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Ausfallsicherheit für Glasfasernetze

Bild 1. Der Fiber Protection Switch für den Schutz von Glasfasernetzen

Bild 2. Die Funktionsweise des Fiber Protection Switch

Bild 3. Glasfasernetz mit Ringtopologie: Der Fiber Protection Switch von Microsens schafft zusätzliche Sicherheit auch bei mehreren Ausfällen. Im Fall eines Stromausfalls überbrückt er optisch den aktiven Industrial-Ethernet-Switch und schützt so den gesamten Glasfaserring vor einem Zusammenbruch

Glasfasern zählen zu den zuverlässigsten Übertragungs­medien. Immun gegen elektromagnetische Störungen und Interferenzen, übertragen sie hohe Daten­raten über viele Kilometer. Aufgrund ihres nichtmetallischen Aufbaus verursachen sie keinerlei Probleme beim Poten­tial­aus­gleich. Je nach Leitungsaufbau kommen sie mit kleineren Biegeradien zurecht als Leitungen mit metallenen Leitern. Gegen Kabelbruch oder Ausfall der Elektronik in den Netzwerkknoten waren jedoch auch sie bislang nicht gefeit, begründet durch die Struktur der Verkabelung und der Funktionsweise des Netzwerkprotokolls. Ein optischer Bypass sorgt nun für Abhilfe.

Unternehmen sind es gewohnt, Risiken abzuwägen. Stets gilt es, Kosten und Nutzen sorgfältig gegeneinander abzuwägen. Das Risk Management liefert die Werkzeuge, um wirtschaftlich wie technisch fundierte Entscheidungen zu treffen. So zeigen Überlegungen zum Risk Management beispielsweise, dass der Ausfall eines Netzwerkknotens an sich in vielen Fällen bei Weitem nicht so kritisch ist wie der Ausfall der nachgelagerten Netzbereiche. Mit dem Ausfall des Knotens und den direkt angeschlossenen Geräten oder Maschinen kommt man oft zurecht. Anders sieht es aus, wenn ganze Teilnetze von der Kommunikation abgeschnitten sind: Unternehmensbereiche, Fertigungsstraßen, Abbaugebiete sind plötzlich nicht mehr erreichbar. Im besten Fall können sie im eingeschränkten Notbetrieb weiterarbeiten.
In diesem Zusammenhang stellt man sich die Fragen: Wie lange kann ein Unternehmen auf einzelne Bereiche verzichten? Was kostet ein Ausfall? Was kosten entsprechende ­Service-Level-Agreements? Und wie viel könnte ein Unternehmen sparen, wenn es mit einfachen technischen Lösungen gelänge, einen Servicevertrag von 24/7 (24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche) auf 8/5 zu ändern?
Wäre es nicht eine lohnende Investition, eine einfache, technisch robuste Lösung einzusetzen, die die ausgefallenen Bereiche einfach überbrückt, sodass nur der jeweilige Netzwerkknoten ausfällt, der Rest des Netzes – inklusive aller nachgelagerten Teilnetze – aber weiterhin funktionsfähig bleibt?

Optischer Bypass als Lösung
Die Lösung ist überraschend einfach: Ein optischer Bypass löst das Problem. Bei Stromausfall oder Ausfall eines Netzwerkknotens überbrückt der Bypass die ausgefallene Netzwerkkomponente automatisch und hält so die Kommunikation über den ausgefallenen Knotenpunkt hinweg aufrecht (Bild 2).
Mit dem Fiber Protection Switch (Bild 1) von Microsens steht ein Gerät zur Verfügung, mit dem das optische Netz fehlertolerant wird. ­Diese Lösung bietet dem Anwender eine höhere Gesamtverfügbarkeit des Netzes, da bei Ausfällen einzelner Netzwerkknoten alle anderen Teilnetze und Bereiche weiterhin erreichbar sind. Der Ausfall bleibt auf den jeweiligen Netzknoten begrenzt, alle anderen Geräte im Netzwerk sind davon nicht betroffen, unabhängig davon, in welcher Topologie das Netz aufgebaut ist.

