Die stetig wachsenden Anforderungen an die Datenübertragung in der Automatisierung erfordern leistungsfähige, zuverlässige und zukunftssichere Netzwerke. Deshalb haben wir uns die Infrastrukturen, die auf Lichtwellenleitern (LWL) basieren, einmal genau angeschaut.

LWL bestehen aus einem Kern, dessen Durchmesser bis zu zehnmal kleiner sein kann als der eines menschlichen Haares, und einem Mantel. Beide sind fest miteinander verbunden. Bei den meisten LWL-Typen breitet sich das Licht durch Totalreflexion der Strahlen im Kern aus. Übertragungsverluste sind durch moderne Herstellungsverfahren inzwischen bis zu den physikalisch vorgegebenen Grenzen reduziert worden. Das heißt, nur noch die – unvermeidbare – Mikrostruktur des hochreinen Glases stört die Lichtwelle und bestimmt so die physikalisch mögliche Untergrenze der Dämpfung.
Weil Licht weder durch elektrische noch magnetische Felder beeinflusst wird, können LWL auch in unmittelbarer Nähe von Energieleitungen oder anderen elektromagnetischen Störquellen verlegt werden. Zudem bestehen LWL aus elektrisch nicht leitfähigem Material, das heißt, die Daten werden immer über einen elektrischen Isolator übertagen, sodass keine Potentialausgleichsströme auftreten können. Auch bei einem Blitzeinschlag in die Verkabelung besteht kein Zerstörungsrisiko für die angeschlossenen Geräte. Ferner erfordern optische Infrastrukturen weniger Leitungen wie auch weniger passive und aktive Komponenten. Kurzum: Mit LWL lassen sich wartungsfreie Netzwerke aufbauen, die zu einer deutlichen Reduzierung der Betriebskosten beitragen.

Mehr als Single- und Multimode

Je nach Einsatzszenario lassen sich unterschiedliche LWL-Typen 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 Polymere Optical Fiber (POF) und Hard Clad Silica (HCS) verwendet werden, die aus Kunststoff beziehungsweise Kunststoff und Glas bestehen. Zudem gibt es robuste LWL, die etwa torsionsbeständig und schleppkettenfähig sind.
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. Dadurch lässt sich etwa die Dämpfung ermitteln, die durch verschiedene Faktoren wie Entfernung, Wellenlänge, Absorptions-, Streuungs- und Strahlungsverluste sowie Steckverbindungen und Spleiße hervorgerufen wird. Alternativ können auch vorkonfektionierte LWL verwendet werden, die inklusive Dämpfungsprotokoll erhältlich sind. Das empfiehlt sich aber nur bei gut zugänglichen Kabeltrassen und Distanzen von wenigen 100 m, da die konfektionierten Stecker sonst bei der Verlegung beschädigt werden können.

BiDi-Technik spart Fasern

Beim Aufbau optischer Infrastrukturen sollte darauf geachtet werden, dass von vornherein genügend Fasern vorhanden sind. Denn über LWL lassen sich zahlreiche Anwendungen vernetzen, von der Steuerungstechnik über die Zustandsüberwachung bis hin zur Bildverarbeitung. Mit anderen Worten: 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.
Für die Nachrüstung von Anlagen, in denen es nur noch wenige oder gar keine freien Fasern gibt, kann die BiDi-Technik eingesetzt werden. Denn diese ermöglicht eine Kommunikation in zwei Richtungen über nur eine Faser – normalerweise sind dafür zwei erforderlich. Allerdings müssen die aktiven Netzkomponenten diese Technik unterstützen.

Dämpfung kann schleichend zunehmen

Aktive Netzkomponenten wie Ethernet-Switche und Feldbuskonverter wandeln die optischen Signale in elektrische und umgekehrt. Für die Datenübertragung stellen sie ein Budget (Differenz aus Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit) zur Verfügung, mit dem die auf der jeweiligen LWL-Strecke vorhandene Dämpfung überbrückt werden kann. Diese nimmt jedoch 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.
Mit FiberView gibt es ein Monitoring-System, das speziell für diese Aufgabe entwickelt wurde. Es wird in aktive Netzkomponenten integriert und zeigt über drei LEDs und – bei Switchen – eine zusätzliche Bedienoberfläche mit einer Ampel an, ob das Budget im grünen, gelben oder roten Bereich liegt. Bei Gelb bewegt es sich gerade noch innerhalb der definierten Systemreserve von 3 dB. Da diese Frühwarnstufe zudem über einen potentialfreien Kontakt signalisiert wird, kann sie auch in Scada-Systemen zentral ausgewertet werden.
Redundanzverfahren gewährleisten mittlerweile je nach Protokoll, Netztopologie und Anzahl der aktiven Teilnehmer durch Umschaltzeiten von nur wenigen Millisekunden eine hohe Netzverfügbarkeit. Wenn jedoch mehrere Fehler gleichzeitig auftreten (Multiple Points of Failure), ist auch in LWL-Infrastrukturen eine Unterbrechung der Datenübertragung vorprogrammiert. Davor schützt die optische ­Bypass-Technologie, die aus der klassischen IT-Welt kommt. Mit dem protokolltransparenten X-light, der sowohl für Ethernet als auch alle Feldbusse und zahlreiche Schnittstellen wie RS-485 geeignet ist, kann sie auch in rauer industrieller Umgebung eingesetzt werden.

Maximaler Schutz durch Bypass-Technologie

Wie funktioniert diese Technologie? Sie setzt direkt bei den Netzteilnehmern an. Fällt einer aus, sorgt der Bypass dafür, dass die Datenkommunikation zwischen benachbarten Teilnehmern aufrechterhalten wird. Deshalb ist nur die Anwendung betroffen, die über den ausgefallenen Teilnehmer gesteuert wird. Das übrige Netz bleibt dagegen selbst bei Multiple Points of Failure physikalisch bestehen und damit funktionstüchtig. Das gilt auch dann, wenn der Bypass, der entweder über den zu schützenden Teilnehmer oder ein separates Netzteil mit Spannung versorgt werden kann, keinen Strom mehr bekommt.

Stecker sind ein wichtiges Glied in der Kette

Für die Verkabelung von aktiven Netzkomponenten und Endgeräten bieten feldtaugliche Spleißboxen eine praktische Alternative. Denn mit ihnen kann der zentrale Übergabepunkt, der bisher in aller Regel in 19‘‘-Schaltschränken untergebracht ist, näher und damit dezentral an die Maschinen herangebracht werden. Außerdem ermöglichen sie, mit Patchkabeln zu rangieren, wodurch sich unterschiedliche Stecker verwenden lassen.
Um LWL anzuschließen, können etwa HE2000-, SC- und ST-Stecker eingesetzt werden. Mehrkanal-Ausführungen, die sich etwa durch spezielle Einsätze variabel mit optischen und elektrischen Kontakten bestücken lassen, ermöglichen vielseitige Einsatzszenarien wie etwa eine Spannungsversorgung von Endgeräten. Die Leistungsfähigkeit eines Steckers hängt maßgeblich davon ab, dass er einen optimalen Kontakt gewährleistet und die Kerne der Fasern nur einen minimalen lateralen Versatz haben – bei einer Abweichung von 0,1 µm beträgt die Einfügedämpfung etwa bei klassischen Singlemode-Fasern 0,1 dB und steigt dann exponentiell an.