Einsatzfälle von Lichtwellenleitern (LWL) in der Industrie

LWL-Durchblick (II)

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Mit dem heute erkennbaren Trend der Dezentralisierung von Verarbeitungsleistung ist zu erwarten, daß der Bedarf an schnellen und sicheren Kommunikationsnetzen auch in Zukunft zunimmt. Die LWL-Technik bietet die besten Voraussetzungen, diese wachsenden Anforderungen zu erfüllen. Nach den im ersten Teil unserer „Trilogie“ (eA 6/98, S. 60) behandelten LWL-Grundlagen befaßt sich dieser Beitrag nun mit dem industriellen Einsatz von Lichtwellenleitern für die Datenübertragung.

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

Während der letzten Jahrzehnte wurden die industriellen Anlagen umstrukturiert: In den siebziger Jahren lösten Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) mehr und mehr die Prozeßrechner ab. Mitte der achtziger Jahre waren auf Basis von Ethernet die ersten offenen Kommunikationsnetzwerke verfügbar, um Steuerungen und Leitrechner miteinander zu verbinden. LWL-Strecken konnten zur Überbrückung von Entfernungen bis 2 km Länge in diese Netze integriert werden. Ende der achtziger Jahre kamen die ersten sogenannten Sternkoppler auf den Markt, mit denen sternförmige optische/elektrische Netze aufgebaut werden konnten. Die Dezentralisierung und damit der Vernetzungsgrad nahmen stetig zu. Diesem Trend folgend entstanden zu Beginn der neunziger Jahre die ersten genormten Feldbusse und kurz danach dezentrale Peripheriesysteme.
Netzwerke in der Automatisierungspyramide
In der Aktuator-Sensor-Ebene (Bild 1) werden Prozeßsignale wie Temperatur oder Druck über Sensoren erfaßt sowie Eingriffe in den Prozeß über Stellglieder (Aktuatoren) wie Pumpen, Ventile oder Greifer vorgenommen. Die Aktuatoren und Sensoren werden entweder konventionell an Peripheriebaugruppen oder über einen Aktuator-Sensor-Bus angeschlossen. Das Aktuator-Sensor-Interface ist ein Beispiel für einen derartigen Bus. Es basiert auf einer zweiadrigen Kupferleitung die sowohl die Datenübertragung als auch die Energieversorgung übernimmt.
In der Feldebene werden die digitalen und analogen Informationen der Aktuator-Sensor-Ebene von Speicherprogrammierten Steuerungen oder Industrie-PCs bearbeitet. Außerdem finden sich hier Antriebe und Ventilsteuerungen. Peripheriebaugruppen wie Binäreingänge oder Analogausgänge sind entweder Bestandteil der Steuerung oder werden dezentral über einen Peripheriebus an die Steuerung bzw. an den IPC angeschlossen. Steuerungen, Industrie-PCs, Antriebe und weitere Feldkomponenten sind meist über einen Feldbus (z.B. Profibus) mit einer Zellsteuerung und einer Zell-Visualisierungsstation verbunden. Sie bilden einen in sich abgeschlossenen Teilprozeß einer Anlage. Als Übertragungsmedium werden bei Feldbussen vorwiegend Kupferleitungen eingesetzt. Seit einigen Jahren sind jedoch auch hier optische Übertragungskomponenten verfügbar, deren Anteil ständig zunimmt.
In der Zellenebene werden diese Teilprozesse miteinander verbunden. Zellsteuerungen und Zell-Visualisierungsstationen kommunizieren über ein leistungsfähiges und hochverfügbares Datennetz mit dem Leitsystem der Gesamtanlage. Typische Vertreter von Zellbussen sind Ethernet und im Bereich kleinerer Anlagen Profibus. Neben Kupferleitungen werden hier in größerem Umfang Lichtwellenleiter verwendet.
Das Leitsystem in der Leitebene besteht meist aus Leitrechner oder -steuerung und einem Visualisierungssystem. Aufgaben dieser Ebene sind z.B. Produk-tionsplanung und -steuerung, Lagerhaltung und Prozeßoptimierung. Über das Leitsystem wird die Anlage mit der kommerziellen Datenverarbeitung verbunden. Als Kommunikationsnetz wird hier fast ausschließlich Ethernet mit einem hohen LWL-Anteil eingesetzt.
Die Anforderungen einer Automatisierungsebene an ein Netzwerk sind unterschiedlich (Bild 2). Während in der Leit-ebene große Datenmengen mit relativ langer Reaktionszeit und relativ großem Zeitabstand übertragen werden, nehmen Datenmenge und zulässige Reak-tionszeit zur Aktuator-Sensor-Ebene hin ab, die Häufigkeit der Übertragung dagegen steigt.
Je nach Einsatzgebiet des Bussystems werden weitere Anforderungen an das System selbst, an die Leitungen, die Endgeräte, die Topologie usw. gestellt. Prinzipiell sind diese Anforderungen für LWL- und Kupfer-Netze sehr ähnlich, es zeigen sich aber auch einige Abweichungen. Zunächst muß unterschieden werden, ob das Netz im Innen- oder Außenbereich installiert werden soll.
