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Aktuelles aus der Kommunikation

Bussystem, Ethernet, Profibus, Modbus, RFID, Internet of things, Industrie 4.0

eks10213Fachartikel

Zuverlässige Produktionsprozesse oder Schutz von Leib und Leben hängen heute maßgeblich von der Verfügbarkeit der Datenverbindung ab. Redundanzverfahren gewährleisten mittlerweile je nach Protokoll, Topologie und Anzahl der aktiven Geräte Umschaltzeiten von wenigen Millisekunden. Wenn jedoch mehrere Fehler gleichzeitig auftreten, ist eine Unterbrechung der Datenkommunikation vorprogrammiert. Mit dem optischen Bypass „x-light“ von EKS Engel wird die Verfügbarkeit von Lichtwellenleitern erhöht.



eks20213Die industriegerechte Technologie ist protokolltransparent, sprich sie unterstützt  sowohl Ethernet als auch alle Feldbusse und zahlreiche Schnittstellen wie RS-485. Der optische Bypass funktioniert mit Geräten anderer Hersteller und lässt sich in Ring- und Linientopologien integrieren.

Besonders aus Kostengründen werden Geräte wie Ethernet-Switches, Feldbuskonverter oder speicherprogrammierbare Steuerungen vor der Auslieferung von vielen Herstellern auf Herz und Nieren geprüft. Fehler während des Betriebs lassen sich jedoch nie hundertprozentig ausschließen. Ursache sind vor allem Hard- und Softwareprobleme oder Spannungsausfall.

Herkömmliche Schutzmaßnahmen wirken nur bedingt

Letzteres lässt sich mit einer unterbrechungsfreien Spannungsversorgung (USV) zumindest eine Zeit lang kompensieren. Die Software rückschützt man mit umfangreicher Evaluierung bzw. Validierung, automatisierten Testverfahren sowie Struktur-, Funktions- und sogenannten Black Box-Tests. Bei der Hardware bedient man sich der Redundanz, indem Geräte sowie Stecker und Leitungen zweifach eingesetzt werden. Zugleich wird so auch das Netz doppelt ausgelegt. Dadurch erreicht man eine Art Hot Standby-Effekt: Fällt ein Gerät oder Netz aus, wird auf das andere umgeschaltet.

Diese Strategie ist jedoch aufwändig und damit teuer. Deshalb wurde die Ringtopologie entwickelt. Hier läuft die Datenkommunikation immer in eine Richtung und bei einer Störung in die andere. So bleibt die Funktion erhalten. Zusammen mit Redundanzverfahren, die schnelle Umschaltzeiten gewährleisten, bildet die Ringtopologie sozusagen die Königsklasse der Ausfallsicherheit. Denn diese Topologie verkraftet im Gegensatz zur Linie einen Single Point of Failure, sprich den Ausfall eines Netzteilnehmers. Fällt jedoch ein weiterer aus (Multiple Points of Failure), sind auch Ringe überfordert. Damit es erst gar nicht so weit kommt, können Netze mittels Monitoring-Systemen überwacht werden. Sie zeigen den Status der aktiven Komponenten und – wie etwa „Fiber View“ – den Zustand der einzelnen Lichtwellenleiterstrecken, sprich: eine zu hohe Dämpfung an.

eks30213Die optische Bypass-Technologie, die bisher vor allem im klassischen IT-Umfeld eingesetzt wird, geht noch einen Schritt weiter. Sie setzt direkt bei den Netzteilnehmern an. Das können alle Geräte sein, die einen optischen Ein- und Ausgang haben. Fällt ein Netzteilnehmer aus, sorgt der Bypass dafür, dass die Datenkommunikation zu den benachbarten Teilnehmern aufrechterhalten wird. Deshalb ist nur die Applikation betroffen, die über den ausgefallenen Teilnehmer gesteuert wird. Das übrige Netz bleibt dagegen selbst bei Multiple Points of Failure physikalisch bestehen und damit funktionstüchtig. Das gilt auch dann, wenn der Bypass, der entweder über den zu schützenden Teilnehmer oder ein separates Netzteil mit Spannung versorgt werden kann, keinen Strom mehr bekommt.