Für Wartungsarbeiten an Maschinen, Anlagen, Netzwerkknoten oder Teilnetzen kann der Bypass manuell ausgelöst werden. Wo bislang Netzwerkknoten heruntergefahren werden mussten, ist nun eine unterbrechungsfreie Instandhaltung und Wartung möglich. Durch den Bypass wird der zu wartende Netzwerkknoten im laufenden Betrieb vom Netz getrennt. Die Zeitersparnis ist hoch und durch die damit verbundenen geringeren Wartungskosten rechnet sich diese Lösung schnell.
Auch der Tausch einer oder mehrerer aktiver Komponenten gleichzeitig ist im laufenden Betrieb des Gesamtnetzes möglich, denn die anderen Knoten und Netzbereiche sind von den Arbeiten nicht betroffen.
Mit einem Alarmrelais können externe Alarmmittel angesteuert werden. Damit wird eine automatische Alarmierung einfacher; gleichzeitig vereinfacht sich der Administrationsaufwand, was sich in niedrigeren Betriebskosten niederschlägt.

Beispiele aus der Praxis
Längst haben sich Bypässe in der Praxis bewährt, besonders in Bereichen, in denen es auf Zuverlässigkeit und höchste Verfügbarkeit ankommt. Typische Einsatzbereiche sind Smart-Grid-Anwendungen, vor allem im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien. Windenergieanlagen werden meist in abgelegenen ländlichen Gebieten errichtet, was bei Wartungsarbeiten und Störungen eine aufwendige Anreise bedeutet. Solarparks sind weitläufig und meist ebenfalls im ländlichen Raum zu finden, oder sie sind in Stadtgebieten in kleine und kleinste Einheiten aufgeteilt. Dennoch müssen sie überwacht und gesteuert werden. Einsatz von Personal treibt die ohnehin schon vergleichsweise hohen Kosten der alternativen Energieerzeugung weiter in die Höhe. Mit Automation können die Kosten an der richtigen Stelle gesenkt werden.
Ein anderes, extremes Szenario ist die Überwachung von Pipeline-Anlagen. Der Einsatz von Überwachungspersonal ist hier wirtschaftlich fast nicht zu rechtfertigen; Ausfälle oder Lecks aber noch viel weniger. Im Zuge der steigenden Energiekosten ist eine automatisierte Überwachung unumgänglich. Sollten allerdings ein oder mehrere Netzknoten entlang einer Pipeline-Strecke ausfallen, kann das für die Betriebskosten wie für die Umwelt große Folgen haben. Der Aufwand, eine fehlertolerante Überwachung mit herkömmlichen Mitteln aufzubauen, ist nicht nur immens – mit jedem zusätzlichen Gerät kommt eine mögliche Fehlerquelle hinzu, was den Aufwand weiter erhöht. Ein automatischer Bypass kann einen ausgefallenen Netzknoten einfach überbrücken, sodass alle anderen Netzbereiche weiterhin erreichbar und funk­tionsfähig sind.

Ähnliches gilt für die industrielle Fertigung, den Bergbau und den Tage­bau. Punktuelle Ausfälle sind zwar ärgerlich, aber dennoch zu verkraften. Während das Problem an der betroffenen Stelle beseitigt wird, müssen alle übrigen Bereiche weiterhin ungestört arbeiten können – vorausgesetzt, sie sind durch den Ausfall eines Punktes nicht von der Kommunikation abgeschnitten.
Noch verheerender würde sich ein Ausfall ganzer Bereiche bei sicherheitsrelevanten Systemen, wie Signalanlagen, Verkehrsinformationssystemen und Tunnelanlagen, auswirken. Hier stehen Planer, Errichter und Betreiber vor dem Dilemma, dass die Überwachung und Steuerung fehlertolerant aufgebaut sein muss, die Kosten für Errichtung und Betrieb sich jedoch in vertretbaren Grenzen halten sollen. Ausfälle müssen in kürzester Zeit erkannt und behoben werden; gleichzeitig müssen die betroffenen Bereiche auf ein absolutes Minimum beschränkt werden. Und das gilt nicht nur für unvorhersehbare Störungen, sondern auch für notwendige Wartungsarbeiten.
Dasselbe gilt sinngemäß für Förderanlagen. Wenn ein Bereich in der Förderkette ausfällt, steht meist die gesamte Anlage. Mit einem Bypass kann der ausgefallene Netzknoten überbrückt werden. Sämtliche nachgelagerten Anlagenteile sind weiterhin im Netz erreichbar. Und durch die automatische Alarmierung kann der ausgefallene Knoten schnell und sicher identifiziert und der Fehler behoben werden.