Umwelteinflüsse im Außenbereich
Klassische Anwendungen für den Außenbereich sind Wide Area Networks (WAN), wie sie z.B. bei Kabelnetzen der deutschen Telekom oder privater Betreiber sowie bei Verkehrsleitsystemen, gebäudeübergreifenden Vernetzungen, Kohletagebau, Kiesgruben und Kläranlagen zum Einsatz kommen. Speziell im Bereich der Gebäudeautomatisierung (Bild 3) spricht man in diesem Zusammenhang auch vom Primärbereich. Gemeinsam für diese Anwendungen sind die großen Ausdehnungen des Netzes. Die notwendigen Längen beginnen bei mehreren hundert Metern und enden bei mehreren Kilometern, weshalb fast ausschließlich Glasfasern (Gradientenfasern und Monomodefasern) verwendet werden. Realisierungen mit PCF-Fasern sind in Einzelfällen möglich, wohingegen Kunststoff-LWL (POF) sich hier nicht eignen.
Als erhöhte Anforderung ist für den Außenbereich insbesondere die Temperatur zu nennen. Kabel können hier unter bestimmten Bedingungen direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sein; umgekehrt treten im Winter entsprechend tiefe Temperaturen auf. Kabel mit einem Temperaturbereich von -25 bis +60°C werden heute standardmäßig angeboten. Zur ihrer Kühlung kann durch geschickte Konstruktion und Anordnung der Kabel oft schon die natürliche Konvektion ausreichen. In Klemmenkästen und Schaltschränken sind u.U. Lüfter einzusetzen. Um die Kabel vor direkter Sonneneinstrahlung zu schützen, sollten diese unterhalb von Maschinen- und Anlagenteilen angebracht werden. Zum Schutz vor tiefen Temperaturen ist zunächst zu prüfen, inwiefern die Eigen-erwärmung der in Schaltschränken und Klemmenkästen installierten Geräte ausreicht, um dem spezifizierten Temperaturbereich zu genügen. Alternativen sind zusätzliche Heizelemente oder klimatisierte Schaltwarten, die zudem für die gewünschte Luftfeuchtigkeit, Betauung, Berührungsschutz u.ä sorgen. Eine weitere Möglichkeit ist die Verlegung spezieller Kabel in der Erde.
Wesentlicher Vorteil von LWL gegen-über Kupfer ist in diesem Zusammenhang auch die absolute Unempfindlichkeit gegenüber Blitzeinschlag. Dies zahlt sich bereits bei der Hardware-Projektierung aus, da auf zusätzliche Blitzschutzmaßnahmen verzichtet werden kann.
Umwelteinflüsse im Innenbereich
Im Innenbereich unterscheidet man zunächst zwischen Sekundär- und Tertiärbereich. Der Sekundärbereich wird auch als Steigleitungsbereich bezeichnet. Er verbindet die einzelnen Etagen eines Bürogebäudes oder einer Fabrikhalle miteinander. Die Leitungen verlaufen vertikal durch ein Gebäude. Hinter dem Begriff Tertiärbereich (auch Etagenbereich) verbirgt sich die Verkabelung innerhalb einer einzelnen Etage bzw. Ebene. Hier verlaufen die Leitungen horizontal durch das Gebäude.
Im Sekundärbereich kommen heute schon fast ausschließlich LWL-Leitungen für die Datenübertragung zum Einsatz. Grund hierfür sind die großen Entfernungen, die zu überbrücken sind. Die Leitungen werden in eigens dafür vorgesehenen Kabelschächten oder Kabeltrassen vertikal durch das Gebäude geführt. Besonderer Bedeutung kommt dabei dem Brandschutz zu. Bei der Auswahl der Leitungen ist darauf zu achten, daß diese dem Bündelbrandtest nach ISO 882.3 genügen, d.h. nicht von alleine den Brand weiterverbreiten. Außerdem müssen nach Verlöschen des Brands die Leitungen ebenfalls sofort erlöschen (s. auch eA 6/98, S. 60).
Im Tertiärbereich wird letztendlich das Endgerät (PC, Videoanlage, Maschine usw.) angeschlossen. Heute überwiegt hier noch die konventionelle Kupfertechnik. Durch zunehmende Miniaturisierung und sinkende Kosten im Bereich der LWL-Technik ist jedoch auch hier eine Trendwende zu erwarten. Anders als im Sekundärbereich wird hier nicht die Bündelbrandprüfung, sondern eine Einzelbrandprüfung gefordert. Während im Sekundärbereich die Ausbreitung der Flammen in vertikaler Richtung unterbunden werden muß, kommt es im Tertiärbereich darauf an, daß der Brand in der Fläche eingedämmt wird. Oft werden hier halogenfreie Leitungen mit geringer Rauchentwicklung vorgesehen.
