Mit der zunehmenden Dezentralisierung in der Automation steigt der Kommunikationsbedarf zwischen den Geräten, die sich sowohl in der geschützten Umgebung des Schaltschranks als auch – immer häufiger – im rauen Feld befinden. Bei der Entscheidung für ein industrielles Kommunikationssystem steht Industrial Ethernet heute im Fokus. Bei der Anlagenplanung sollte bereits frühzeitig eine Grundsatzentscheidung über das Medium der Datenübertragung getroffen werden. Neben dem neuen Medium Funk konzentriert sich die Auswahl auf die elektrische und optische Kommunikation (Tabelle 1). Für die Wirtschaftlichkeit der Gesamtlösung im Industriebereich spielen weitere Faktoren eine Rolle: Das System muss sich einfach installieren, in Betrieb nehmen, warten und im Fehlerfall reparieren lassen. Ein permanentes Monitoring kann zudem die Verfügbarkeit der Automatisierungslösung erheblich erhöhen. Aus diesen Gründen hat sich in vielen Bereichen die optische Datenübertragung durchgesetzt. Neben den anwendungsneutralen generischen Netzwerken im Unternehmen nach IEC11801/ 24702 gibt es auch anwendungsspezifische Netzwerke, und zwar innerhalb der Automation Islands gemäß IEC 61918. Die generische Verkabelung besteht aus einem topologisch starren und für die Gebäudeverkabelung optimierten System aus fest verlegten Leitungen und Patch-Kabeln. Ein einfaches Planungsmodell sowie vorkonfektionierte Leitungen sind die Folge. Schwachpunkte im industriellen Umfeld sind hingegen die fehlende Flexibilität und Anpassung an die spezifischen Anforderungen – etwa an Teilstrecken mit Schleppkettenleitungen – sowie der Verzicht auf aktive Komponenten. Daher eignet sich diese Verkabelungsart lediglich für eine anwendungsneutrale Infrastruktur in der Fertigung, jedoch nicht für die Kommunikation innerhalb von Maschinen und Anlagen. Im Gegensatz zum Büroumfeld mit seiner Glasfaser-Dominanz werden im Industrieumfeld je nach Streckenlänge verschiedene Fasertypen eingesetzt (Tabelle 2), deren deutlichster Unterschied der Durchmesser des lichtführenden Faserkerns ist. Dieser beträgt bei Singlemode-Glasfasern 9µm, bei Multimode-Glasfasern 50µm, bei PCF 230µm und bei POF 980µm. Dadurch werden die Auswahl des Steckverbinders, der Präzisionsanspruch sowie der Installationsaufwand entscheidend beeinflusst. Generell gilt: je länger die Übertragungsstrecke, desto geringer der Durchmesser des Faserkerns und desto größer der Installationsaufwand. Des Weiteren muss – insbesondere bei POF und PCF – das Bandbreitenverhalten der Fasern betrachtet werden. Der eingekoppelte Lichtstrahl besteht, wenn man von Singlemode-Systemen einmal absieht, aus vielen einzelnen Wellen, den sogenannten Moden. Die Strahlführung der Moden erfolgt über die Strecke nicht völlig parallel. Je länger die Übertragungsstrecke, desto mehr kommt es zur Verbreiterung des Signals, ähnlich eines Tiefpasses. Bei den höheren Frequenzen des Ethernets wird dadurch die Übertragungslänge geringer als bei Feldbussen. Auf der Geräteseite wandeln Transceiver die elektrischen Signale in optische Signale um. Je nach Fasertyp kommen verschiedene Wellenlängen in Betracht (Tabelle 2), sodass die verwendeten Geräte und Fasertypen zueinander passen müssen. Die Systeme sind außerdem von der jeweiligen Feldbusorganisation so gestaltet, dass die Ausgangsleistung der Sendediode, die zulässige Faserdämpfung sowie die Empfindlichkeit der Empfangsdiode aufeinander abgestimmt sind. Der Anwender muss lediglich einfache Regeln beachten. Vorteilhaft ist es außerdem, wenn der Transceiver bereits Diagnoseinformationen zur Verfügung stellt, die den Geräten und Steuerungen Maßnahmen zur zustandsbasierten Wartung erlauben. Bei Profinet werden zwei Diagnosestufen unterschieden: Die Stufe \’Maintenance Required\‘ gibt an, dass die optische Leistungsreserve einen Wert von kleiner als 3dB erreicht hat – ein Indiz für eine sich langsam verschlechternde Verbindung. Die Lichtleistung reicht noch für eine fehlerfreie Datenübertragung, jedoch sollte bei nächster Gelegenheit die Installation überprüft werden. Ist die Systemreserve verbraucht, wird ein \’Maintenance Demanded\‘-Alarm verschickt. Dadurch wird signalisiert, dass ein weiteres