Die Grundlage von Industrie 4.0 bilden intelligente, digital vernetzte Systeme – und Datenkabel. Dennoch fristen sie ihr Dasein als typisches C-Teil: kostengünstig im Einkauf, doch mit einem relativ hohen zeitlichen Bereitstellungsaufwand. Wird dies der Schlüsselrolle von Lichtwellenleitern auf dem Weg zur Smart Factory gerecht?

Coperion, Hersteller von Extrusions- und Compoundiersystemen sowie Schüttgutanlagen, setzt auf redundante optische Ringnetze, um höchste Anforderungen an die Maschinenverfügbarkeit zu erfüllen. Bei der Auswahl der geeigneten Lichtwellenleiter vertraut der Maschinen- und Anlagenbauer dabei auf das Know-how von Helukabel, Hersteller von Kabel, Leitungen und Kabelzubehör. In den Anlagen von Coperion kommen häufig Datenkabel mit Leitungslängen von 1,5 km und mehr zum Einsatz. Das prädestiniert die Anlagen für den Einsatz von Lichtwellenleitern. Je länger die Strecke ist, die ein Datenkabel zu überbrücken hat, desto eher kann ein Lichtwellenleiter (LWL) seinen Reichweiten-Vorteil ausspielen. Die Datenübertragung via Kupfer stößt bei einer maximalen Segmentlänge von 100 Metern an ihre Grenzen, danach muss wegen der Dämpfung ein Repeater zwischengeschaltet werden.
Allein die räumliche Ausdehnung einer Maschine determiniert somit häufig bereits die Wahl zwischen Kupfer und Glasfaser, besonders dann, wenn weitere Anlagenkomponenten wie Weiterverarbeitungen, Förderung oder Sortierung hinzukommen. Als Grundregel für Datenkabel im Maschinen- und Anlagenbau gilt daher: Dort, wo große Distanzen für die Buskommunikation überbrückt werden müssen, sind LWL das Medium der Wahl für eine schnelle und störresistente Datenübertragung. Bei LWL spielen auch Potentialunterschiede keine Rolle, was gerade im Anlagenbau von Vorteil ist.

Gute Übertragung, anspruchsvolle Handhabung

Glasfaser besitzt, verglichen mit der elektrischen Übertragung durch Kupfer, das Merkmal einer weitaus höheren Übertragungsrate bei gleichzeitig sehr hoher Reichweite. Zudem findet keine Signalstreuung auf benachbarte Fasern statt. Die Glasfaser wird als optischer Leiter nicht elektromagnetisch beeinflusst und kann elektromagnetisch verträglich (EMV) gemeinsam mit Leistungskabeln verlegt werden, solange der LWL-Leiter ohne metallische Bewährung ausgeführt ist.
Das hochreine Glas der Fasern ermöglicht eine klare Signalübertragung. Doch so klar die Übertragung ist, so anspruchsvoll ist auch deren Handhabung: In Abhängigkeit vom Biegeradius entstehen schnell hohe Biegeverluste durch das Abstrahlen von Lichtleistung aus dem Kern in den Mantel, der einen geringeren Brechungsindex aufweist. Speziell die Konfektionierung durch wenig geübtes Personal bezahlt man mit einer starken Zunahme der Signaldämpfung der Glasfasern. Beim Verbinden von Fasern mittels Steck- und Spleißverbindungen können Einfüge- bzw. Koppelverluste entstehen.
Während Kupferkabel schnell und einfach mit Steckern für die jeweilige Anwendung angepasst werden können, gehört zur Konfektionierung von LWL teures Equipment und Know-how. Allein Anschaffungskosten von mehreren Zehntausend Euro für das Werkzeug zum Spleißen und Messen macht es attraktiv, bereits fertig konfektionierte LWL zu beziehen.
Helukabel liefert nach Wunsch LWL ready to use inklusive der Anschlusstechnik aus dem Programm von Helucom Connecting Systems. Je nach Anwendung werden die Kabel mit einem passenden Aufteilkörper verbunden, der die Fasern aus dem Bündeladerkabel ohne Spleißungen in einzelne Simplexkabel führt, die wiederum mit werkskonfektionierten Steckern abgeschlossen sind. Zuletzt wird der Übergang vom Kabelmantel zum Aufteilkörper mit Polyamid vergossen, was die typische Kabelschwachstelle deutlich robuster macht als ein ansonsten häufig benutzter Schrumpfschlauch. Das mitgelieferte Messprotokoll gibt Auskunft über die Übergangsdämpfung des fertig konfektionierten Kabels.

Unverwüstliche Netztopologie des Doppelrings

Zur Anwendung kommen die LWL bei Coperion vorwiegend als Netzwerkkabel für eine möglichst ausfallsichere Rechner-Kommunikation (Visualisierung) innerhalb der Extruder. Von Anfang an war klar, dass sich die Steuerung sowohl über große Entfernungen erstreckt als auch die Netztopologie eine besonders hohe Maschinenverfügbarkeit sicherstellen muss. Die Maschinenkomponenten der Großextruder kommunizieren deswegen in einem redundant ausgelegten optischen Ring.
„Wir wollen allen Ausfallszenarien eines Großextruders vorbeugen. Gerade in einer Prozessindustrie wie der Petrochemie würde der Stillstand eines Extruders immense Ausfallkosten nach sich ziehen. Alles käme zum Erliegen. Deswegen setzen wir beim Netzwerk auf die Robustheit eines optischen Doppelrings“, erklärt Martin Wurz von Coperion. Zusätzlich zur architekturbedingten Ausfallsicherheit des Doppelrings sind die Netzteilnehmer über gemanagte Switche mit dem Netzwerk verbunden. Falls also ein Teilnehmer ausfällt, kann dieser direkt mit dem Switch überbrückt werden, sodass in diesem Fall noch überhaupt nicht auf den redundanten Reservering zurückgegriffen werden muss. Hierdurch steigt die Fehlertoleranz und das Doppelring-Netzwerk verkraftet mehr als einen Ausfall.
Zudem erhält man damit eine Infrastruktur, in der sich alle Netzwerk-Komponenten im laufenden Betrieb warten und austauschen lassen. Wurz erklärt weiter: „Da die gemanagten Switche bereits die Netzwerksicherheit für den Ausfall einzelner Netzteilnehmer regeln, ist der redundante Ring wirklich als letzter Rettungsanker für den Extremfall gedacht. Oder aber für den Fall, dass der LWL des Rings selber gebrochen ist. Das ist mir aber bei noch keinem unserer Großextruder zu Ohren gekommen.“