Einfacher Aufbau und dennoch hohe Zuverlässigkeit
Natürlich darf ein optischer Bypass nicht selbst zu einem Point of Failure werden. Er muss so einfach wie möglich konstruiert sein, um nicht zusätzliche Fehlerquellen zu schaffen. Es ist beispielsweise keine Firmware erforderlich, für die man Updates einspielen muss oder die zu einem Systemabsturz führen könnte. Eine Programmierung oder eine Konfiguration ist ebenfalls nicht vonnöten. Der Verzicht auf komplexe Halbleitertechnik macht den Bypass robust. Er arbeitet als Schalter „normal zu“: Ist der Netzknoten in Betrieb, dann ist der Bypass zwangsweise im Zustand „offen“ und sämtliche Daten fließen über den Netzknoten. Fällt der Netzknoten aus oder bricht die Energieversorgung an dieser Stelle zusammen, fällt der Schalter automatisch „zu“ und überbrückt den ausgefallenen Knoten. Dies geschieht herstellerneutral, protokolltransparent und ohne Konfigurationsaufwand. Und durch sein robustes Design und seine hohe Temperaturfestigkeit ist er auch für härteste Umgebungsbedingungen geeignet.

Ausfallsicherheit in Bus- und Ringtopologie
Ethernet hat sich mittlerweile in vielen Bereichen als dominierendes Protokoll durchgesetzt. Es basierte auf einer Busstruktur, bei der sämtliche Geräte an einem gemeinsamen Leitungsstrang angeordnet waren. Mit der Entwicklung zum Switched-Ethernet entwickelte sich die Verkabelung zu einer Sternstruktur, die einfacher zu handhaben ist. Bus und Stern ist jedoch eines gemeinsam: Wird der Bus unterbrochen, oder fällt der zen­trale Punkt eines Sterns aus, dann sind die nachgelagerten Netzbereiche von der Kommunikation abgeschnitten.
Um dem entgegenzuwirken, hat sich in kritischen Umgebungen eine ringförmige Verkabelungsstruktur durchgesetzt. Wird der Ring an einer Stelle unterbrochen, sind immer noch alle Geräte miteinander verbunden. Die Ringstruktur wiegt den Anwender jedoch in trügerischer Sicherheit. Wenn nämlich mehrere Netzwerkknoten ausfallen, beispielsweise wegen Hardwarefehlern, Softwareproblemen oder durch einen simplen Stromausfall, dann bringt auch die Ringstruktur nicht viel.
Um ein fehlertolerantes System aufzubauen, müsste man alles mindestens doppelt ausführen: die Leitungen, die Leitungswege, die Zuführungen zu den Netzwerkknoten und schließlich jeden Netzwerkknoten selbst. Diese müssten dann noch mit unterbrechungsfreien Stromversorgungen und Pufferbatterien ausgestattet werden. Zu den Anschaffungskosten kämen die noch höheren Wartungskosten und der Aufwand für die Administration der zusätzlichen Geräte.

Das Ergebnis
Mit einem optischen Bypass steht somit eine Lösung zur Verfügung, die höchste Ausfallsicherheit bei möglichst wirtschaftlichem Betrieb von Glasfasernetzen sowohl in Bus- als auch in Ringtopologie (Bild 3) ermöglicht. Durch den bewussten Verzicht auf Software und aufwendige Elektronik ist eine solche Lösung robust und zuverlässig. Besonders beim Einsatz in abgelegenen und schwer zugänglichen Bereichen rechnet sich die Investition in eine Lösung mit automatischem Bypass schnell.

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Autor: Dipl.-Ing. Peter König ist Produkt­manager bei der Microsens GmbH & Co. KG im Hamm.