорация Optical Cable выпускает волоконно-оптические кабели с плотным буфером, предназначенные для кампусных сетей. Возможность прокладывать эти кабели внутри зданий и между ними упрощает инсталляцию сети, уменьшает связанные с этим затраты и повышает надежность работы сети. Кабели этого производителя успешно используются во внешних и внутренних инфраструктурах почти 20 лет;

Ш Компания Corning Cable Systems производит кабели LANscape Solutions FREEDM с плотным или пустотелым буфером, которые можно прокладывать в пленумных полостях и стояках зданий;

Ш Фирма Berk-Tek предлагает сертифицированный для инсталляции в пленумных полостях или стояках волоконно-оптический кабель Adventum с пустотелым буфером. Для предотвращения попадания воды внутрь кабеля в нем имеются сухие водоблокирующие материалы (технология Dry Gel). Такой кабель можно использовать в любой внешней или внутренней инфраструктуре без организации точек перехода между ними;

Ш Компания CommScope предлагает универсальные кабели разной конструкции -- с диэлектрической центральной трубкой и с пустотелым или плотным буфером. Она поставляет и малодымный безгалогенный распределительный кабель;

Ш Фирма Mohawk CDT сейчас выпускает две разновидности универсальных кабелей -- пленумные VersaLite, которые содержат от двух до 144 оптических волокон, имеют небольшой диаметр и малый допустимый радиус изгиба, что позволяет инсталлировать их в тесных полостях, и кабели RiserLite, хорошо защищенные от воды и снабженные безгалогенной оболочкой;

Ш Компания Honeywell Cable Products производит кабели внутренней прокладки серии Genesis. Поливинилхлоридовая оболочка этих кабелей содержит ингибиторы ультрафиолетового излучения и позволяет устанавливать их в освещенных солнцем сухих местах.

Универсальные кабели имеют ряд достоинств. Медному кабелю воздушной прокладки для нормального функционирования под открытым небом, как правило, достаточно иметь лишь внешнюю оболочку с ингибиторами ультрафиолетового излучения, защищающими ее от разрушения солнечным светом. Кабели внутренней прокладки с оболочкой из поливинилхлорида можно использовать на улице, если они проложены без сильных изгибов и продольного натяжения и в их оболочке имеются вышеназванные ингибиторы. Однако оболочка из поливинилхлорида не такая надежная, как полиэтиленовая, в условиях низких температур она может растрескиваться при изгибе кабеля.

В конструкции кабеля подземной прокладки предусмотрены элементы, препятствующие проникновению внутрь него воды, защищающие его от повреждения камнями и грызунами. Традиционно телефонные компании используют медные кабели наружной прокладки, в которых пространство между парами проводов заполнено полибутеновым нефтяным гелем, предотвращающим проникновение воды в кабель и ее перемещение по нему. Кроме того, такие кабели имеют прочную наружную полиэтиленовую оболочку, защищающую их от повреждения в процессе инсталляции, и металлическую броню, которую не могут прогрызть грызуны.

Первые волоконно-оптические кабели наружной прокладки имели конструкцию с пустотелым буфером -- пластиковой трубкой, в которой свободно уложено оптоволокно. Эта трубка изолирует его от окружающей среды, давая возможность эксплуатировать кабель в широком диапазоне температур, и защищает оптоволокно от прилагаемых к кабелю растягивающих усилий. Для предотвращения перемещения воды по кабелю был задействован гидрофобный гель. В медных кабелях вода может вызвать короткое замыкание жил, а в волоконно-оптических вода при замерзании приводит к образованию микро - и макроизгибов оптоволокна и росту затухания передаваемого сигнала.

Применение современных универсальных кабелей позволяет избежать этих проблем. Указанные кабели, обычно используемые в сетях масштаба кампуса, имеют прочную конструкцию, а инсталлируют и терминируют их точно так же, как и другие стандартные волоконно-оптические кабели.

