Leistungsfähige Datenautobahnen sind erforderlich, um die Informationsflut in der vernetzten digitalen Fabrik zu bewältigen. Informationen werden heute hauptsächlich über Kupferkabel übermittelt. Dabei sind Lichtwellenleiter (LWL) Twisted Pair-Kabeln überlegen, oder anders ausgedrückt: 1 kg Glas ist so leistungsfähig wie 1000 kg Kupfer. Außerdem wird Licht nicht durch elektrische oder magnetische Störungen beeinflusst, weshalb LWL auch in unmittelbarer Nähe von Energieleitungen oder anderen elektromagnetischen Störquellen verlegt werden können.
Häufig enden Glasfaserkabel am Eingang der Produktionshallen. Dabei gibt es aktive und passive Netzkomponenten, die speziell für die industrielle Automatisierung entwickelt wurden. Beim Aufbau optischer Infrastrukturen im Feld sollten jedoch einige Regeln beachtet werden.
Je nach Einsatzszenario lassen sich unterschiedliche LWL verwenden, die sich durch das Material und die damit verbundenen Eigenschaften unterscheiden. Single- und Multimode-Fasern bestehen aus Quarzglas und ermöglichen Datenraten von über 40 Gbit/s und Entfernungen von 100 km und mehr. Für Distanzen von wenigen 100 m und Datenraten bis zu 1 Gbit/s können Lichtwellenleiter aus Kunststoff, Polymer Optical Fiber (POF), beziehungsweise Glas, Hard Clad Silica (HCS), verwendet werden. Außerdem gibt es robuste LWL, die unter anderem torsionsbeständig und schleppkettenfähig sind.
Künftige Anwendungen bedenken
Beim Aufbau optischer Infrastrukturen sollte darauf geachtet werden, dass von vornherein genügend Fasern vorhanden sind. Denn via LWL lassen sich zahlreiche Anwendungen vernetzen – von der Steuerungstechnik über die Zustandsüberwachung bis hin zur Bildverarbeitung. Das heißt, auch wenn zurzeit vielleicht nur zwei oder vier Fasern erforderlich sind, sollten gleich zwölf oder besser noch 24 verlegt werden, um auch künftig auf der sicheren Seite zu sein.
Es ist aber auch ein Nachrüsten von Anlagen möglich, in denen es nur noch wenige oder gar keine freien Fasern gibt. Eine Lösung dafür ist die BiDi-Technik. Sie ermöglicht eine Kommunikation in zwei Richtungen über nur eine Faser – normalerweise sind dafür zwei erforderlich. Allerdings müssen die aktiven Netzkomponenten wie Ethernet-Switche oder Feldbuskonverter, die die optischen Signale in elektrische wandeln und umgekehrt, diese Technik unterstützen.
Während sich POF und HCS im Feld relativ leicht konfektionieren lassen, sollten Single- und Multimode-Fasern von Spezialisten angeschlossen und eine OTDR-Messung (Optical Time Domain Reflectometry) durchgeführt werden, bei der sich auch die Dämpfungswerte ermitteln lassen. Denn nur so ist sichergestellt, dass alles einwandfrei funktioniert. Alternativ gibt es auch vorkonfektionierte LWL inklusive Dämpfungsprotokoll. Diese sind aber nur bei gut zugänglichen Kabeltrassen und Distanzen von wenigen 100 m zu empfehlen, da die konfektionierten Stecker sonst bei der Verlegung beschädigt werden können.
Budget permanent überwachen
Aktive Netzkomponenten stellen ein Budget – die Differenz aus Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit – zur Verfügung, mit dem die auf der jeweiligen LWL-Strecke vorhandene Dämpfung überbrückt werden kann. Diese nimmt im Laufe der Zeit oft schleichend zu, etwa durch lockere Verbindungselemente, Staub und Schmutz, mechanische Beanspruchung oder Veränderungen der Netztopologie. Das ließ sich bisher nur durch aufwändige Messungen herausfinden. Denn Netzwerkmanagement- und Scada-Systeme können zwar den Status der aktiven Komponenten anzeigen, jedoch nicht den Zustand der einzelnen LWL-Strecken.
Für diese Aufgabe wurde das Monitoring-System FiberView entwickelt. Es wird in aktive Netzkomponenten integriert und zeigt über drei LEDs und einer zusätzlichen Bedienoberfläche mit einer Ampel an, ob das Budget im grünen, gelben oder roten Bereich liegt. Bei Gelb bewegt es sich gerade noch oberhalb der definierten Systemreserve von drei Dezibel. Da diese Frühwarnstufe zudem über einen potentialfreien Kontakt signalisiert wird, kann sie auch in Scada-Systemen zentral ausgewertet werden.
Werden die aktiven Netzkomponenten nicht über vorkonfektionierte LWL angeschlossen, empfiehlt es sich, eine Spleißbox zu verwenden. Denn in ihr lassen sich die Fasern sauber einlegen und fixieren. Außerdem kann mit Patch-Kabeln rangiert werden, was keine speziellen Kenntnisse erfordert und deren Austausch nach einem Defekt nur wenige Euro kostet.
Um mit LWL auch flexible Produktionsprozesse im Sinne von Industrie 4.0 und mobile Anwendungen zu vernetzen, gibt es mit e-light S ein System, das aus einem Ethernet-Medienkonverter einschließlich Verschraubung und vorkonfektionierten LWL-Kabeln besteht und sich nach dem Plug-and-play-Prinzip schnell in Betrieb nehmen lässt.
Der Medienkonverter hat ein M50-Gewinde, das von innen durch die Wand von Schaltschranktüren oder Maschinengehäusen gesteckt und dann von außen mit einer Mutter verschraubt wird. Ein Dichtring sorgt dafür, dass die Öffnung gemäß IP65 vor Staub und Wasser geschützt ist. Die Schnittstelle für die elektrische Datenübertragung zeigt nach innen und die Buchse für den optischen Stecker nach außen.
Durch die lösbare IP65-Anschlusstechnik lassen sich Maschinen ohne Spleißen der Fasern flexibel an das Netzwerk anbinden, oder anders ausgedrückt: Der Medienkonverter kann nicht nur im Schaltschrank eingesetzt werden, sondern auch dezentral, also in unmittelbarer Nähe der Prozesse.
LWL für die Datenübertragung im Feld
LWL werden aus der Produktionshalle schon bald nicht mehr wegzudenken sein. Denn aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften lassen sich mit ihnen hochleistungsfähige Infrastrukturen aufbauen. Mittlerweile stehen verschiedene LWL-Typen bereit, mit denen sich je nach Einsatzszenario optimale Lösungen realisieren lassen. Außerdem sind aktive Netzkomponenten verfügbar, mit denen der Status der Strecken exakt überwacht werden kann. Kurzum: LWL ermöglichen hochverfügbare Lösungen für die Datenübertragung im Feld.
