Anwenderbericht: Lichtwellenleiter – die Daten-Highways einer vernetzten Industrie

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?

Coperion setzt auf redundante optische Ringnetze, um höchste Anforderungen an die Maschinenverfügbarkeit zu erfüllen. Bei der Auswahl der geeigneten Lichtwellenleiter vertraut der Maschinen- und Anlagenbauer dabei auf das Know-how von Helukabel, einem der international führenden Hersteller von Kabel, Leitungen und Kabelzubehör. Die Coperion GmbH aus Stuttgart ist weltweiter Markt- und Technologieführer von Extrusions- und Compoundiersystemen sowie Schüttgutanlagen, die in der Kunststoff-, Chemie-, Nahrungsmittel- und Aluminiumindustrie eingesetzt werden. Hauptprodukte sind Doppelschneckenextruder zur Kunststoffherstellung. Sie erreichen einen Durchsatz von bis zu 100 Tonnen pro Stunde. Die gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextruder ZSK von Coperion sind die weltweit am häufigsten eingesetzten Extruder für die Produktion von technischen Kunststoffen. In den Extrudern findet die Compoundierung statt. Darunter versteht man die Aufbereitung des Kunststoffs durch Beimischung von Zuschlagstoffen, um bestimmte Eigenschaften gezielt zu optimieren. Neben dem Extruder als Herzstück umfasst die gesamte Anlage – angefangen beim vorgelagerten Reaktor zur Polymerisation der Kunststoffe bis zu den Silos zur sortenreinen Lagerung der Compounds – ein ganzes Areal mit mehrstöckigen Fabrikhallen. Hier ist es keine Seltenheit, wenn Datenkabel Leitungslängen von 1,5 Kilometern 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 Metern 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. Bei LWL spielen auch Potentialunterschiede keine Rolle, was gerade im Anlagenbau von Vorteil ist. Da 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.

Anlagen für die Herstellung, Compoundierung und Verarbeitung von Kunststoff, Quelle: Coperion GmbH

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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 Kupferkabel schnell und einfach mit Steckern für die jeweilige Anwendung angepasst werden können, 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.

Helukabel liefert nach Wunsch LWL „ready to use“ inklusive der Anschlusstechnik aus dem umfangreichen 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.

Arbeitsplatz zum Konfektionieren, Coperion GmbH

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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 LWL-Reihe HELUCOM CONNECTING SYSTEMS® besitzt ein auf dem deutschen Markt herausragend breites Produktportfolio, das zwölf Typen von Aufteilkörpern umfasst. „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.“

[Wissenswert: Redundanter optischer Ring
Ein Doppelring-Netzwerk erhält seine hohe Ausfallsicherheit durch seine physische Architektur als gegenläufiger Doppelring. Neben dem primären Glasfaser-Ring gibt es einen sekundären Glasfaser-Ring, auf dem der Datenverkehr in die entgegengesetzte Richtung zum primären Ring verläuft. Im normalen Betrieb ruht der Datenverkehr auf dem Reservering. Fällt ein Teilnehmer oder sogar ein Abschnitt des LWL aus, läuft der Datenverkehr auch über den Reservering. Vor und hinter dem ausgefallenen Abschnitt werden die Daten zurückgesendet. Aus der Doppelringstruktur entsteht dann ein einfacher Ring, das Netzwerk im Ganzen wird hierdurch aber nicht unterbrochen.]

Detailansicht des vergossenen Aufteilkörpers. Dieser ist ausgestattet mit einer kompatiblen Verschraubung zum Einbau in Spleißboxen von Helukabel. Außerdem ist das System bei neuerlicher Verlegung wiederverwendbar, Quelle: Helukabel

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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.“

Ein typischer Aufbau einer Compoundieranlage zur Herstellung hochgefüllter und verstärkter Compounds. Sie begegnen uns im Alltag als technische Kunststoffe etwa in Zahnbürsten, Kunststoffarmaturen von Automobilen, Dübeln oder auch in Kabelisolierungen. Quelle: Coperion GmbH

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Ein Stationsausfall wird über den redundanten Ring überbrückt. Da in diesem Beispiel keine Switche zwischen Stationen und Netzwerk liegen, die den Ausfall direkt überbrücken, kann der Ring mittels Reservering dies selbst übernehmen. Die Fehlertoleranz liegt ohne zusätzliche Switche jedoch bei 1. Ein weiterer Ausfall kann nicht durch das Netzwerk überbrückt werden. Grafik nach: U. Ring, Handbuch Netzwerktechnologien, München 2001

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Jürgen Berger

Leiter Fachbereich Daten-, Netzwerk- & Bustechnik