Корпорация Optical Cable около 15 лет назад первой предложила использовать менее сложный кабель наружной прокладки, не имеющий гидрофобного геля и пустотелого буфера, для инсталляции внутри зданий. Этот кабель, имевший конструкцию с плотным буфером, успешно прошел все тесты для кабелей наружной и внутренней прокладки, однако другие производители, привыкшие выпускать заполненные гидрофобным гелем кабели, не захотели поддержать инициативу корпорации.

Раньше инсталляторы обходили стороной универсальные кабели, поскольку они стоят дороже других типов кабелей. Но сегодня представители фирм-производителей заявляют о растущем спросе на эти кабели со стороны инсталляторов. И это неудивительно, ведь инфраструктурные решения на базе универсальных кабелей, которые можно заводить в здание на большие расстояния (без сращивания с кабелями внутренней прокладки), экономически эффективны. Применение кабеля фирмы позволяет компании-инсталлятору сэкономить (по сравнению с реализацией традиционных решений на базе специализированных кабелей внутренней или внешней прокладки) до 26% затрат на материалы и рабочую силу.

Работавшие с универсальным кабелем специалисты уверяют, что его удивительно просто инсталлировать. Кроме того, универсальный кабель эффективен в использовании. Обычно сращивание волокон кабелей в точке перехода (с кабеля внешней прокладки на кабель внутренней прокладки) осуществляется посредством сварки, но сваривание одномодовых волокон может привести к двукратному росту потерь в кабельном тракте. В случае же применения универсального кабеля в кабельной системе получается меньше мест коммутации трактов и отсутствует точка перехода, что способствует уменьшению затухания сигнала. Это очень важно для работы сетей Gigabit Ethernet, каналы которых имеют малый бюджет потерь.

В настоящее время сертифицированные для прокладки в пленумных полостях зданий универсальные кабели востребованы, как никогда ранее. Кабели внутренней прокладки сертифицируют для инсталляции в стояках или пленумных полостях. До недавнего времени на рынке продавался в основном сертифицированный для установки в стояках универсальный кабель. Теперь же большим спросом пользуется пленумный универсальный кабель, такой, как влагостойкий кабель Adventum фирмы Berk-Tek.

Универсальный кабель для пленумных полостей стоит дороже универсального же кабеля для стояков, но инсталляторы отдают предпочтение первому, поскольку в случае его применения кабельную трассу можно проложить в пленумной полости без сращивания этого кабеля с другими типами кабелей.

Очевидно, что проблема создания универсального ВОК для СКС актуальна в настоящее время.

В дипломном проекте поставлены следующие задачи:

Ш исследовать проблему создания универсального оптического кабеля для структурированных кабельных сетей, проанализировав современную классификацию и конструкции кабелей;

Ш подобрать оптимальную конструкцию универсального кабеля, рассмотрев несколько возможных вариантов;

Ш исследовав характеристики и свойства материалов для основных конструктивных элементов оптических кабелей, подобрать материалы конструкции универсального кабеля;

Ш предложить возможные пути модернизации технологии производства оптического кабеля с учётом особенностей техпроцесса универсального кабеля;

Ш предложить систему типовых испытаний универсального кабеля, проанализировав его основные особенности;

Ш провести анализ опасных и вредных факторов, возможных ЧС в техпроцессе изготовления универсального ВОК. Разработать меры безопасности в техпроцессе изготовления универсального ВОК для наиболее вредных факторов. Осуществить экологическую оценку техпроцесса изготовления универсального ВОК и разработать меры по охране природы;

Ш спланировать техпроцесс универсального ВОК с использованием метода СПУ. Рассчитать смету затрат на разработку универсального ВОК. Рассчитать экономический эффект и основные технико-экономические показатели разработки и производства универсального ВОК.

1. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ

1.1 Классификация кабелей для СКС

Структурированные кабельные сети обеспечивают надежную эффективную работу организаций, использующих современные средства связи и вычислительную технику. Экономическая выгода построения СКС обусловлена длительным сроком эксплуатации (15...20 лет) и низкой стоимостью обслуживания.

Оптимальный выбор компонентов СКС проводится с учетом архитектурных особенностей здания и условий заказчика. Наиболее ответственен выбор типа кабеля, так как в течение 15...20 лет передаточные характеристики должны оставаться на первоначальном уровне, а замена уже проложенного кабеля является трудоемкой и дорогостоящей операцией.

