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Lichtwellenleiter Eine Diva erobert die Netze

Autor / Redakteur: Jürgen Berger* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Datenkabel sind die heimlichen Stars von Industrie 4.0 und Digitalisierung. Ohne sie geht nichts, denn sie sind das Netz – nicht im übertragenen Sinn, sondern ganz konkret und physisch. Dennoch fristen sie ein ziemlich unspektakuläres Dasein als typisches C-Teil: kostengünstig im Einkauf, doch mit einem relativ hohen zeitlichen Bereitstellungsaufwand. Wird dies der Schlüsselrolle von Lichtwellenleitern auf dem Weg zur Smart Factory gerecht?

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So klar die Signalübertragung per LWL ist, so anspruchsvoll sind die Datenkabel in der Handhabung.
So klar die Signalübertragung per LWL ist, so anspruchsvoll sind die Datenkabel in der Handhabung.
(Bild: © Foto-Ruhrgebiet/Fotolia.com)

Doppelschneckenextruder zur Kunststoffherstellung erreichen einen Durchsatz von bis zu 100 t pro Stunde. Zu den weltweit am häufigsten eingesetzten Extruder für die Produktion von technischen Kunststoffen zählen die gleichsinnig drehenden Maschinen ZSK von Coperion. Das Unternehmen aus Stuttgart stellt Extrusions- und Compoundiersysteme sowie Schüttgutanlagen her, die in der Kunststoff-, Chemie-, Nahrungsmittel- und Aluminiumindustrie eingesetzt werden.

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In den Extrudern findet die Compoundierung statt. Darunter versteht man die Aufbereitung des Kunststoffs durch Beimischung von Zuschlagstoffen, um bestimmte Eigenschaften gezielt zu optimieren. Ausgestattet sind die Fabrikhallen mit dem Extruder als Herzstück der Anlage, über den vorgelagerten Reaktor zur Polymerisation bis hin zu den Silos zur sortenreinen Lagerung der Compounds.

Hier ist es keine Seltenheit, wenn Datenkabel Leitungslängen von 1,5 km und mehr erreichen. Das prädestiniert die Anlagen für den Einsatz von Lichtwellenleitern. Je länger die Strecke ist, die ein Datenkabel zu überbrücken hat, desto eher kann ein Lichtwellenleiter (LWL) seinen Reichweiten-Vorteil ausspielen. Bei der Datenübertragung via Kupfer ist bei einer maximalen Segmentlänge von 100 m Schluss, danach muss wegen der Dämpfung ein Repeater zwischengeschaltet werden.

Allein die räumliche Ausdehnung einer Maschine determiniert somit häufig bereits die Wahl zwischen Kupfer und Glasfaser, besonders dann, wenn weitere Anlagenkomponenten wie Weiterverarbeitungen, Förderung oder Sortierung hinzukommen. Als Grundregel für Datenkabel im Maschinen- und Anlagenbau gilt daher: Dort, wo große Distanzen für die Buskommunikation überbrückt werden müssen, sind LWL das Medium der Wahl für eine schnelle und störresistente Datenübertragung. Dort spielen auch Potentialunterschiede keine Rolle, was gerade im Anlagenbau von Vorteil ist. Weil Coperion mit den Extrudern nur einen Teil der Gesamtanlage liefert, kann es zu Potentialunterschieden mit anderen Teilen der Anlage kommen. Für die Datenkommunikation über LWL stellt dies jedoch kein Hindernis dar.

Glasfaser – Die Diva unter den Datenkabeln

Die Glasfaser besitzt, verglichen mit der elektrischen Übertragung durch Kupfer, das herausragende Merkmal einer weitaus höheren Übertragungsrate bei gleichzeitig sehr hoher Reichweite. Zudem findet keine Signalstreuung auf benachbarte Fasern statt. Die Glasfaser wird als optischer Leiter nicht elektromagnetisch beeinflusst und kann elektromagnetisch verträglich (EMV) gemeinsam mit Leistungskabeln verlegt werden, solange der LWL-Leiter ohne metallische Bewährung ausgeführt ist.

Das hochreine Glas der Fasern ermöglicht eine unübertroffen klare Signalübertragung. Doch so klar die Übertragung ist, so anspruchsvoll ist die „Diva“ unter den Datenkabeln in der Handhabung: In Abhängigkeit vom Biegeradius entstehen schnell hohe Biegeverluste durch das Abstrahlen von Lichtleistung aus dem Kern in den Mantel, der einen geringeren Brechungsindex aufweist. Speziell die Konfektionierung durch wenig geübtes Personal bezahlt man mit einer starken Zunahme der Signaldämpfung der Glasfasern. Beim Verbinden von Fasern mittels Steck- und Spleißverbindungen können erhebliche Einfüge- bzw. Koppelverluste entstehen.

Während sich Kupferkabel schnell und einfach mit Steckern für die jeweilige Anwendung anpassen lassen, gehört zur Konfektionierung von LWL teures Equipment, Know-how und Erfahrung. Allein Anschaffungskosten von mehreren Zehntausend Euro für das Werkzeug zum Spleißen und Messen macht es attraktiv, bereits fertig konfektionierte LWL vom Spezialisten zu beziehen.

