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Industrial Ethernet ist der Oberbegriff für eine baugleiche Infrastruktur wie in üblichen LAN-Netzwerken (local area network), jedoch wird hier mit modifizierten Protokollen des herkömmlichen Ethernet gearbeitet. Damit wird über die Vernetzung der Bürokommunikation hinaus, auch die Vernetzung industrieller Feldgeräte unter Nutzung baugleicher Hardware ermöglicht. Gleichzeitig wirkt sich die Modifikation der Protokolle positiv auf die Ausfallsicherheit und damit die Prozesssicherheit für den Anlagenbetrieb aus. Etabliert haben sich mehrere unterschiedliche Protokolle wie Profinet, EtherCAT, EthernetIP, Powerlink und Sercos III, die bereits Zykluszeiten von bis zu 100?s erreichen. Damit sind sie echtzeitfähig und eignen sich für Motion-Control-Anwendungen. Dieser Standard etabliert sich zunehmend. Die Belegung ist durch den Standard A und B festgelegt, wobei B die häufigere Variante ist. Sofern es sich nicht um Giganet-Netzwerke handelt, genügt die Belegung der Pins 1, 2, 3 und 6.
Der Profibus (process field bus) wird durch 2 Varianten unterschieden. Es gibt die Variante Profibus DP (dezentrale Peripherie) und Profibus PA (process automation). Im Maschinen und Anlagenbau findet der Profibus DP Anwendung. Dieser Feldbus ist in der IEC 61158 geregelt. Es handelt sich um einen 2-Draht Bus mit 9600bit/s bis 12Mbit/s über Entfernungen von 100m bis 1200m. Dieser Bus wird für eine elektrische Übertragung (per Kupfer) in Linienstruktur aufgebaut. Geschieht die Übertragung per Lichtwelle, so kann die Topologie beliebig variieren und Distanzen bis zu 15km können überwunden werden.
Das DeviceNet-System wird vorwiegend in der Automatisierungstechnik genutzt, um Steuereinheiten miteinander zu verbinden. DeviceNet nutzt als Basistechnologie das Controller Area Network.
Die Dämpfung beschreibt, wie der Name schon sagt, die Verringerung des Signals auf der Leitung. Also den Verlust. Um die Dämpfung gering zu halten, wird versucht die Schlaglänge so lang wie möglich auszuführen. Dem entgegen steht allerdings die Eignung der mechanischen Beanspruchung in der Schleppkette. Siehe Schleppkettenfähigkeit.
Der Can-Bus (Controller Area Network Bus) wird überwiegend in Fahrzeugen eingesetzt und gehört zu den Feldbussystemen. Der Bus wird in Linienstruktur aufgebaut und lässt Stiche in eingeschränktem Maße zu. Der Bus muss jeweils an seinen Enden mit 120 Ohm abgeschlossen werden. Somit treten keine Reflektionen auf und die Signale können sauber übertragen und ausgewertet werden. Es ist auch möglich den Bus in Sterntopolgie auszuführen. Der Can-Bus arbeitet mit einem Differenzpegel. Das macht diesen Bus unempfindlich gegenüber externen Störungen, denn diese wirken sich auf beide Signaladern aus. Somit bleibt die Differenz erhalten und das Signal bleibt als Differenzpegel stabil.
Um eine Leitung mechanisch beanspruchbar zu machen, wird die Leitung verseilt. Dabei gilt: Je kürzer die Verseillänge, desto höher die mechanische Beanspruchbarkeit. Grund dafür ist der Umstand, dass sich durch die Verseilung die Stauchung und Streckung einer jeden Ader ausgleichen. Werden die Adern nicht verseilt, so wird der Aufbau der Leitung durch das Strecken und Stauchen zerstört. Als Mantelmaterial wird für den Schleppketteneinsatz in der Regel das widerstandsfähige PUR (Polyurethan) verwendet.
