Grundlagen der Glasfasertechnik in industriellen Steuerungssystemen

Die moderne Fabrikautomation ist für die Hochgeschwindigkeitsübertragung industrieller Daten in hohem Maße auf Glasfaserkabel angewiesen. Glasfaserkabel übertragen Lichtimpulse statt elektrischer Signale und eliminieren dadurch die Risiken elektromagnetischer Störungen (EMI) vollständig. Jede optische Faser besteht aus einem hochreinen Glaskern, der von einer schützenden Mantelschicht umgeben ist. Der Unterschied im Brechungsindex zwischen Kern und Mantel ermöglicht die Totalreflexion. Schutzpuffer aus Harz, Zugfäden aus Kevlar und robuste Außenmäntel schützen die empfindlichen Glaskerne in rauen Umgebungen. Daher bevorzugen Automatisierungsingenieure Glasfaser-Backbones für eine zuverlässige, störungsfreie Kommunikation in industriellen Steuerungssystemen.

Wichtige Glasfasertypen und standardmäßige Steckeroptionen

Industrielle Netzwerke nutzen zwei grundlegende Kategorien optischer Fasern, um unterschiedlichen Übertragungsdistanzen und Bandbreitenanforderungen gerecht zu werden:

• Singlemode-Faser (SMF): Verfügt über einen kleinen Kerndurchmesser (8-10 Mikrometer), der für DCS-Netzwerke über große Entfernungen und anlagenweite Backbones optimiert ist.
• Multimode-Faser (MMF): Verwendet einen größeren Kerndurchmesser (50 oder 62,5 Mikrometer) und ist für Kurzstreckenverbindungen zwischen SPS-Schränken ausgelegt.

Die Auswahl geeigneter optischer Stecker gewährleistet zuverlässige Anschlüsse vor Ort an Geräten der Fabrikautomation:

• ST (Straight Tip): Verfügt über einen Bajonettverschluss mit Drehverriegelung, der in älteren Industrieanlagen weit verbreitet ist.
• SC (Subscriber Connector): Verwendet einen Push-Pull-Rastmechanismus für die schnelle Verbindung mit SPS-Netzwerkmodulen.
• LC (Lucent Connector): Bietet ein kompaktes Design, das sich ideal für Switches mit hoher Anschlussdichte und SFP-Transceivermodule eignet.

In meinen 15 Jahren der Überwachung von Installationen vor Ort hat der Wechsel von älteren ST-Steckern zu kompakten LC-Verbindungen die Verdrahtungsdichte in Steuerschränken deutlich verbessert.

Ermittlung der Hauptursachen für optischen Signalverlust

Ingenieure müssen die Signaldämpfung beim Verbinden optischer Fasern minimieren, um die Kommunikationsintegrität zu gewährleisten. Vier wesentliche mechanische Faktoren verursachen Einfügedämpfung bei Verbindungen vor Ort:

• Schlechte Ausrichtung der Kerne: Eine Fehlausrichtung der gegenüberliegenden Glaskerne führt dazu, dass Licht aus dem optischen Pfad austritt.
• Axialer Versatz: Winklige Schnitte durch unpräzises Spalten streuen Lichtstrahlen über die Verbindungsfläche.
• Luftspalte: Der Raum zwischen nicht verbundenen Faserendflächen verursacht unerwünschte Lichtreflexionen und Signaldämpfung.
• Verunreinigungen: Mikroskopisch kleine Staub- oder Ölpartikel absorbieren optische Energie und beeinträchtigen die Übertragungsqualität.

Präzises Faserspalten und eine gründliche Reinigung der Endflächen verhindern eine Signalverschlechterung entlang kritischer Netzwerkverbindungen. Daher müssen Servicetechniker vor dem endgültigen Zusammenstecken jede optische Endfläche mit Faserinspektionsmikroskopen prüfen.

Fusionsspleißen im Vergleich zum mechanischen Spleißen

Ingenieure wählen je nach Leistungsanforderungen und Projektbudget zwischen Fusionsspleißen und mechanischem Spleißen:

• Fusionsspleißen: Verwendet einen Lichtbogen, um die Enden der Glasfasern zu schmelzen und zu einem durchgehenden Faserstrang zu verbinden.
• Mechanisches Spleißen: Verwendet Ausrichtungshülsen und ein Gel mit angepasstem Brechungsindex, um vorbereitete Faserenden mechanisch zu verbinden.

Fusionsspleißen erzielt eine extrem niedrige Dämpfung (typischerweise unter 0,05 dB) und eine überlegene mechanische Festigkeit. Im Gegensatz dazu verursacht mechanisches Spleißen geringere anfängliche Gerätekosten, jedoch eine höhere Dämpfung (~0,3 dB) und höhere Kosten pro Spleiß. Für die langfristige Zuverlässigkeit kritischer Anlageninfrastrukturen bleibt das Fusionsspleißen der Goldstandard der Branche.

Praxisbeispiel: DCS-Verbindung zu einem Umspannwerk über große Entfernung

Ein Hochspannungsumspannwerk benötigte eine 5 Kilometer lange, störungsimmune Kommunikationsverbindung zwischen den Außen-Schaltanlagen und dem zentralen DCS-Raum. Aufgrund der starken elektromagnetischen Störungen durch Leistungstransformatoren litten Kupfer-Ethernetkabel unter erheblichen Paketverlusten.

Ingenieure installierten Singlemode-Glasfaserkabel mit für den Außenbereich geeigneten armierten Mänteln. Servicetechniker führten in Anschlusskästen präzise Fusionsspleiße durch und erreichten eine geringe durchschnittliche Spleißdämpfung von 0,02 dB pro Verbindung. Die optische Verbindung ermöglichte einen fehlertoleranten Datenaustausch in Echtzeit ohne Signalverschlechterung und gewährleistete dadurch zuverlässige Auslösesignale sowie die Überwachung der Stromversorgung.

Über den Autor

Zhao Lei ist Senior-Ingenieur für Automatisierungsinfrastruktur mit über 15 Jahren Erfahrung im Außendienst in den Bereichen industrielle Kommunikationssysteme, DCS-Netzwerkdesign und Automatisierung von Umspannwerken. Er hat groß angelegte Installationen optischer Netzwerke in den Branchen Energie, Metallurgie und Petrochemie geleitet. Zhao Lei ist auf hochverfügbare Architekturen für industrielle Netzwerke, OT-Cybersicherheit und die Integration von Feldbussen spezialisiert.