Bypass-Technologie funktioniert auch bei Spannungsausfall

Mit der optischen Bypass-Technologie werden Lichtwellenleiterstrecken physikalisch umgeschaltet, sobald an dem jeweiligen Netzteilnehmer ein Fehler auftritt. Das Prinzip ähnelt einer Eisenbahnweiche, die von einem starken Elektromagneten gehalten wird und sich automatisch umstellt, wenn kein Strom mehr fließt. Deshalb funktioniert die Bypass-Technologie selbst ohne Spannung. Da sich diese Technologie auf der physikalischen Ebene des Netzes abspielt, ist sie zudem protokolltransparent und herstellerneutral.

Die x-light-Technologie eignet sich auch für den Einsatz in rauer Industrieumgebung, etwa in punkto Temperaturbereich sowie Schock- und Vibrationsfestigkeit. Dieses Gerät wird über zwei optische Duplex-Ein- und -Ausgänge mit dem Netzteilnehmer parallel geschaltet. Fällt dieser aus, schickt dessen Fehlerrelais ein Signal an den elektrischen Eingang des x-light und aktiviert so die Bypass-Funktion. Danach werden die Daten nicht an den defekten Teilnehmer sondern an den nächsten im Netz weitergeleitet. Der Teilnehmer wird quasi physikalisch überbrückt. Um ihn später wieder sicher zuschalten zu können, etwa nach dem Booten, ist die Einschaltverzögerung individuell einstellbar.

Mit dem optischen Bypass lassen sich Netze jedoch nicht nur gegen die Auswirkungen von Hard- und Softwarefehlern oder Ausfall der Spannungsversorgung bzw. Unterschreiten eines zuvor definierten Werts schützen sondern auch Teilnehmer gezielt vom Netz nehmen. Dazu wird eine Spannung an den elektrischen Eingang angelegt. So ist der jeweilige Teilnehmer komplett abgeschaltet und kann nicht mehr unkontrolliert senden und empfangen, ohne dass dazu die Lichtwellenleiter-Stecker gezogen werden müssen. Denn das führt unter Umständen zu Problemen, etwa durch Schmutzpartikel, die in die Verbindung hineingelangen.

Gegen elektromagnetische Felder immun

Ansonsten haben Lichtwellenleiter jedoch eine Reihe von Vorteilen, beispielsweise wenn hohe Datenraten erforderlich sind und/oder weite Entfernungen überbrückt werden müssen. Denn 100 km oder 10 Gbit/s sind mit diesem Medium kein Problem. Ferner wird Licht nicht durch elektrische oder magnetische Störungen beeinflusst, weshalb Lichtwellenleiter auch in unmittelbarer Nähe von Energieleitungen oder anderen elektromagnetischen Quellen verlegt werden können. Da sie zudem aus elektrisch nicht leitfähigem Material bestehen, werden die Daten stets über einen elektrischen Isolator übertagen. Damit treten über Lichtwellenleiter keine Potentialausgleichsströme auf, die gerade bei ausgedehnten Anlagen gefürchtet sind. Selbst bei Blitzeinschlägen besteht kein Zerstörungsrisiko für die angeschlossenen Geräte.

Ein optischer Bypass macht sich vor allem dort bezahlt, wo ein Netzausfall finanzielle Einbußen, schädliche Auswirkungen auf die Umwelt oder gar eine Gefährdung von Menschen nach sich ziehen kann. Beispiele dafür sind Verkehrsleitsysteme, Anlagen der Petrochemie und Windparks. Zudem eröffnet die gezielte Stilllegung von Netzteilnehmern neue Möglichkeiten für Wartung und Service von Maschinen und Anlagen oder deren zeitweilige Abschaltung.

Da der x-light ausschließlich als Bypass konzipiert ist, lässt er sich auch problemlos nachrüsten.

Bild oben: Optische Bypass-Technologie, die ähnlich wie eine Eisenbahnweiche funktioniert, hält bei Ausfall eines Netzteilnehmers die Datenkommunikation zu den benachbarten Teilnehmern aufrecht.

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