Einsatz von Lichtwellenleitern (LWL) in der Industrie

LWL-Durchblick (I)

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Zunehmend dezentralisierte Anlagen stellen immer höhere Anforderungen an die Datenübertragung und die dafür notwendigen Übertragungsmedien. Daher wird sich die Lichtwellenleiter-Technik nicht zuletzt wegen der guten EMV-Eigenschaften auch im harten Industrie-Alltag durchsetzen. Die dreiteilige Beitragsreihe will Neueinsteiger in dieses zukunftsgerichtete Thema einführen.

Dipl.-Ing. (FH) Norbert Brousek, Produktmanager im Bereich dezentrale Peripheriegeräte, und Dipl.-Inf. Joachim Lohmeyer, Produktmanager im Bereich industrielle Kommunikation, beide Siemens-Bereich

Die Datenübertragung mittels Licht ist im Bereich der Telekommunikation schon seit langem Standard. Aber auch im Bereich der industriellen Vernetzung, angefangen vom Anlagenbus bis hinunter zum Zell- und Feldbus, gewinnt sie immer mehr an Bedeutung (Bild 1). Besonders vorteilhaft ist die nahezu überall eine Rolle spielende Unempfindlichkeit gegen EMV-Einstrahlung. Ein weiterer nicht zu unterschätzender Punkt ist das Thema „Potentialtrennung“. Wenn ein Potentialausgleichsleiter erforderlich ist, sind in aller Regel auch sehr hohe Aufwendungen damit verbunden. Bei der LWL-Technik stellt sich die Frage nach einem Potentialausgleichsleiter erst gar nicht, da hier eine automatische Potentialtrennung vorliegt. Bei gebäudeübergreifenden Vernetzungen oder Freianlagen können die in Verbindung mit Kupferleitungen erforderlichen Zusatzmaßnahmen und Beschaltungen gegen Blitzeinschlag bzw. gegen die daraus resultierenden Folgen entfallen. Hinzu kommt, daß mit LWL große Streckenlängen bei hohen Übertragungsgeschwindigkeiten möglich sind.
Die Datenübertragung mittels Licht basiert auf dem physikalischen Prinzip der Totalreflexion. Beim Übergang des Lichts zwischen zwei Medien unterschiedlicher optischer Dichte wird ein Teil des auftreffenden Lichts reflektiert, ein anderer Teil geht in das andere Medium über. Bei der Totalreflexion werden 100% reflektiert und somit in der Faser gehalten. Voraussetzung hierfür ist, daß das Licht im spezifizierten Einstrahlwinkel in die Faser eintritt. Für die erreichbare Streckenlänge spielen die optischen Eigenschaften des Materials selbst (optische Dichte, Güte usw.) sowie die Wellenlänge des eingekoppelten Lichts eine Rolle. Hierbei ist auch die verwendete Faser zu beachten (Bild 2).
Fasertypen und Eigenschaften
Als Grundwerkstoff der Fasern wird hauptsächlich Quarzglas eingesetzt. Neben diesen Glasfasern kommen für kurze Entfernungen in immer größerem Maße lichtleitende Kunststoffe (z.B. Plexiglas) zum Einsatz.
m Stufenindexfasern: Kern und Mantel der Stufenindexfaser bestehen aus Materialien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften, an deren Grenzschicht vom Kern kommende Strahlen reflektiert werden. Der Kern besitzt einen großen Durchmesser, so daß mehrere Lichtstrahlen vom Sender in die Faser eingekoppelt werden. Mit unterschiedlichem Einkoppelwinkel zur Faserachse breiten sich diese Strahlen auf Zick-Zack-Wegen verschieden schnell aus, was zur Verzerrung eines in die Faser eingespeisten Impulses führt. Stufenindexfasern eignen sich daher nur für kurze Entfernungen. Die heute verfügbaren Kunststoff-LWL sind als Stufenindexfaser aufgebaut und verfügen über einen sehr großen Faserkern mit einen Durchmesser von knapp 1 mm. Als Reflexionsschicht wird ein dünner Fasermantel aus fluorhaltigem Kunststoff eingesetzt. Aufgrund der sehr hohen Signalabschwächung ist der Kunststoff-LWL nur für kurze Entfernungen unter 100 m geeignet. Dafür ist er in der Handhabung sehr einfach. Außerdem können als Sender preisgünstige Leuchtdioden verwendet werden. Bei den Glasfasern wurden Stufenindexfasern weitgehend durch die Gradientenfasern verdrängt. Eine Ausnahme bildet die „Polymer Cladded Fiber“ (PCF- oder HCS-Faser) mit einem 200 µm durchmessenden Quarzglas-Kern und einem Kunststoff-Fasermantel. Sie wird an Stelle von Kunststoffasern zur Erhöhung der Entfernung auf mehrere hundert Meter bei gleichen Sende- und Empfangselementen eingesetzt.
