Mit der Zunahme der Dezentralisierung und der Datenmengen in der Automatisierungstechnik steigt der Kommunikationsbedarf zwischen den Geräten – die sich sowohl in der geschützten Umgebung des Schaltschranks als auch zunehmend im rauen Feld befinden. Bei der Entscheidung für ein industrielles Kommunikationssystem stehen dabei Feldbusse sowie Industrial Ethernet im Fokus – als anwendungsspezifische Netzwerke innerhalb der sogenannten Automation Islands gemäß IEC61918. Daneben finden sich anwendungsneutrale generische Netzwerke nach IEC11801/24702 auch im Fertigungsbereich außerhalb der Automation Islands. Bei der Anlagenplanung sollte frühzeitig eine Grundsatzentscheidung über das Medium der Datenübertragung getroffen werden. Alternative zu Draht und Funk Die Übertragung mit Lichtwellenleitern (LWL) ist bei Netzwerkverkabelungen oft eine Alternative zu Draht oder Funk. Das gilt vor allem bei folgenden Faktoren: – hohe Datenraten – große Channel-Längen – geringes Leitungsgewicht – vorausschauende Diagnose des Channels – mögliche Potenzial-Differenzen im Erdungssystem – Unempfindlichkeit gegenüber EMV-Einflüssen – Abhörsicherheit Um eine wirtschaftliche und zuverlässige Verbindung herzustellen, werden im Industrieumfeld – anders als im Büroumfeld – verschiedene Fasertypen eingesetzt. Dabei spielen folgende Kriterien eine Rolle: – Streckenlänge – Umweltbedingungen – Einsatz vorkonfektionierter oder im Feld zu konfektionierender Komponenten Aufgrund der Physik der Wellenausbreitung ermöglichen die verschiedenen Systeme je nach Fasertyp und Datenrate unterschiedliche Übertragungslängen (Bild 2). Generell gilt: Je länger die Übertragungsstrecke, desto geringer der Durchmesser des Faserkerns und desto höher der Installationsaufwand. Leitungen für die Datenübertragung per LWL existieren in vielen unterschiedlichen Ausprägungen – je nach Anforderung der industriellen Kommunikation. Unterschiedliche Fasertypen Die Leitungen basieren auf nur wenigen Fasertypen, die in der IEC60793-2 umfassend genormt sind. Unterschieden werden Glasfasern nach der Anzahl der Ausbreitungswellen (Moden): – Singlemode (GOF-SM/eine Ausbreitungswelle) – Multimode (GOF-MM/mehrere Ausbreitungswellen) Fasern aus Kunststoff – auch als Polymer-Optical-Fibre (POF) bezeichnet – werden grundsätzlich in Multimode betrieben. Eine Mischform ist die kunststoffumhüllte Glasfaser, die auch als Polymer-Cladded-Fibre (PCF) bezeichnet wird. Der für die Übertragung optischer Wellen genutzte Durchmesser des Faserkerns beträgt bei Singlemode-Glasfasern 9µm, bei Multimode-Glasfasern 50µm, bei PCF-Fasern 200µm und bei POF-Fasern 980µm. Die Fasertypen unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich Präzisionsanspruch und Umweltbedingungen, sondern auch beim Installationsaufwand und bei den Steckverbindern. Aufgrund ihres mechanischen und optischen Aufbaus haben alle Fasertypen ihre spezifischen Vor- und Nachteile, und so sind meist alle Fasertypern in den industriellen Kommunikationssystemen definiert. Im Maschinen- und Anlagenbau mit seinen oft kurzen Leitungen ist die POF-Faser meist die erste Wahl – sie ist preisgünstig, robust und einfach zu installieren. LWL-Steckverbinder Soll die Verkabelung wirtschaftlich und betriebssicher sein, spielen LWL-Steckverbinder eine wichtige Rolle. Auf der Geräteseite sind Transceiver erforderlich, die elektrische Signale in optische umwandeln. Hier sollten Steckverbinder zum Einsatz kommen, für die es bei allen gewünschten Wellenlängen und Fasern auch Transceiver gibt (Bild 3). Zusammen mit Steckverbindern, die sich für alle Fasertypen eignen, wird so eine mechanisch identische Geräteausführung erreicht. Ein permanentes Monitoring der Übertragungsstrecke erhöht die Verfügbarkeit der Automatisierungslösung, indem es eine unzulässige oder auffällige Erhöhung der Dämpfung erkennt. Diese Fähigkeit des Transceivers ist nicht selbstverständlich – sie ist daher ein wichtiges Auswahlkriterium für das optische System. Geräte-Designer bevorzugen kleine Steckverbinder nach dem Standard des Small-Form-Factor (SFF), die in den Ausschnitt eines RJ45 passen. Installateure hingegen wünschen sich oft größere Steckverbinder, damit die Konfektionierung einfacher wird. Während sich im Büroumfeld fast nur vorkonfektionierte Leitungen finden, geht es in der Automatisierungstechnik nicht ohne die Konfektionierung im Feld. So ist der Installateur an