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Frühwarnsystem für LWL-Netze

Bild 1. Da sich Licht weder durch magnetische noch durch elektrische Störungen beeinflussen lässt, benötigen LWL-Netze auch keine Erdung und zusätzliche Abschirmung der Leitungen

Bild 2. Der Industrial Ethernet-Switch „e-light 2 MRP“ unterstützt das LWL-Monitoring-System Fiber View

Bild 3. Die Bedienoberfläche eines Fiber-View-Switches: Das Budget einer Lichtwellenleiterstrecke wird über eine Ampel visualisiert. Die Gelbphase ermöglicht ein vorausschauendes Handeln

Elektromagnetische Verträglichkeit, hohe Datenraten und große Entfernungen sind nur einige der Vorteile, die Lichtwellenleiter gegenüber Kupferleitungen bieten. Deshalb werden sie heute sowohl in Ethernet- als auch in Feldbusnetzwerken für viele Applikationen eingesetzt. Trotz einer vergleichsweise geringen Dämpfung stößt jedoch auch dieses Medium bisweilen an seine Grenzen. Deshalb hat Eks Engel mit Fiber View ein Frühwarnsystem entwickelt, das stets eine hohe Verfügbarkeit der Lichtwellenleiterstrecke und damit der angeschlossenen Maschinen und Anlagen gewährleistet.

Lichtwellenleiter (LWL) bestehen aus einem Kern und einem Mantel, die fest miteinander verbunden sind und sich – je nach Ausführung – nur durch den Brechungsindex unterscheiden. Der Durchmesser eines Lichtwellenleiterkerns, der zwischen 9 μm und 1 000 μm liegt, kann damit bis zu zehnmal kleiner sein als der eines menschlichen Haars (Bild 1).
Dennoch ist dieses Medium den wesentlich dickeren und auch teureren Kupferleitungen in vieler Hinsicht überlegen. Beispielsweise sind mit LWL Datenraten von bis zu 40 Gbit/s kein Problem. Außerdem lassen sich damit Entfernungen von 100 km und mehr ohne Weiteres überbrücken. Zudem wird Licht nicht durch elektrische oder magnetische Störungen beeinflusst. Deshalb kann man LWL auch in unmittelbarer Nähe von Energieleitungen oder anderen elektromagnetischen Quellen verlegen, was die Kabelführung vereinfacht.

Lichtwellenleiter sind robust und sicher
Da alle Arten von Lichtwellenleitern aus elektrisch nicht leitfähigem Material bestehen, werden die Signale stets über einen elektrischen Isolator übertragen. Somit besteht selbst bei Blitzeinschlägen kein Zerstörungsrisiko für die angeschlossenen Geräte. Außerdem ist bei LWL – anders als bei Kupferleitungen – keine Erdung beziehungsweise zusätzliche Abschirmung erforderlich. Auch in puncto Torsion sind Lichtwellenleiter widerstandsfähiger und damit langlebiger.
Hinsichtlich des Einsatzes in rauer und nasser Umgebung sowie bei großen Temperaturschwankungen unterscheiden sie sich dagegen nicht von Kupferkabeln. Schließlich werden die mechanischen Eigenschaften durch den Aufbau des Kabels und nicht durch die im Innern verlaufenden Glasfasern oder Kupferadern bestimmt.
Das Licht breitet sich in LWL durch Totalreflexion der Strahlen im Lichtwellenleiterkern aus. Moderne Herstellungsverfahren haben die Übertragungsverluste bis zu den physikalisch vorgegebenen Grenzen reduziert. Das heißt, nur noch die – unvermeidbare – Mikrostruktur des Glases stört die Lichtwelle und bestimmt so die physikalisch mögliche Untergrenze der Dämpfung. Die Dämpfung selbst wird durch verschiedene Umstände hervorgerufen. Dazu zählen Entfernung, Wellenlänge, Absorptions-, Streuungs- und Strahlungsverluste sowie Verbindungselemente und Spleiße.