m Gradientenfasern: Der Kern der Gradientenfaser (typisch: 62,5 und 50 µm Durchmesser) besteht aus vielen Schichten mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften. Diese sind so gewählt, daß die Geschwindigkeit des Lichts in den äußeren Kernschichten schneller ist als in den inneren Schichten. Die Lichtstrahlen werden im Kern stetig gebrochen, wodurch sie die Faser auf wellenförmigen Bahnen durchlaufen. Die um die Faserachse schwingenden Strahlen haben einen weiteren Weg zurückzulegen als ein auf der Faserachse laufender Strahl. Dies wird jedoch durch die höhere Geschwindigkeit in den äußeren Kernschichten kompensiert. Mehrere in die Faser eingekoppelte Lichtstrahlen erreichen das Faserende daher fast gleichzeitig. Ein eingekoppelter Impuls verläßt das Faserende etwas abgeschwächt, aber in nahezu unveränderter Form. Gradientenfasern werden für mittlere Übertragungsstrecken bis zu mehreren Kilometern eingesetzt.
m Monomodefaser: Der sehr kleine Kern der Monomodefaser (typisch: 9 bzw. 10 µm Durchmesser) läßt nur die Übertragung einer einzelnen, singulären Lichtwelle (Mode) zu. Damit werden Überlagerungseffekte von Lichtwellen ausgeschlossen, was zu einer sehr geringen Signalabschwächung (Dämpfung) führt. Ein eingekoppelter Lichtimpuls verläßt das Faserende in Amplitude und Form nahezu unverändert. Monomodefasern werden vor allem für lange Übertragungsstrecken bis zu mehreren 10 km verwendet.
Parameter einer Faser
Die Dämpfung beschreibt den Leistungsverlust zwischen am Faserbeginn eingekoppeltem und am Faserende ausgekoppeltem Licht. Sie wird in Dezibel (dB) angegeben. Wesentlichen Einfluß auf die Dämpfung hat die Wellenlänge des im Sender erzeugten Lichts. Außerdem hängt sie von der Art der verwendeten Faser ab.
Das Bandbreite-Länge-Produkt (MHz*km) ist ein Maß für die Größe der Verzerrung eines Lichtimpulses in der Faser, die durch Laufzeitunterschiede der einzelnen Lichtstrahlen entsteht. Je höher dieser Wert ist, desto weiter kann ein hochfrequentes Signal übertragen werden. Dieser Parameter spielt eine große Rolle, wenn vorhandene LWL-Strecken für zukünftige Anwendungen mit hohem Bandbreitenbedarf eingesetzt werden sollen.
Nur Lichtstrahlen, die unter bestimmten Einstrahlwinkeln in die Faser eingekoppelt werden, bleiben im Faserkern und werden an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel totalreflektiert. Überschreitet der Einstrahlwinkel einen Maximalwert (Akzeptanzwinkel), treten die Strahlen in den Fasermantel aus. Die Faserhersteller geben an Stelle des Akzeptanzwinkels in ihren technischen Daten die numerische Apertur an. Diese ist proportional zum Sinus des Akzeptanzwinkels. Je größer dieser Wert ist, desto mehr Lichtleistung kann von einem Sender in eine Faser eingekoppelt werden.
LWL-Leitungen und -Kabel
Die LWL-Fasern benötigen für den praktischen Einsatz einen Schutz vor Umwelteinflüssen wie mechanische Belastung oder Feuchtigkeit. Sie werden daher zu Adern, Leitungen und Kabeln verarbeitet. Der Begriff Kabel wird hier für Leitungen verwendet, die im Außenbereich eingesetzt werden können.
Als Ader wird die mit einer Schutzhülle versehene Faser bezeichnet. Bei der Hohlader wird die LWL-Faser in einem Kunststoffröhrchen untergebracht. Das Röhrchen ist formstabil, sehr flexibel und besitzt eine reibungsarme innere Oberfläche. Die Faser liegt mit etwas Überlänge in diesem Röhrchen, so daß die Hohlader bei Zugbelastung oder Kontraktion zunächst keine Dämpfungsänderung aufweist. Hohladern werden häufig mit einer Gel-Füllung versehen, die bei einer Beschädigung der Ader das Eindringen von Wasser verhindern soll. Gefrierendes Wasser könnte durch seine Volumenzunahme Druck auf die LWL-Faser ausüben und so zu einer Dämpfungserhöhung füh-ren. Hohladern werden bei erhöhten klimatischen und mechanischen Anforderungen eingesetzt.