При построении СКС используются [1.1]:

Ш неэкранированная витая пара;

Ш экранированная витая пара;

Ш волоконно-оптический кабель (ВОК).

Классификация кабелей СКС изображена на рис. 1.1 (лист 2).

При выборе кабеля должны учитываться следующие требования [1.2]:

Ш пропускная способность сети; возможность расширения сети в будущем; продолжительность жизни сети;

Ш категория кабеля (для витой пары); многомодовый или одномодовый кабель (для ВОК);

Ш максимальная длина кабельной линии;

Ш условия прокладки кабеля (особенности кабельных трасс, климатические условия);

Ш защищенность передаваемых данных; электромагнитная совместимость; выбор типа экрана (для экранированной витой пары) и его заземление;

Ш противопожарная безопасность;

Ш стоимость кабеля; стоимость монтажных работ, стоимость компонентов и активного оборудования.

Рис. 1.1 Классификация кабелей СКС

1.1.1 Витая пара

1.1.1.1 Назначение

Кабели на основе витой пары находят широкое применение в сетях передачи данных по стандартам [1.3], которые жестко регламентируют максимальную длину кабельной системы, а также ряд требований, предъявляемых к кабелю, как к компоненту структурированной кабельной системы: основными из них являются собственное и переходное затухания, емкость, уровень возвратных потерь и т.д. В зависимости от скорости передачи данных кабельные компоненты делятся на 6 категорий, что ведет к различиям в требованиях к этим кабелям.

1.1.1.2 Конструкция

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.2. Конструкция S/STP кабеля

1.1.1.2.1 Медная жила

Для кабеля на основе витых пар используются медные проводники диаметром 0,64 - 0,51 мм в диаметре. Для кабеля, идущего на производство шнуров, для повышения гибкости используется многопроволочная жила несколько большего сечения, т.к. у многопроволочной жилы повышено значение собственного затухания.

1.1.1.2.2 Материал изоляции

В качестве материала изоляции обычно используется полиэтилен, в более редких случаях - композиции из полипропилена и полиэтилена. В случае требований к пожароустойчивости используют композиции из тефлона [1.4]. В кабелях высших категорий используется изоляция из вспененного полиэтилена, поверх которого наложен слой сплошного полимера. Такая конструкция позволяет значительно улучшить электрические параметры, но требует специального оборудования и удорожает кабель.

1.1.1.2.3 Количество пар

Неэкранированная витая пара представляет собой от 1 до 100 пар медных изолированных проводников, скрученных парами с согласованными шагами для уменьшения взаимного влияния. Наиболее распространены двух- и четырехпарные конструкции. Цветовая комбинация проводников фиксирована: один из проводников в паре имеет белый цвет, другой цветной - синий, оранжевый, зеленый, коричневый. Это создает трудности при разделке, так как белые проводники не отличаются друг от друга. Некоторые производители окрашивают белую жилу в цвет ее цветной пары, нанося либо продольную полосу, либо кольцевые пятна на расстоянии 3-5 см. Однако это замедляет и удорожает процесс производства, к тому же сегодня в связи с переходом на патч-панели, в многопарных кабелях используется комбинация из двух цветных жил.

1.1.1.2.4 Экран

Конструктивно все кабели делятся на экранированные и неэкранированные конструкции. Экранированные конструкции, в принципе более помехозащищены и имеют лучшие показатели переходного затухания, но их применение требует специальных разъемов и правильной схемы заземления, поэтому в нашей стране большее распространение получили неэкранированные кабели [1.4]. Экран выполняется в виде алюминиевой фольги, либо медной оплетки, либо и того и другого вместе. Встречается как общее экранирование, так и экраны по скрученным парам. Экраны сопровождаются дренажным проводником в виде медной проволочки для поддержания целостности экрана.

