Hohe Bandbreite, Überbrückung großer Entfernungen und ein Maximum an Sicherheit sind nur einige der Gründe, die für eine Datenübertragung via Lichtwellenleiter sprechen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass dieses Medium heute auch mehr und mehr in der Fabrikautomatisierung eingesetzt wird. Allerdings kann die Dämpfung der Lichtwellenleiterstrecken aufgrund äußerer Einflüsse im Laufe der Zeit zunehmen, was im Worst Case zu einem Ausfall der Verbindung führt. Deshalb hat eks Engel mit "FiberView" ein Frühwarnsystem entwickelt, das sowohl in Ethernet-Switchen und -Medienkonvertern als auch in Feldbus-Repeatern des Unternehmens integriert ist und eine hohe Verfügbarkeit der Datenübertragung gewährleistet.
Lichtwellenleiter 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 liegt zwischen 9 und 1000 Mikrometer (µm) und kann damit bis zu zehnmal kleiner sein als der eines menschlichen Haares. Dennoch ist dieses Medium den wesentlich dickeren und auch teureren Kupferkabeln in vieler Hinsicht überlegen. Denn Datenraten von bis zu 40 Gigabit pro Sekunde sind mit Lichtwellenleitern kein Problem, und Entfernungen von 100 Kilometern und mehr lassen sich ohne weiteres überbrücken. Zudem wird Licht nicht durch elektrische oder magnetische Störungen beeinflusst. Deshalb können Lichtwellenleiter auch in unmittelbarer Nähe von Energieleitungen oder anderen elektromagnetischen Quellen verlegt werden, 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 Lichtwellenleitern - anders als bei Kupferkabeln - keine Erdung bzw. zusätzliche Abschirmung erforderlich. Auch in punkto Torsion sind Lichtwellenleiter deutlich widerstandsfähiger und damit langlebiger. Hinsichtlich des Einsatzes in rauer und nasser Umgebung sowie bei großen Temperaturschwankungen unterscheiden sie sich dagegen nicht von Kupferkabeln. Denn die mechanischen Eigenschaften werden durch den Aufbau des Kabels bestimmt und nicht durch die im Innern verlaufenden Glasfasern oder Kupferadern.
Das Licht breitet sich in Lichtwellenleitern durch Totalreflexion der Strahlen im Lichtwellenleiterkern aus. Übertragungsverluste sind durch moderne Herstellungsverfahren inzwischen bis zu den physikalisch vorgegebenen Grenzen reduziert worden. Das heißt, nur noch die - unvermeidbare - Mikrostruktur des hochreinen Glases stört die Lichtwelle und bestimmt so die physikalisch mögliche Untergrenze der Dämpfung. Die Dämpfung selbst wird durch verschiedene Umstände hervorgerufen. Dazu zählen Entfernung und Wellenlänge, Absorptions-, Streuungs- und Strahlungsverluste sowie Verbindungselemente und Spleiße.
Dämpfung kann mit der Zeit zunehmen
Für kurze Entfernungen von 40 bis 200 Metern eignen sich vor allem Wellenlängen von 650 bzw. 850 Nanometern (nm). Bei größeren Distanzen wird in der Regel eine Wellenlänge von 1300 nm verwendet. Singlemode-Lichtwellenleiter ermöglichen, wie bereits angesprochen, Datenraten von bis zu 40 Gigabit pro Sekunde über Entfernungen von maximal 100 Kilometern. Für Distanzen von bis zu 5 Kilometern bieten Multimode-Lichtwellenleiter, mit denen sich Datenraten von bis zu 1 Gigabit pro Sekunde übertragen lassen, eine kostengünstige Alternative. Für kürzere Entfernungen und geringere Datenraten können POF- (Polymere Optical Fiber) oder HCS-Fasern (Hard Clad Silica) eingesetzt werden.
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 Lichtwellenleiterstrecke erforderliche Dämpfung überbrückt werden kann. Diese nimmt jedoch im Laufe der Zeit oft schleichend zu, etwa durch lockere Verbindungselemente, Staub und Schmutz, Lichteinfall, mechanische Beanspruchung oder Veränderungen der Netzwerktopologie. Das ließ sich bisher nur durch aufwändige Messungen - etwa mittels optischer Reflektometrie (OTDR) - herausfinden. Moderne Netzwerkmanagement- und SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) können zwar den Status der aktiven Komponenten anzeigen, jedoch nicht den Zustand der einzelnen Lichtwellenleiterstrecken.
Budget der Lichtwellenleiterstrecke wir ständig überwacht
Mit "FiberView" gibt es jetzt ein Monitoring-System, das speziell für diese Aufgabe entwickelt wurde. Es besteht aus einer Hardware/Software-Kombination, die in die aktiven Netzwerkkomponenten integriert wird und pro Port das Budget der jeweiligen Lichtwellenleiterstrecke permanent überwacht. Mit drei LEDs oder - bei Switchen - einer zusätzlichen Bedienoberfläche, auf die via Web-Interface zugegriffen werden kann, wird mit einer Ampel angezeigt, ob das Budget im grünen, gelben oder roten Bereich liegt. Bei Gelb bewegt es sich gerade noch oberhalb der definierten Systemreserve von 3dB. Da diese Frühwarnstufe zudem über einen potentialfreien Kontakt signalisiert wird, kann sie in SCADA-Systemen auch zentral ausgewertet werden. Darüber hinaus lassen sich mit Ethernet-Switchen Fehlermeldungen auch via E-Mail kommunizieren.
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 - eben agieren statt reagieren. Denn die Dämpfung ist noch nicht zu hoch, oder anders ausgedrückt: Die Lichtwellenleiterstrecke funktioniert weiterhin. Jedoch sollten jetzt Wartungs- bzw. Instandsetzungsmaßnahmen eingeleitet werden, um einem Ausfall vorzubeugen. Dadurch können Stillstandzeiten von Anlagen vermieden werden. Auch teure Serviceeinsätze in der Nacht oder am Wochenende sind normalerweise nicht mehr erforderlich. Dies gilt ebenso für kurzfristige und damit teure Hotel- oder Flugbuchungen. So trägt das Monitoring-System dazu bei, die Produktivität zu steigern und gleichzeitig Kosten einzusparen.
Fazit und Ausblick
Mit "FiberView" werden die ohnehin schon hochverfügbaren Ethernet- und Feldbusnetzwerke auf Lichtwellenleiterbasis ein Stück ausfallsicherer. Zurzeit wird daran gearbeitet, das Monitoring noch komfortabler zu gestalten Dazu gehört beispielsweise die Visualisierung von Störungen in Netzwerkmanagement- und SCADA-Systemen via SNMP-Schnittstelle (Simple Network Management Protocol) oder Informationen in Klartext, etwa "Fehler im Segment X der Anlage Y". Dies lässt sich bei Feldbussen nur eingeschränkt realisieren. Trotzdem wird auch hier über neue Wege nachgedacht. So könnten beispielsweise spezielle Module eingesetzt werden, 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 "FiberView" ja gar nicht erst kommen.
