Netzwerke in XXL

Dipl.-Ing. José Antonio Vibora-Münch

E/A-Baugruppen werden heutzutage dort installiert, wo Signale entstehen beziehungsweise benötigt werden. Eine zentrale Steuerung mit lokalen E/A-Karten hingegen ist nicht mehr die einzige und optimale Lösung. Vielmehr verteilt sich ebenso die Steuerungsfunktionalität zunehmend im Feld, um modulare und autarke Technologiebaugruppen zu erzeugen. Leistungsfähige Antriebslösungen, Roboter sowie Technologiesteuerungen haben in großem Maße Einzug in die Automatisierung gehalten. Durch diesen technologischen Wandel sind die Anforderungen ans Netzwerk bezüglich Datendurchsatz, Ausdehnung, Teilnehmeranzahl und Störfestigkeit deutlich gestiegen. Erst mit intelligenter Planung sowie der Verwendung aktiver Netzwerkinfrastrukturen lassen sich diese Ansprüche erfüllen.

Bedingt durch die Physik der RS 485- Schnittstelle sind konventionelle Profibus-Installationskonzepte auf eine klassische Linienstruktur mit kurzen Stichleitungen beschränkt. Zudem sind die erzielbaren Reichweiten in Abhängigkeit der Datenrate limitiert und es darf maximal 32 Teilnehmer je Potenzialsegment geben. Durch den Einsatz von LWL-Technik hingegen eröffnet sich dem Anwender in allen genannten Punkten ein unbegrenzter Gestaltungsspielraum. Beliebige Verzweigungen und damit ein optimal an die vorhandene Anlagentopologie angepasstes Installationskonzept sind problemlos realisierbar. Netzwerkstrukturen in Stich-, Linien-, Stern- oder komplexen Baumstrukturen sind ebenso möglich, wie der redundante optische Ring. Die erforderlichen, faseroptischen Umsetzer lassen sich aus dem LWL-Installationssystem PSI-MOS von Phoenix Contact modular zusammenstellen. Zu diesem Zweck stehen Geräte mit einem oder zwei LWL-Ports, in Polymer-, HCS/PCF- sowie Glasfaserfasertechnik zur Verfügung, die durch Aufrasten auf die EN-Tragschiene einen modularen optischen Sternverteiler bilden. Die Querverdrahtung für die Versorgungsspannung und Datensignale erfolgt zwischen den Geräten über einen Systembus, der in die Tragschiene eingerastet wird. Dadurch minimiert sich der Installationsaufwand und Verdrahtungsfehler werden vermieden. Darüber hinaus ist es möglich, die PSI-MOS-Geräte sogar im laufenden Betrieb zu stecken und zu ziehen, beispielsweise bei Servicearbeiten oder für Stationserweiterungen.

Mit dem modularen Profibus-Hub, bestehend aus dem LWL-Installationssystem PSI-MOS und dem Kupfer-Repeater PSI-REP, lassen sich für jede Anforderung Installationskonzepte mit individuellen Verzweigungen in LWL- oder Kupfertechnik durch einfaches Stecken aufbauen. In einem Profibus-Hub können bis zu 40 Einzelkanäle konzentriert werden. Jede Einzelstrecke kann individuell in Kupfer- oder LWL-Technik projektiert werden. Auf diese Weise lässt sich das Netzwerk optimal dem Layout der Anlage anpassen. Gleichzeitig werden die Installationskosten für die Netzwerkinfrastruktur minimiert.

Mit dem System PSI-MOS und dem Kupfer-Repeater PSI-REP entstehen neue, galvanisch voneinander getrennte, Teilsegmente. Jedes dieser Teilsegmente wiederum kann die Profibus-Spezifikation mit voller Leitungslänge und weiteren 32 Teilnehmern nutzen. Damit ist der maximale Ausbau der Profibus-Netzwerke auf 127 Teilnehmer möglich.

Eine gut strukturierte Segmentierung in Potenzialgruppen kann ferner eine Leistungssteigerung erzielen. Teilt man ein 200 m langes Profibus-Netzwerk mit einer Datenrate von 1,5 MBit/s durch einen Repeater in zwei je 100 m lange Segmente, lassen sich die Nutzdaten mit achtfacher Geschwindigkeit, also mit 12 MBit/s übertragen.

Durch die LWL-Technik wird die Distanzlimitierung der Kupfertechnik aufgehoben und lediglich durch die Leistungsfähigkeit der optischen Transceiver begrenzt. Im System PSI-MOS stehen Gerätevarianten für die Wellenlängen 660, 850 sowie 1300 nm respektive für Polymer- und HCS/PCF- (Hard/Plastic Cladded Silica Fiber) sowie Glasfasern für Knotenabstände von 70 m bis 45 km zur Verfügung. Je nach geforderter Distanz ermöglicht die leistungsbezogene Auswahl der Geräte auf diese Weise eine Kostenoptimierung der Netzwerktechnik. Bei der Anschlusstechnik wurde auf die einfache Vor-Ort-Montage der LWL-Steckverbinder für Polymer- und HCS/PCF-Fasern geachtet. Das System PSI-MOS verwendet Schnellanschlussstecker im F-SMA oder ST-Standard, die in weniger als zwei Minuten ohne Kleben, Schleifen und Polieren montiert werden können.