1.1.1.2.5 Материал оболочки

В качестве материала оболочки применяется в основном ПВХ пластикат, как самый дешевый и не распространяющий горение материал. В специальных случаях используются самозатухающий полиэтилен либо малодымные безгаллогенные компаунды, однако это увеличивает стоимость и снижает механические характеристики кабеля. Наиболее распространен серый цвет, однако производится кабель всех цветов. В случае наружной прокладки используется светостойкий полиэтилен (черного цвета).

1.1.1.3 Маркировка и упаковка

Все кабели маркируются по оболочке примерно следующим образом: фирма-производитель - марка изделия - тип изделия (4х2х0,52 - четырех парный кабель с диаметром проводника) далее кодируется дата производства - (1099 - октябрь 2109) - и отметка метровой длины (иногда футы). Кроме того на кабеле могут быть указания на материал оболочки, систему сертификации.

1.1.2 Волоконно-оптический кабель

1.1.2.1 Назначение

Волоконно-оптические коммуникации имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными системами, использующими передающие среды на металлической основе.

В волоконно-оптических системах передаваемые сигналы не искажаются ни одной из форм внешних электронных, магнитных или радиочастотных помех. Таким образом, оптические кабели полностью невосприимчивы к помехам, вызываемым молниями или источниками высокого напряжения. Более того, оптическое волокно не испускает излучения, что делает его идеальным для соответствия требованиям современных стандартов к компьютерным приложениям. Вследствие того, что оптические сигналы не требуют наличия системы заземления, передатчик и приемник электрически изолированы друг от друга и свободны от проблем, связанных с возникновением паразитных токовых петель.

При отсутствии сдвига потенциалов в системе заземления между двумя терминалами, исключающим искрения или электрические разряды, волоконная оптика становится все более предпочтительным выбором для реализации многих приложений, когда требованием является безопасная работа в детонирующих или воспламеняющихся средах.

Цифровые вычислительные системы, телефония и видеовещательные системы требуют новых направлений для улучшения передающих характеристик. Большая ширина спектра оптического кабеля означает повышение емкости канала. Кроме того, более длинные отрезки кабеля требуют меньшего количества репитеров, так как волоконно-оптические кабели обладают чрезвычайно низкими уровнями затухания. Это свойство идеально подходит для широковещательных и телекоммуникационных систем.

По сравнению с обычными коаксиальными кабелями с равной пропускной способностью, меньший диаметр и вес волоконно-оптических кабелей означает сравнительно более легкий монтаж, особенно в заполненных трассах. 300 метров одноволоконного кабеля весят около 2,5 кг. 300 метров аналогичного коаксиального кабеля весят 32 кг - приблизительно в 13 раз больше [1.4].

Электронные методы подслушивания основаны на электромагнитном мониторинге. Волоконно-оптические системы невосприимчивы к подобной технике. Для снятия данных к ним нужно подключиться физически, что снижает уровень сигнала и повышает уровень ошибок - оба явления легко и быстро обнаруживаются.

1.1.2.2 Конструкция

Рис. 1.3 Конструкция кабеля Breakout

1.1.2.2.1 Ядро

Ядро - светопередающая часть волокна, изготавливаемая либо из стекла, либо из пластика. Чем больше диаметр ядра, тем большее количество света может быть передано по волокну.

1.1.2.2.2 Демпфер

Назначение демпфера - обеспечение более низкого коэффициента преломления на границе с ядром для переотражения света в ядро таким образом, чтобы световые волны распространялись по волокну.

1.1.2.2.3 Оболочка

Оболочки обычно бывают многослойными, изготавливаются из пластика для обеспечения прочности волокна, поглощения ударов и обеспечения дополнительной защиты волокна от воздействия окружающей среды. Такие буферные оболочки имеют толщину от 250 до 900 мкм.

Размер волокна в общем случае определяется по внешним диаметрам его ядра, демпфера и оболочки. Например, 50/125/250 - характеристика волокна с диаметром ядра 50 мкм, диаметром демпфера 125 мкм и диаметром оболочки 250 мкм. Оболочка всегда удаляется при соединении или терминировании волокон.

