In der modernen Fabrikautomation bestimmt die Auswahl robuster physischer Medien maßgeblich die Netzwerkverfügbarkeit und die Störfestigkeit. Ingenieure, die Netzwerke mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), verteilten Leitsystemen (DCS) und SCADA-Backbones planen, sind auf physische Medien angewiesen, um kritische Echtzeitdaten zu übertragen. Geführte Medien, insbesondere Glasfaser- und Koaxialkabel, bleiben grundlegende Optionen für Prozessanlagen.

Dieser Leitfaden bewertet die strukturellen, betrieblichen und leistungsbezogenen Unterschiede zwischen Glasfaser- und Koaxialkabeln in industriellen Umgebungen.

Grundlagen geführter Übertragungsmedien

Geführte Übertragungsmedien nutzen massive Leiter oder optische Fasern, um Signale entlang eines festgelegten Weges zu übertragen. In Industrieanlagen verbinden geführte Medien Feldsensoren, dezentrale I/O-Racks und Server in Leitzentralen.

Die beiden wichtigsten physikalischen Medientechnologien unterscheiden sich grundlegend in der Physik der Signalübertragung. Koaxialkabel übertragen Niederspannungsstrom durch Kupfer. Glasfasern hingegen leiten Lichtimpulse durch spezielle Glas- oder Kunststofffasern.

Aufbau von Glasfaserkabeln im Detail

Ein Glasfaserkabel besteht aus konzentrischen Schichten, die für die Lichtausbreitung im Inneren optimiert sind. Im Zentrum befindet sich ein hochreiner Glas- oder Siliziumdioxidkern, der von einer Mantelschicht mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist.

Funktionsprinzipien

Das Licht breitet sich im Faserkern durch kontinuierliche Totalreflexion aus. Sendermodule schalten Halbleiterlaser oder LEDs schnell ein und aus, um Binärdaten (1 und 0) zu codieren. Äußere Polymerbeschichtungen und Schutzmäntel schützen den empfindlichen Kern vor mechanischer Belastung und Feuchtigkeit.

Mechanismen des Signalverlusts

Die optische Dämpfung entsteht hauptsächlich durch Rayleigh-Streuung, Materialabsorption, Modendispersion sowie starke Makro- und Mikrobiegungen.

Struktureller Aufbau von Koaxialkabeln

Koaxialkabel basieren auf einer konzentrischen, mehrschichtigen Metallkonstruktion, die für die Übertragung elektrischer Signale im Niederfrequenz- und Hochfrequenzbereich (HF) ausgelegt ist.

Physischer Aufbau

Ein massiver oder mehrdrähtiger Kupferinnenleiter überträgt das primäre elektrische Signal. Ein dielektrischer Isolator umgibt diesen Innenleiter, um einen gleichmäßigen Abstand zu gewährleisten. Eine leitfähige Metallfolie oder ein Geflecht aus Kupfer umhüllt die dielektrische Schicht, um externe Störungen zu mindern. Abschließend dichtet ein Außenmantel aus PVC oder LSZH den Aufbau ab.

Faktoren der Signalverschlechterung

Bei der Koaxialübertragung treten bei hohen Frequenzen Verluste durch den ohmschen Skin-Effekt, dielektrische Absorption und Signalabstrahlung auf.

Wichtiger Leistungsvergleich: Glasfaseroptik vs. Koaxialverkabelung

Industrielle Anwendungsszenarien und Praxiserfahrung

Die Wahl zwischen Glasfaser- und Koaxialverkabelung hängt maßgeblich von der Umgebungsbelastung, der erforderlichen Bandbreite und der Standorttopologie ab.

Petrochemische Anlage mit hoher Störbelastung (Glasfaserimplementierung)

Eine petrochemische Raffinerie integrierte ein Distributed Control System (DCS) über eine 3 Kilometer lange Anlage hinweg. Hochspannungsschaltanlagen und große Pumpen erzeugten entlang der Kabeltrassen starke elektromagnetische Felder.

Koaxial- und Twisted-Pair-Verkabelungen waren aufgrund starker induktiver Kopplung von kontinuierlichen Paketverlusten betroffen. Durch die Aufrüstung des Netzwerk-Backbones auf Singlemode-Glasfaser wurde das Kommunikationssystem vollständig von elektrischen Störungen isoliert. Die Anlage erreichte in Bereichen mit hoher Störbelastung eine fehlerfreie Übertragung ohne Bitfehler.

Wartung älterer SPS-Infrastrukturen (Koaxialkabel-Szenario)

An vielen älteren Industriestandorten sind weiterhin ControlNet- oder Modbus-Systeme über RG-6-Koaxialkabel in Betrieb. Koaxialkabel bieten in Produktionsbereichen der Schwerindustrie eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit gegen Quetschungen und physische Einwirkungen.

Systemintegratoren ersetzen jedoch bei umfassenden Modernisierungen von Steuerungssystemen zunehmend Koaxialleitungen durch industrielles Ethernet über Glasfaser, um höhere Datenraten zu unterstützen.

Experteneinblicke und zukünftige Branchentrends

Moderne Smart Factories benötigen Echtzeitdeterminismus und Gigabit-Durchsatz, um Edge-Computing-Daten und hochauflösende Bildverarbeitungsströme zu verarbeiten. Koaxialverkabelung bleibt zwar für ältere langsame Busnetzwerke geeignet, kann jedoch die Bandbreitenanforderungen moderner industrieller Ethernet-Protokolle wie PROFINET, EtherCAT und TSN (Time-Sensitive Networking) nicht erfüllen.

Ingenieure sollten für alle neuen Anlagenneubauten Glasfaser-Backbones spezifizieren. Glasfaser sorgt für eine vollständige elektrische Trennung zwischen Steuerschränken und verhindert gefährliche Erdschleifen zwischen weit voneinander entfernten Anlagengebäuden.

Über den Autor

Chen Li ist ein leitender Architekt für industrielle Kommunikation mit 15 Jahren Praxiserfahrung in der Planung von DCS- und SPS-Infrastrukturen für Energieanlagen und Schwerindustriebetriebe. Er ist spezialisiert auf die Robustheit industrieller Netzwerke, die Analyse optischer Linkbudgets und die Diagnose von Feldbussen.