Werden funktionale Einheiten bereits in der Planungsphase zu Potenzialgruppen zusammengefasst, lässt sich die Verfügbarkeit der gesamten Profibus-Installation deutlich erhöhen. Ausgleichsströme zerstören nur in außergewöhnlichen Situationen Busteilnehmer. Häufiger und schwieriger aufzudecken sind sporadische Überlagerungen, die aufgrund von Telegrammwiederholungen zu einer deutlichen Leistungsreduktion des Gesamtsystems führen. Ein weiterer Vorteil der konsequenten Potenzialtrennung ist, dass sich Fehler wie Buskurzschlüsse, falsche Terminierung oder der Wechsel von Busteilnehmern nicht auf das gesamte Netzwerk auswirken. Störungen lassen sich im lokal betroffenen Segment eingrenzen, einfacher lokalisieren und schneller beheben. Alle Geräte des PSI-MOS Systems sind mit einer, für raue Industrieumgebungen ausgelegten, Potenzialtrennung von 1,5 kV ausgerüstet. Potenzialausgleichsströme können sich somit gar nicht erst ausbilden – auch nicht bei hohen Störpegeln.

Auf Grund des integrierten Bit-Retimings (Signalauffrischung) ermöglichen die Geräte PSI-MOS eine unbegrenzte Anzahl kaskadierfähiger Netzwerkebenen. Einkoppelnde Störspikes werden durch ein wirkungsvolles Bit-Oversampling mit bis zu 16-facher Abtastung des Datenstroms sicher erkannt und eliminiert. Eine weitere Optimierung schaffen die Repeater-Module dank ihrer aktiven Start-Delimiter-Überwachung. Dadurch werden nur gültige Profibus-Telegramme ins nachfolgende Segment weitergeleitet. Ein störbehaftetes Segment lässt sich schnell über eine Signalisierung auf dem Gerät erkennen. Segmentierte Profibus-Netzwerke sind insgesamt leistungsfähiger, störsicherer sowie wartungsfreundlicher.

Physikalisch betrachtet sind optische Fasern elektrische Isolatoren, so dass sich die LWL-Technik durch alle Vorteile einer potenzialfreien Übertragung auszeichnet. Die völlige Immunität gegen elektromagnetische Einflüsse ist wie geschaffen für Industrieumgebungen mit hoher EMV-Belastung. LWL-Kabel können in unmittelbarer Nähe von Störquellen wie Antrieben oder Schweißrobotern verlegt werden.

Die LWL-Technik bietet sich überdies an, wenn Strecken über dutzende von Kilometern ohne Geschwindigkeitseinbußen überbrückt werden müssen, keine getrennten Kabeltrassen für Daten- und Energieleitungen zur Verfügung stehen oder Teilstrecken durch den Außenbereich führen und daher durch Blitzstrom gefährdet sind.

Die integrierte optische Diagnose der PSI-MOS Geräte gibt – sowohl bei der Erstinbetriebnahme als auch im laufenden Betrieb – permanent detaillierte Informationen über die Signalqualität der LWL-Strecke. Das Diagnoseergebnis wird für jeden Port durch einen vierstufigen Bargrafen visualisiert. Aufwändiges Einmessen mit speziellem Equipment bleibt dem Anwender daher erspart. Sollte die optische Signalqualität nachlassen, wird beim Erreichen der Sicherheitsreserve über einen Schaltkontakt eine Warnung abgesetzt. Diese Vor-Ausfall-Erkennung ermöglicht vorbeugende Wartungsmaßnahmen und verhindert somit die mitunter hohen Kosten eines Anlagenausfalls.

In Anlagen mit explosionsgefährdeten Bereichen liegt die Herausforderung im sicheren Betrieb der verwendeten Netzwerkinfrastruktur. Durch die für eine Übertragung notwendige elektrische Energie sind der Kupfertechnik in solchen Fällen enge Grenzen gesetzt. Im Vergleich dazu ist die benötigte Energie einer faseroptischen Datenübertragung um ein vielfaches geringer.

Die Geräte des PSI-MOS Systems sind mit einer energiebegrenzten, optischen Schnittstelle ausgerüstet. Im Fehlerfall, zum Beispiel ein durchtrenntes LWL-Kabel, wird die maximal zulässige Energie an keinem Punkt der LWL-Strecke überschritten. Damit sind Zündvorgänge sicher ausgeschlossen. Das Installationssystem PSI-MOS ist für die Montage im sicheren Bereich sowie in der Zone 2 zugelassen. Die LWL-Schnittstellen der Geräte sind darüber hinaus als zugehörige Betriebsmittel für die Zone 1 qualifiziert und können mit dort installierten Geräten direkt verbunden werden.

cav 404

LWL-Umsetzer und LWL-Vernetzung

Seminarangebot 2008 von Phoenix Contact