1.1.2.3 Одномодовое и многомодовое оптоволокно

Тип волокна идентифицируется по типу путей, или так называемых "мод", проходимых светом в ядре волокна. Существует два основных типа волокна - многомодовое и одномодовое. Ядра многомодовых волокон могут обладать ступенчатым или градиентным показателями преломления. Многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления получило свое название от резкой, ступенчатой, разницы между показателями преломления ядра и демпфера.

В более распространенном многомодовом волокне с градиентным показателем преломления лучи света также распространяются в волокне по многочисленным путям. В отличие от волокна со ступенчатым показателем преломления, ядро с градиентным показателем содержит многочисленные слои стекла, каждый из которых обладает более низким показателем преломления по сравнению с предыдущим слоем по мере удаления от оси волокна. Результатом формирования такого градиента показателя преломления является то, что лучи света ускоряются во внешних слоях и их время распространения в волокне сравнивается с временем распространения лучей, проходящих по более коротким путям ближе к оси волокна.

Таким образом, волокно с градиентным показателем преломления выравнивает время распространения различных мод так, что данные по волокну могут быть переданы на более дальние расстояния и на более высоких скоростях до того момента, когда импульсы света начнут перекрываться и становиться неразличимыми на стороне приемника.

Волокна с градиентным показателем представлены на рынке с диаметрами ядра 50, 62,5 и 100 мкм.

Одномодовое волокно, в отличие от многомодового, позволяет распространяться только одному лучу или моде света в ядре. Это устраняет любое искажение, вызываемое перекрытием импульсов. Диаметр ядра одномодового волокна чрезвычайно мал - приблизительно 9 мкм. Одномодовое волокно обладает более высокой пропускной способностью, чем любой из многомодовых типов. Например, подводные морские телекоммуникационные кабели могут нести 60000 речевых каналов по одной паре одномодовых волокон.

1.2 Конструкция основных групп ВОК для СКС

1.2.1 Кабели внешней прокладки

Кабели внешней, или наружной, прокладки используются для построения подсистемы внешних магистралей СКС. Основным требованием к их конструкции, наряду с малым затуханием и большой широкополосностью, является высокая механическая прочность к растягивающим и сдавливающим усилиям, а также влагостойкость и широкий диапазон рабочих температур. Немаловажное значение имеют также хорошие массогабаритные показатели. Необходимый для практической эксплуатации уровень этих параметров может быть достигнут несколькими различными способами, каждому из которых отвечает своя каноническая конструкция кабелей.

В настоящее время известно большое количество конструкций оптических кабелей внешней прокладки, полную совокупность которых можно условно разделить на четыре группы (рис. 1.4) [1.5].



Рис. 1.4 Типовые конструкции сердечников оптических кабелей: а), б) с профилированным сердечником; в) модульная; г) с центральной трубкой; д) ленточная

Основой кабеля с профилированным сердечником (рис. 1.4 а, б) является фигурный элемент, в пазах или внутренних полостях которого укладываются волоконные световоды. Данная конструкция была достаточно широко распространена в 80-х годах. Из-за ограниченной емкости (обычно не более 16 волокон) в настоящее время применяется сравнительно редко.

Кабели так называемой модульной, или многомодульной, конструкции (рис. 1.4 в) имеют традиционную повивную скрутку, причем каждый повив набирается из модулей диаметром около 2 мм. В модуле может размещаться от 1 до 12 волокон. В процессе производства кабеля обеспечивается свободная укладка волокон в трубку модуля. Поэтому в обычном состоянии кабеля световоды слегка скручиваются по спирали, располагаясь вдоль внутренней поверхности трубки. Это обеспечивает возможность небольшого упругого растяжения и сгибания кабеля во время прокладки без каких-либо ухудшений его оптических характеристик. Основная масса кабелей рассматриваемой разновидности, предлагаемых в настоящее время на рынке, имеет одноповивную конструкцию. Наибольшее распространение получили шестимодульные конструкции, несколько реже применяются восьмимодульные варианты. При необходимости увеличения емкости модули располагают в двух повивах или используют центральный силовой элемент увеличенного диаметра, вокруг которого размещается большее количество модулей. Некоторые зарубежные фирмы называют рассматриваемую конструкцию multitube cable; в отечественной литературе употребляется буквальный эквивалент этого термина - «многотрубочный кабель».