einer einfachen Konfektionierung aller Fasertypen interessiert. Anschlusstechniken, die schnell und bequem im Feld konfektioniert werden können, sind hier von Vorteil (Bild 4). Zur Kennzeichnung der Datenübertragungsrichtung sind die Stecker und Adern in den Kabeln bei einigen Systemen mit Pfeilen versehen – eine Verwechselung der Übertragungsrichtung ist dann ausgeschlossen. Vorteil bei Wartungs- und Reparaturarbeiten Neben der Dämpfung in der Faser ist auch der Dämpfungsverlust in der Steckverbindung von Bedeutung. Nur mit einer exakten Zentrierung der Faseroberflächen in radialer und axialer Richtung zueinander sowie mit einer glatten Oberfläche der Faserenden wird eine geringe Dämpfung erreicht. Eine gefederte Lagerung der Faserenden in Ferrulen gleicht Toleranzen aus. Im Büro oder im Rechenzentrum ist dies nicht notwendig – dort sind die Steckverbinder meist einfacher gehalten. Optische Steckverbinder gibt es in Ausführungen für eine, zwei oder mehrere Fasern. Für die Datenübertragung in beide Richtungen werden zwei Fasern benötigt. Duplex-Steckverbinder zur Aufnahme zweier Fasern reduzieren die Anzahl der Steckverbinder im System und sorgen für eine sichere und eindeutige Zuordnung des Steckverbinders zur Übertragungsstrecke – ein großer Vorteil bei Wartungs- und Reparaturarbeiten. Die Übertragungsstrecke wird im Wartungsfall mit marktüblichen Messgeräten diagnostiziert, deren Anschlüsse für den Standard der Büroumgebung ausgelegt sind – dem SC- oder LC-Steckverbinder. Eine Kompatibilität hierzu vermeidet umständliche Adapterlösungen und mögliche Fehlerquellen. Mechanische Belastungen Ein weiterer Aspekt der LWL-Kommunikation ist die Robustheit gegenüber mechanischer Belastung, die im industriellen Umfeld häufiger und ausgeprägter ist als im Büro. Schock, Vibration und Temperatur-Unterschiede verursachen eine axiale oder radiale Verschiebung zur optischen Achse, sodass die Übertragung des Lichtstrahles am Übergang der optischen Medien gestört ist. Dies verursacht eine unzulässige Dämpfungserhöhung an der Steckverbindung, und die übertragene Lichtleistung sinkt. Wird das Dämpfungs-Budget der Übertragungsstrecke überschritten, bricht die Datenübertragung ab. Nicht nur im Produktionsprozess, auch bei der Wartung kann eine unzulässige mechanische Belastung auftreten. Wird an einem Gerät etwa ein benachbarter Steckverbinder bedient, und dabei unbeabsichtigt der Steckverbinder, der gerade Daten überträgt, zur Seite bewegt, kann konstruktionsbedingt ein Fehler auftreten. Für den Einsatz im rauen Industrieumfeld gibt es Ausführungen in der Schutzart IP67. Wie im IP20-Bereich wird dabei der Steckverbinder als optisches Interface eingesetzt. Somit ist die Kompatibilität zur IP20-Lösung gegeben – für ein durchgängiges Gesamtsystem. So haben sich die Feldbusorganisationen primär für Ausführungen entschieden, die auch in widrigen industriellen Umgebungen zuverlässig arbeiten. Außerdem soll die Konfektionierung im Feld sowie die Platz sparende Integration in die Geräte möglichst einfach sein. Stecker aus dem Bürobereich Zur besseren Kompatibilität mit der Büroverkabelung sind deren Systeme ebenfalls eingeschränkt zulässig. Der im Bürobereich populäre und bei der generischen Verkabelung bevorzugte LC-Steckverbinder wird den Ansprüchen im rauen Industrieumfeld aber nur eingeschränkt gerecht. Deshalb wird er nur innerhalb von Schaltschränken eingesetzt. Dagegen nimmt der kompakte und robuste SCRJ-Steckverbinder mit seinen 2,5mm-Ferrullen alle Fasertypen auf. Auch hier ist eine schnelle und komfortable Konfektionierung im Feld oft von Vorteil. So wird etwa bei POF lediglich die Faser geschnitten und in einer Schnellspannhülse fixiert (Bild 4). Außerdem gibt es eine Ausführung in der Schutzart IP67 für das raue Industrieumfeld. Wie im Bereich der Schutzart IP20 dient der SCRJ-Stecker als optische Schnittstelle – und ist somit kompatibel zur IP20-Lösung, sodass auch hier ein durchgängiges System entsteht. Industrielle Kommunikation über LWL ist bei allen Systemen möglich. Wenn einige wichtige Aspekte beachtet und die richtigen Komponenten gewählt werden, steht einer wirtschaftlichen und zuverlässigen Verkabelung nichts im Wege. Phoenix Contact unterstützt den Anwender mit einer vollständigen Systemlösung für die zeitgemäße Lichtwellenleiter-Technik. SPS/IPC/Drives: Halle 3, Stand 310
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