Hier kommt Helukabel ins Spiel. Der Hersteller von Kabel, Leitungen und Kabelzubehör liefert nach Wunsch LWL ready to use inklusive der Anschlusstechnik aus dem Programm von Helucom Connecting Systems. Je nach Anwendung werden die Kabel mit einem passenden Aufteilkörper verbunden, der die Fasern aus dem Bündeladerkabel ohne Spleißungen in einzelne Simplexkabel führt, die wiederum mit werkskonfektionierten Steckern abgeschlossen sind. Zuletzt wird der Übergang vom Kabelmantel zum Aufteilkörper mit Polyamid vergossen, was die typische Kabelschwachstelle deutlich robuster macht als ein ansonsten häufig benutzter Schrumpfschlauch. Das mitgelieferte Messprotokoll gibt Auskunft über die Übergangsdämpfung des fertig konfektionierten Kabels.

Kabel-Know-how direkt vom Hersteller

Martin Wurz, Elektrokonstrukteur Large Extruders bei Coperion, schätzt die direkte Zusammenarbeit mit Helukabel: „Wo bekommen wir eine bessere Beratung als von der Fachabteilung des Kabelherstellers selbst? Natürlich müssen wir unsere Anforderungen an den LWL schon gut definieren können. Dann aber kann ich mich darauf verlassen, dass Helukabel die optimale Konfiguration vorschlägt und der Kundenbetreuer sich im Spezialfall direkt bei der eigenen Entwicklungsabteilung erkundigt.“

Auf Spezialfälle ist Helukabel generell gut vorbereitet. Die Helucom-LWL-Reihe umfasst zwölf Typen von Aufteilkörpern. „Ich freue mich selbst immer wieder, wenn unser Sortiment auch für ungewöhnliche Fälle etwas bereit hält“, berichtet Horst Messerer, Produktmanager der Daten-, Netzwerk- & Bustechnik bei Helukabel: „Vor einiger Zeit benötigte Coperion einen LWL, der durch einen Auslass geführt werden musste mit nur 18 Millimetern Durchmesser. Hierfür konnten wir einen besonders schmalen Aufteilkörper anbieten und eine passende Zugentlastung realisieren.“

Unverwüstliche Netztopologie des Doppelrings

Zur Anwendung kommen die LWL bei Coperion vorwiegend als Netzwerkkabel für eine möglichst ausfallsichere Rechner-Kommunikation (Visualisierung) innerhalb der Extruder. Von Anfang an war klar, dass sich die Steuerung sowohl über große Entfernungen erstreckt als auch die Netztopologie eine besonders hohe Maschinenverfügbarkeit sicherstellen muss. Die Maschinenkomponenten der Großextruder kommunizieren deswegen in einem redundant ausgelegten optischen Ring.

Martin Wurz erläutert: „Wir wollen allen Ausfallszenarien eines Großextruders unbedingt vorbeugen. Gerade in einer Prozessindustrie wie der Petrochemie würde der Stillstand eines Extruders immense Ausfallkosten nach sich ziehen. Alles käme zum Erliegen. Deswegen setzen wir beim Netzwerk auf die Robustheit eines optischen Doppelrings.“ Zusätzlich zur architekturbedingten Ausfallsicherheit des Doppelrings sind die Netzteilnehmer über gemanagte Switche mit dem Netzwerk verbunden. Falls also ein Teilnehmer ausfällt, kann dieser direkt mit dem Switch überbrückt werden, sodass in diesem Fall noch überhaupt nicht auf den redundanten Reservering zurückgegriffen werden muss. Hierdurch steigt die Fehlertoleranz und das Doppelring-Netzwerk verkraftet mehr als einen Ausfall. Zudem erhält man damit eine Infrastruktur, in der sich alle Netzwerk-Komponenten im laufenden Betrieb warten und austauschen lassen. Wurz erklärt weiter: „Da die gemanagten Switche bereits die Netzwerksicherheit für den Ausfall einzelner Netzteilnehmer regeln, ist der redundante Ring wirklich als letzter Rettungsanker für den Extremfall gedacht. Oder aber für den Fall, dass der LWL des Rings selber gebrochen ist. Das ist mir aber noch bei keinem unserer Großextruder zu Ohren gekommen.“

Die Großextruder stehen in allen Teilen der Welt, häufig in Schwellenländern mit extrem rauen industriellen Bedingungen. Beispielsweise siedelt sich die Petrochemie oft direkt dort an, wo es entsprechende Vorkommen gibt. Wurz: „Ich habe aber noch von keinem einzigen Alarm gehört, dass der Übertragungspegel eines verbauten LWL sich in einem kritischen Bereich befindet. Das spricht schon sehr für die Robustheit der eingesetzten LWL.“

Übrigens findet am 26. und 27. Juni 2017 das Seminar „Industrie 4.0 aus der 360 Grad Perspektive“ in Köln sowie am 23. und 24. November in Stuttgart statt. Hier geht es zu den Inhalten und zur Anmeldung.

* Jürgen Berger, Leiter Fachbereich Daten-, Netzwerk- & Bustechnik, Helukabel GmbH

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