В качестве основы сердечника может быть использована также одна трубка большого диаметра, которая расположена по оси кабеля (рис. 1.4 в). Такой вариант кабеля более удобен в разделке, а за счет максимального удаления волокон от внешней поверхности оболочки обеспечивается наилучшая защита от сдавливающих усилий, однако трубка несколько уступает традиционной многомодульной конструкции по рабочему диапазону температур и устойчивости к растяжению. Для дополнительного улучшения условий защиты волокон финская фирма NK Cables (бывшая Nokia) применила в трубчатых элементах Spiral Space канал спиральной формы. В отечественной технической литературе эту разновидность кабелей иногда называют однотрубочной или одномодульной конструкцией.

Основная масса кабелей модульной конструкции в тех или иных вариантах практической реализации имеет емкость не более 144 волокон. В настоящее время они занимают доминирующее положение в общем объеме выпуска кабелей внешней прокладки. Это объясняется хорошей защитой волокон от механических и климатических воздействий, а также простотой и удобством разделки и монтажа.

Наличие профилированного сердечника обеспечивает высокую устойчивость к раздавливающим усилиям (например, у кабелей серии GNSLWLV фирмы Ericsson паспортная величина этого параметра составляет 6 кН вместо обычных 1,5 кН у традиционной модульной конструкции), а наличие трубок модулей - удобство работы и повышенную продольную герметичность.

Ленточные кабели (рис. 1.4 д) за счет очень плотной компоновки обеспечивают преимущество над конструкциями других типов при большом (несколько сотен и более) количестве волокон и поэтому используются, главным образом, при создании основных магистралей крупных городских телекоммуникационных сетей. Применение этих кабелей для построения СКС в настоящее время нецелесообразно, так как высокая емкость, на которой начинают проявляться их преимущества, в рассматриваемой области пока не требуется, а из-за особенностей конструкции работа по установке разъемов и изготовлении неразъемных соединителей требует сложного и дорогого технологического оборудования и более высокой квалификации монтажников.

Кабели внешней прокладки (рис. 1.5) подразделяются на следующие виды:

Ш кабели, содержащие металлические упрочняющие элементы и/или электрические проводники;

Ш полностью диэлектрические кабели.

Рис. 1.5 Пример конструкции кабеля внешней прокладки

В сравнении с полностью диэлектрическими конструкциями кабели с металлическими упрочняющими элементами обладают большей механической прочностью к сдавливающим и растягивающим усилиям, их световоды не повреждаются грызунами и при равной разрывной прочности имеют несколько меньший внешний диаметр. Их главным недостатком считается то, что они не обеспечивают полную гальваническую развязку соединяемых пунктов.

Стандартный рабочий температурный диапазон волоконно-оптических кабелей внешней прокладки широкого применения составляет от -40 до +70 °С. Существуют специальные морозостойкие конструкции, нормально функционирующие при температурах до -60 °С. Последнее значение задается жесткостью полиэтилена (этот материал становится хрупким при температурах порядка -70 °С), из которого изготавливаются внешние оболочки, и температурой застывания гидрофобного геля. Верхняя граничная рабочая температура определяется в основном характеристиками полиэтилена. Так, точка плавления этого материала составляет около 120 °С. С учетом этой особенности некоторые производители гарантируют сохранение параметров своей продукции при кратковременном нагревании кабеля до 90є С при условии отсутствия механических нагрузок. Дальнейшее увеличение рабочей температуры достигается в специальных конструкциях, предназначенных для применения в нефтехранилищах, на нефтепромыслах и других аналогичных объектах. За счет применения термостойких материалов они выдерживают нагрев до нескольких сотен градусов на протяжении нескольких часов.

1.2.2 Кабели внутренней прокладки

Волоконно-оптические кабели внутренней прокладки (indoor cables), иногда называемые кабелями внутриобъектовой прокладки, используются для построения горизонтальной подсистемы и подсистемы внутренних магистралей СКС. От кабелей внешней прокладки они отличаются по двум основным параметрам [1.6]:

Ш меньшим внешним диаметром и массой в сочетании с более высокой гибкостью за счет отсутствия гидрофобного заполнителя и применения облегченных упрочняющих покрытий без броневых покровов;

Ш лучшими характеристиками пожарной безопасности.