Harter Industrie-Alltag
Im industriellen Bereich werden die Leitungen, Stecker und Baugruppen direkt in der Anlage bzw. in der Maschine verlegt und installiert. Deshalb sind hier die höchsten Ansprüche bezüglich der chemischen, elektrischen und mechanischen Anforderungen zu erwarten. Zu beachten sind auch die erhöhten mechanischen Beanspruchen, wie sie z.B. durch permanente Vibration an Fördersystemen oder durch extreme Beschleunigungskräfte an Pressen auftreten. Neben der sorgfältigen Auswahl der Komponenten, des Steckersystems und der Leitungen ist ein entsprechendes Augenmerk auf die Ausführung der Installation zu legen. Bei LWL ist es besonders wichtig, daß die vom Hersteller gemachten Angaben für die mechanischen Beanspruchungen der Leitungen eingehalten werden. Andernfalls kann es zu irreversiblen Schäden kommen, und die Leitung muß ausgetauscht werden. In Verbindung mit POF-Leitungen können hier auch schleichende Fehler auftreten, die zunächst „nur“ zu sporadischen Ausfällen führen. Um so schwieriger ist es, solche Fehler zu lokalisieren und zu beseitigen.
Entscheidender Vorteil der LWL-Technik für den Einsatz in industrieller Umgebung ist die absolute Unempfindlichkeit gegenüber EMV-Einstrahlung. Häufig müssen die Leitungen räumlich sehr nahe an Frequenzumrichtern oder großen Antrieben vorbeigeführt werden. In Verbindung mit konventioneller Kupfertechnik sind hier Störbeeinflussungen nie ganz auszuschließen. Anders bei LWL. Ein weiterer Aspekt für den Einsatz von LWL direkt an der Maschine ist das Thema Potentialausgleich. Dies kommt immer dann zum Tragen, wenn innerhalb einer Anlage viele unterschiedliche Stromeinspeisungen verwendet werden oder die Anlage eine größere Ausdehnung hat. So entfallen bei LWL die hohen Material- (großer Kupferquerschnitt) und Montagekosten, die die Verlegung eines Potentialausgleichsleiters mit sich bringt.
Verlegehinweise
Wichtig für die Verlegung und den Umgang mit LWL-Leitungen und -Kabeln ist zunächst die Tatsache, daß die Übertragungseigenschaften von LWL durch mechanische und thermische Einflüsse verändert werden können. Dabei ist stets zwischen kurzzeitigen Einflüssen (die meist nur zu reversiblen Veränderungen führen) und dauerhaften Einflüssen zu unterscheiden.
Beim Verlegen von LWL-Leitungen treten kurzfristig maximale, vorübergehende Zugkräfte auf. Es ist darauf zu achten, daß die vom Hersteller spezifizierten Werte keinesfalls überschritten werden. In aller Regel kommt es hier zu einer kurzzeitigen, reversiblen Erhöhung der Dämpfung der Faser. Damit keine dauerhaften Schäden entstehen oder die Faser gar zerstört wird, ist der Einsatz eines Ziehstrumpfes vorzusehen. Außerdem muß man beim Verlegen darauf achten, daß beim Abtrommeln der Leitung keine Knickung oder Verdrehung auftritt und der zulässige Biegeradius nicht unterschritten wird. Beim Verlegen von LWL-Leitungen z.B. in Steigtrassen kommt es zu einer permanenten Belastung der Leitung auf Zug. Durch geeignete Maßnahmen am Kabelaußenmantel (Kabelschellen, Kabelbinder, Klebeband) ist die Zugentlastung der Leitung sicherzustellen.
Außerdem sind die Leitungen beim Verlegen häufig kurzzeitig auch auf Querdruck belastet, z.B. wenn man versehentlich auf noch nicht verlegte Leitungen und Kabel tritt. Die Belastungen beim Verlegen treten nur kurzzeitig auf und führen im Normalfall nicht zu bleibenden Schäden in der Faser. Vorsicht ist jedoch bei der Zugentlastung geboten. Diese darf keinen zu starken Druck auf die Leitung und damit auf die Faser aufbringen, da andernfalls die optischen Eigenschaften nachhaltig verschlechtert werden. Als Faustregel gilt, daß sich die Zugentlastung (z.B. Kabelschelle) nicht in den Kabelmantel einschneiden, d.h. den Kabelmantel nicht verformen darf.
Wie bei Kupferkabeln muß auch bei Glasfaserkabeln ein minimaler Biege-radius eingehalten werden. Wird dieser bei Glasfasern unterschritten, so bricht die Faser und die Leitung wird unbrauchbar. Bei Kunststoffasern kommt es zur erheblichen Erhöhung der Dämpfung, was sich letztendlich auf die erreichbare Entfernung auswirkt. Sowohl bei Glas als auch bei Kunststoff sind diese Schäden in der Regel irreversibel.
Weitere Informationen eA 509
LWL – Teil 3
Speziell auf Systemlösungen von LWL für Feldbusse wird der dritte Teil der Beitragsreihe – vorgesehen für eA 10/98 – eingehen
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