Absinken der Lichtleistung zu einer Erhöhung der Bitfehlerrate führen kann. Eine sofortige Überprüfung der Übertragungsstrecke ist ratsam. Da die industrielle Kommunikation oft unter rauen Einsatzbedingungen erfolgt, muss der Anwender neben den übertragungstechnischen Eigenschaften also zusätzlich die Umgebungsbedingungen bei der Komponentenauswahl beachten. Eine systematische Beschreibung der Umweltbedingungen erfolgt mit dem Mice-Modell nach IEC TR 29106. Es berücksichtigt die Belastungen Mechanik, Fremdstoffe, Klima und EMV sowie die Schärfegrade 1, 2 und 3 für Büro, leichter und schwerer Industriebereich. Feldbusorganisationen haben oft ihre eigenen Definitionen – etwa für inner- und außerhalb des Schaltschranks. Schock, Vibration und Temperatur-Unterschiede können in optischen Steckverbindern eine axiale oder radiale Verschiebung der Ferullen zur optischen Achse verursachen, sodass die Übertragung des Lichtstrahles am Übergang der optischen Medien gestört ist. Hierdurch wird eine unzulässige Dämpfungserhöhung an der Steckverbindung verursacht (Bild 2), wodurch die übertragene Lichtleistung sinkt und die Datenübertragung unterbrochen wird. Steckverbinder aus dem Büroumfeld eignen sich daher oft nicht für die spezifischen Anforderungen der Industrie. Der robuste SCRJ-Steckverbinder hingegen hat sich auch in der Industrie etabliert und ist für mehrere Systeme des Industrial Ethernet spezifiziert. Seine kompakte Bauweise als SFF-Steckverbinder (Small Form Factor) ermöglicht die leichte Integration in Geräte. Die federnd gelagerten Ferrulen mit einem Durchmesser von 2,5mm gleichen Toleranzen aus und können die Faser bequem aufnehmen. Daraus resultiert ein robuster optischer Steckverbinder, der alle Fasertypen unterstützt. Auch hier ist die Möglichkeit einer schnellen und komfortablen Konfektionierung im Feld oft von großem Vorteil. Phoenix Contact bietet für jeden Fasertyp eine entsprechende Schnellanschlusstechnik. So ist etwa bei der POF-Faser lediglich das Schneiden der Faser sowie die Fixierung in einer Schnellspannhülse erforderlich. Vorteilhaft bei Inbetriebnahme und Diagnose ist außerdem die Kompatibilität des genormten SCRJ-Steckverbinders zum weit verbreiteten SC. Für den Bereich der Schutzart IP67 ist das Push-Pull-Steckverbindersystem für die Übertragung optischer und elektrischer Signale die beste Lösung. Dabei wird – wie im IP20-Bereich – als elektrische Schnittstelle der RJ45 und als optische Schnittstelle der SCRJ eingesetzt. Dieses Konzept ist damit kompatibel zur IP20-Lösung, und es ermöglicht ein durchgängiges System von Gerätegehäusen bis hin zum Leiterplatten-Design. Fazit Ob Schaltschrank oder Gerät, Schweißbereich oder Chemieanlage – industrielle Kommunikationssysteme mit Lichtwellenleitern lassen sich in der Automatisierungstechnik sinnvoll einsetzen. Mit durchdachten Systemlösungen von der Diagnose bis zur Installation lassen sich flexible und zuverlässige Strukturen im Maschinen- und Anlagenbau leicht realisieren. Kasten 1: LWL-Syteme nutzen unterschiedliche Fasertypen Leitungen für die LWL-Datenübertragung per Lichtwellenleiter erfüllen in unterschiedlichen Ausprägungen optimal die Bedürfnisse der Industrie. Die Leitungen basieren auf wenigen Faser-Grundtypen, die umfassend in der IEC60793-2 genormt sind (Bild 3). Glasfasern werden danach unterschieden, ob sie lediglich eine Mode (Singlemode, GOF-SM) oder viele Moden (Multimode, GOF-MM) leiten. Fasern aus Kunststoff sind grundsätzlich vom Typ Multimode und werden als Polymer-Optical-Fibre (POF) bezeichnet. Sie existieren in verschiedenen Durchmessern, wobei die Ausführung 980µm die gängigste ist. Eine Mischform ist die kunststoffumhüllte Glasfaser – die Polymer-Cladded-Fibre (PCF). Alle Fasern besitzen aufgrund ihres mechanischen und optischen Aufbaus spezifische Vor- und Nachteile, weswegen meist all diese Fasertypern in den Systemen des Industrial Ethernets definiert sind. Im Maschinen- und Anlagenbau mit seinen oft kurzen Leitungslängen ist die POF-Faser meist die beste Wahl. Sie ist preisgünstig, robust und zudem einfach zu installieren. SPS/IPC/Drives: Halle 6, Stand 437
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