Как и кабели на основе витых пар, волоконно-оптические кабели внутренней прокладки, применяемые в СКС, должны соответствовать требованиям пожарной безопасности. Свойства кабеля с точки зрения пожарной безопасности определяются материалом диэлектриков, используемых в его конструкции (главным образом, материалом внешней оболочки). Производители в своих каталогах обычно подразделяют кабели внутренней прокладки на Plenum и Riser.

Световоды кабелей рассматриваемой группы обязательно снабжаются вторичным защитным полимерным покрытием диаметром 900 мкм, которое без зазора уложено на первичное покрытие диаметром 250 мкм. Волокно в таком покрытии допускает непосредственную установку вилки оптического разъема без применения каких-либо дополнительных элементов. Удобство монтажа разъема достигается ценой некоторого увеличения коэффициента затухания по сравнению с кабелями внешней прокладки. Это, однако, не имеет существенного значения, так как согласно стандартам длина кабеля подсистемы внутренних магистралей не превышает 500 м.

Для защиты кабельного сердечника от механических воздействий в кабелях внутренней прокладки используется слой кевларовых нитей, который расположен непосредственно под шлангом внешней оболочки. В отличие от кабелей внешней прокладки здесь наблюдается свободная укладка этих нитей без сплетения в оплетку.

Кабели внутренней прокладки известны в двух основных конструктивных разновидностях. Изделия первой группы называются распределительными кабелями (distribution) и содержат световоды в буферном покрытии 0,9 мм, которые вместе с кевларовыми упрочняющими нитями помещены в общую защитную оболочку. Их разделка осуществляется в коммутационных устройствах. В так называемых breakout-кабелях каждый световод дополнительно помещен в защитный шланг внешним диаметром 2-3 мм. Таким образом, данное изделие может рассматриваться как конструктивный аналог многоэлементного электрического многопарного кабеля. Такие конструкции обладают большим внешним диаметром и механической прочностью, что определяется как наличием центрального силового элемента, так и дополнительным слоем кевларовых нитей под каждым индивидуальным защитным шлангом. Они ориентированы, в первую очередь, на изготовление претерминированных сборок и, как это следует из названия (breakout по-английски означает место отвода из многожильного кабеля), выполнение отводов отдельных световодов без использования разветвительных муфт. Не исключается, хотя и редко применяется на практике, возможность изготовления многоволоконных соединительных шнуров.

Пример конструкции кабелей внутренней прокладки показан на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Кабели внутриобъектовой прокладки фирмы Mohawk: слева - distribution, справа - breakout.

Типовое максимальное значение емкости кабелей внутренней прокладки не превышает 12 волокон. В основной своей массе такие кабели не имеют центрального силового элемента, а их механическая прочность обеспечивается только слоем кевларовых нитей.

В случае необходимости увеличения емкости применяют конструкцию, аналогичную кабелям внешней прокладки модульной конструкции: вокруг центрального элемента, выполняющего функции силовой основы, укладывается несколько (в большинстве случаев шесть, реже двенадцать) обычных кабелей. После этого полученный сердечник закрывается общей внешней защитной оболочкой. Такой прием позволяет увеличить емкость до 144 волокон. При необходимости получения в рассматриваемой конструкции меньшей емкости некоторые из таких «модулей» заменяются упрочняющими прутками и/или заполнителями. Кабели подобной конструкции обычно изготавливаются на заказ.

Наличие дополнительных оболочек световода в сочетании с меньшей плотностью укладки вызывает также довольно значительный рост габаритов сердечника кабеля внутренней прокладки. Особенно ярко это проявляется в конструкциях типа breakout. В целом, из-за отсутствия брони и применения облегченных упрочняющих покрытии внешний диаметр кабелей рассматриваемой группы и особенно их масса оказываются заметно меньшими по сравнению с кабелями внешней прокладки такой же емкости.