Bei der Bündelader werden viele LWL-Fasern (typisch: 2 bis 12) in einer etwas größeren Schutzhülle untergebracht. Der Hohlraum kann wie bei der Hohl-ader mit einer Gel-Füllung versiegelt werden. Mit der Bündelader lassen sich kompakte LWL-Leitungen mit hoher Faseranzahl herstellen.
Eine Schutzhülle aus Kunststoff wird bei der Vollader direkt auf das Coating der LWL-Faser aufgebracht. Der typische Außendurchmesser einer Glas-LWL-Vollader beträgt 0,9 mm, bei Kunststoff-LWL sind 2,2 mm gängig. Volladern eignen sich für den Einsatz im Innenbereich.
Eine Weiterentwicklung der Vollader ist die Kompaktader. Die Schutzhülle wird hier nicht direkt auf die LWL-Faser, sondern auf eine dünne Gleitschicht aufgebracht. Damit ist die Faser von der Aderhülle besser entkoppelt und kann leichter abgesetzt werden. Kompaktadern werden ebenfalls im Innenbereich eingesetzt.
Adern werden nur in Ausnahmefällen in Anlagen eingesetzt, da sie ungeschützt den mechanischen, thermischen und chemischen Umwelteinflüssen meist nicht standhalten. Sie werden zu Leitungen und Kabeln verarbeitet, deren Konstruk-tion (DIN VDE 0888) auf den jeweiligen Einsatzfall zugeschnitten wird (Bild 3).
Anschlußtechnik
Zum Anschluß der LWL-Leitung an das Endgerät sowie zur Kopplung zweier Leitungen bzw. für die Schrankdurchführung sind unterschiedliche Steckersysteme erhältlich. An dieser Stelle soll ein Überblick über die gängigen Systeme und deren Eigenschaften gegeben werden.
Ein häufig im industriellen Bereich anzutreffender Stecker ist der BFOC- oder auch ST-Stecker, ein von AT&T entwickeltes Steckverbindersystem. Wesentlicher Vorteil ist seine einfache Arretierbarkeit über seinen Bajonettverschluß. Außerdem ist die Faser im Stecker fixiert, so daß sich bei der Kupplung zweier Stecker die Fasern zwar berühren können, diese jedoch nicht verkratzen. BFOC-Stecker stehen für alle Faserarten und Materialien zur Verfügung. In der Regel werden sie mit der Ader (Leitung) vercrimpt, d.h. ein Spezialwerkzeug ist erforderlich.
Der am längsten auf den Markt befindliche und ein immer noch weit verbreiteter Stecker ist der F-SMA-Stecker (mit der Ader vercrimpt). Er kann über eine Befestigungsmutter (Rändelschraube) fest verschraubt werden. Außerdem läßt sich durch Einlage eines Gummidichtringes das optische System abdichten, um Betauung zu vermeiden. Das Schraubgewinde darf nicht überdreht werden. Bei einer Rüttelbelastung kann sich die Schraubverbindung lösen.
Eine aus Japan stammende Steckerva-riante ist der FC/PC-Stecker (Fibre Connector/Physical Contact), der aufgrund seines mechanischen Aufbaus die Reflexionsverluste minimieren kann. Erhältlich ist diese vor allem bei Telekommunikationsanwendungen eingesetzte Variante (mit der Ader vercrimpt) ausschließlich für Glas.
Ein nach dem „Push-Pull“-Prinzip funktionierender Stecker ist der SC-Stecker (Subscriber Connector, lediglich für Glasfaserleitungen), mit nur geringem Platzbedarf. Er kommt daher sehr häufig bei sogenannten Patchfeldern zum Einsatz. Beim Stecken verrastet er mit der Buchse. Durch einfaches Ziehen am Steckerkörper kann diese Verrastung wieder gelöst werden.
Ein insbesondere in der Bürokommunikation eingesetztes Steckverbindersystem ist die von HP entwickelte Snap-in-Technik. Dieses System besticht durch seine einfache Montage, d.h. es ist schnell und ohne Spezialwerkzeug konfektionierbar. Dieser Hauptvorteil kommt besonders in Verbindung mit Kunststoff-LWL zum Tragen. Zudem sind entsprechende Stecker auch für PCF-Fasern erhältlich. In diesem Fall werden Stecker und Ader vercrimpt.
Verbindungstechniken
Neben dem Anschluß der Leitung an das Endgerät ist es erforderlich, diese durch Schaltschrankwände zu führen, Übergänge von einem Stecker zum anderen zu schaffen oder defekte Leitungen zu reparieren. Prinzi-piell stehen folgende LWL-Verbindungstechniken zur Verfügung: thermisches und mechanisches Spleißverfahren sowie Steck-Kupplungen.