Dämpfung kann mit der Zeit zunehmen
Für kurze Entfernungen von 40 m bis 200 m eignen sich vor allem Wellenlängen von 650 nm bzw. 850 nm. Bei größeren Distanzen wird in der Regel eine Wellenlänge von 1300 nm verwendet. Singlemode-LWL ermöglichen, wie bereits angesprochenen, Datenraten von bis zu 40 Gbit/s über Entfernungen von maximal 100 km. Für Distanzen bis zu 5 km bieten Multimode-Lichtwellenleiter, mit denen sich Datenraten von bis zu 1 Gbit/s übertragen lassen, eine kostengünstige Alternative. Für kürzere Entfernungen und geringere Datenraten bieten sich POF- (Polymere Optical Fiber) oder HCS-Fasern (Hard Clad Silica) an.
Aktive Netzwerkkomponenten, wie Ethernet-Switche und -Medienkonverter oder Feldbus-Repeater, stellen ein Budget (Differenz aus Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit) zur Verfügung, mit dem die je nach Art der LWL-Strecke erforderliche Dämpfung überbrückt werden kann. Diese nimmt jedoch im Laufe der Zeit, etwa durch lockere Verbindungselemente, Staub und Schmutz, Lichteinfall, mechanische Beanspruchung oder Veränderungen der Netzwerktopologie, oft schleichend zu. Herausfinden ließ sich das bisher nur durch aufwendige Messungen, zum Beispiel mittels optischer Reflektometrie (OTDR). Moderne Netzwerkmanagement- und Scada-Systeme können zwar den Status der aktiven Komponenten anzeigen, jedoch nicht den Zustand der einzelnen LWL-Strecken.

Das Streckenbudget wird ständig überwacht
Das Monitoring-System Fiber View wurde von Eks Engel speziell für diese Aufgabe entwickelt. Es besteht aus einer Hardware/Software-Kombination, die in die aktiven Netzwerkkomponenten integriert wird und pro Port das Budget der jeweiligen Lichtwellenleiterstrecke permanent überwacht (Bild 2). Drei LED oder – bei Switchen – eine zusätzliche Bedienoberfläche, auf die man via Web-Interface zugreifen kann, zeigen wie eine Ampel an, ob das Budget im grünen, gelben oder roten Bereich liegt (Bild 3). Bei Gelb bewegt es sich gerade noch oberhalb der definierten Systemreserve von 3 dB. Da diese Frühwarnstufe zudem über einen potentialfreien Kontakt signalisiert wird, lässt sie sich in Scada-Systemen auch zentral auswerten.
Im Unterschied zu Status-Meldungen, die häufig interpretiert werden müssen, ist das Ampel-Prinzip eindeutig und allgemein verständlich. Zudem ermöglicht die Gelbphase ein vorausschauendes Handeln. Da die Dämpfung noch nicht zu hoch ist und die Lichtwellenleiterstrecke noch funktioniert, kann man agieren statt reagieren zu müssen. Jedoch sollten bei Gelb Wartungs- bzw. Instandsetzungsmaßnahmen eingeleitet werden, um einem Ausfall vorzubeugen. Dadurch lassen sich Stillstandzeiten von Anlagen vermeiden. Auch teure Serviceeinsätze sind so normalerweise nicht mehr erforderlich. So trägt das Monitoring-System dazu bei, die Produktivität zu steigern und gleichzeitig Kosten zu sparen.

Fazit und Ausblick
Mit Fiber View werden die ohnehin schon hoch verfügbaren Ethernet- und Feldbusnetzwerke auf Lichtwellenleiterbasis noch ein Stück ausfallsicherer. Zurzeit arbeitet Eks Engel daran, das Monitoring noch komfortabler zu gestalten. Dazu gehört beispielsweise die Visualisierung von Störungen in Netzwerkmanagement- und Scada-Systemen via SNMP-Schnittstelle oder Informationen in Klartext, wie „Fehler im Segment X der Anlage Y“. Ebenso könnten entsprechende E-Mails oder SMS-Nachrichten abgesetzt werden. Dies lässt sich bei Feldbussen nur eingeschränkt realisieren. Trotzdem denken die LWL-Spezialisten auch hier über neue Wege nach. So könnten beispielsweise spezielle Module zum Einsatz kommen, die eine Abfrage über Web-Interface ermöglichen. Dies hätte den Vorteil, dass die sichere Datenübertragung via Feldbus erhalten bleibt und der Ethernet-Zugang lediglich dazu verwendet wird, um Störungen komfortabel zentral anzuzeigen – aber dazu muss es dank Fiber View ja gar nicht erst kommen.

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Autor: Thorsten Ebach ist Vertriebsleiter der Eks Engel GmbH & Co. KG in Wenden.