Beim thermischen Spleißen werden die beiden Faserenden mit Hilfe eines Lichtbogens verschweißt. Dabei kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung der beiden Faserenden, d.h. die beiden Faserenden verschmelzen miteinander. Diese Art der Verbindung stellt die präziseste und dauerhafteste Methode dar, um zwei LWL-Fasern miteinander zu verbinden. Entsprechende Geräte können die vollautomatische Justierung der Faser, die Herstellung des Spleißes und die anschließende Auswertung der Verbindung übernehmen (Bild 4).
Im Gegensatz zum thermischen Spleißen werden beim mechanischen Spleißen die Fasern nicht stoffschlüssig, sondern nur mechanisch verbunden. Dies geschieht meist mit V-Nut-Mechanismen, in die die Faser eingelegt und festgeklemmt werden. An der Stelle, an der die Fasern aufeinandertreffen, gleicht eine werkseitig eingefüllte Immersionsflüssigkeit den Brechungsunterschied zwischen Glas und Luft aus. Mit mechanischen Spleißen läßt sich nahezu die gleiche optische Qualität der Verbindung erreichen wie mit dem thermischen Verfahren. Auf die Fasern einwirkende Zugkräfte können jedoch zur Bildung eines Spalts führen. Mechanische Spleiße werden daher vor allem für temporäre Verbindungen und Reparaturzwecke eingesetzt.
Die LWL-Steck-Kupplungen (Bild 5) stellen im Gegensatz zu den Spleißen eine lösbare Verbindung dar. Allerdings ist dabei zu beachten, daß die Dämpfung der Übertragungsstrecke erheblich zunimmt. In Verbindung mit Glasfasern ist der hier auftretende Verlust von untergeordneter Bedeutung, da ohnehin hinreichend Reserven für Reparaturen vorgesehen sind. Bei der Verwendung von Kunststoff-LWL kann die erhöhte Dämpfung jedoch nennenswerte Auswirkung auf die erreichbare Gesamtlänge haben.
Meßtechnik
Zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit einer LWL-Übertragungsstrecke wird im einfachsten Fall sichtbares Licht z.B. einer Rotlichtquelle an einem Streckenende eingekoppelt und am anderen Ende überprüft, ob ein Lichtpunkt sichtbar ist. Eine etwas genauere Überprüfung ist durch Messung der Dämpfung möglich. Beim Durchlichtverfahren wird dieser Wert mit Hilfe einer Lichtquelle (Wellenlänge entsprechend des verwendeten Senders) und einem Leistungsmeßgerät bestimmt. Lichtquelle und Leistungsmeßgerät werden durch eine Referenzmessung aufeinander abgeglichen. Hierzu werden sie über eine kurze LWL-Strecke, die dieselben Eigenschaften wie die zu vermessende Strecke besitzt, miteinander verbunden. Danach wird in diese Referenzstrecke die zu vermessende Übertragungsstrecke eingekoppelt und die Dämpfungserhöhung am Leistungsmeßgerät abgelesen (Einfüge-Methode). Die gemessene Dämpfung darf die maximal zulässige Streckendämpfung des optischen Übertragungssystems nicht überschreiten. Diese Messung gibt allerdings keinen Aufschluß über örtliche Dämpfungsänderungen entlang der Übertragungsstrecke.
Bei umfangreichen LWL-Installationen ist oft eine genau Dokumentation der einzelnen LWL-Strecken empfehlenswert. Hierfür werden in ein Strecken-ende kurze Lichtimpulse eingekoppelt und am selben Streckenende die Impulsreflexionen gemessen. Die Höhe der Impulsreflexionen ergibt Höhe und Art der Dämpfung, die Zeitspanne zwischen gesendetem Impuls und empfangener Reflexion die Entfernung zur Dämpfungsstelle. Das entsprechende Meßgerät, der Optical Time Domain Reflectometer (OTDR), wird aufgrund der hohen Kosten vorwiegend von auf die LWL-Verlegung spezialisierten Firmen eingesetzt.
Netzwerkstrukturen mit LWL
Nach dieser Einführung in die Grundlagen der LWL-Technik wird in Ausgabe 8/98 der elektro Automation speziell auf den Einsatz von Lichtwellenleitern in der Industrie eingegangen. Dieser Beitrag wird sich mit häufig verwendeten Netzwerkstrukturen sowie den Umwelteinflüssen, denen diese Netzwerke ausgesetzt sind, befassen.
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