Der Wellenwiderstand ist oft eine reelle Größe (z.B. 50 oder 100 Ω). Dieser ist unabhängig von der Leitungslänge, aber nicht von der Frequenz. Die Frequenzabhängigkeit hängt vom Dielektrikum ab und ist bei der Signalübertragung zu berücksichtigen. Man spricht hier auch von Dispersion. Der Wellenwiderstand entspricht nicht dem ohmschen Leitungswiderstand, er ist vielmehr wie der Eingangswiderstand einer endlosen homogenen Leitung ohne Signalreflektion zu verstehen.
Die Schirmung ist eine elektrisch leitende Hülle um die Funktionsadern einer Leitung und sie hat 2 Funktionen. Sie vermeidet ein Auskoppeln externer Signale aus der Leitung und gleichzeitig ein Einkoppeln externer Signale in die Leitung. Beide Wirkungsweisen sind gleichermaßen wichtig.
1 Kern (Core): Der Kern eines Lichtleiters ist die innere Seele einer LWL-Leitung. In ihr wird das Licht geleitet und ihre Transmissionseigenschaften sind entscheidend für die Güte der Leitung.
2 Innenmantel (Cladding): Ohne das Cladding ist die Lichtleitung nicht möglich. Erst das Cladding sorgt dafür, dass das Licht im Lichtleiter verbleibt und sich durch Reflektion gerichtet ausbreitet. Es bildet mit einem geringeren Brechungsindex das Gegenmedium zum Kern und ermöglicht die Funktionsweise des TIR (total internal reflection). Das Cladding als Mantel um den Kern sorgt dafür, dass das Licht im Kern bleibt.
3 Pufferbereich (Buffer): Der Buffer bildet den mechanischen Schutz für das Cladding und vor allem den Kern der Leitung. Dem Buffer kommt keine Funktionalität bei der Lichtleitung zu.
4 Außenmantel (jacket): Der Außenmantel ist der Kontakt zur Umwelt. Entsprechend ist er für die mechanische Beanspruchung der Leitung sowie deren Umwelteinflüsse auszulegen. Eine generelle Unterscheidung bilden statische und dynamische sowie Innen- und Außenanwendung.
Das TIR-Prinzip ist das Grundprinzip der Lichtleittechnik. Ohne dieses physikalische Grundprinzip gäbe es die Lichtleittechnik in der heutigen Form nicht. Das TIR-Prinzip sorgt für das Verbleiben des Lichtsignals im Leiter. Ein Beispiel zu TIR mit den Medien Wasser und Luft: Das TIR-Prinzip tritt im Alltag auf, wenn wir Lebewesen oder Gegenstände vom Ufer aus unter der Wasseroberfläche betrachten. Wenn wir dann z.B. einen Stein greifen wollen ist er nicht genau an der Stelle, an der wir ihn sehen. Das ist TIR.
Das ist die Bezeichnung für in das Cladding eingekoppelte Lichtstrahlen. Im Cladding wirken undefinierte Reflektionsverhältnisse, weil das Cladding nicht für die Lichtleitung konzipiert ist. Die Dämpfung ist so hoch, dass die Signale nach kurzer Zeit und somit nach kurzer Distanz im Cladding verebben. Moden koppeln in den Mantel immer dann ein, wenn sie steiler als der Grenzwinkel auf die Grenzschicht (Kernoberfläche) treffen. Nach dem TIR-Prinzip koppeln sie dann aus dem Kern aus und ins Cladding ein.
Der Dynamikbereich beschreibt die Dämpfung, die das System verkraften kann ohne dabei funktionsuntüchtig zu werden. Dabei sollte immer mit ca. 6dB Sicherheit geplant werden.
Beispielangabe: 50/125μm bedeutet 50μm Kerndurchmesser, 125μm Claddingdurchmesser.
Als Moden werden in der Fachsprache die Lichtstrahlen bezeichnet. Nichts weiter. Daraus ergeben sich dann entsprechend die Begriffe „Multimode“ und „Single Mode“. Den physikalischen Effekt, dass Moden immer versuchen miteinander zu laufen nennt man Modenkopplung. Dieser Effekt tritt bei allen Fasermaterialien auf und führt damit zu einer Erhöhung der Bandbreite, begünstigt also das Übertragungsverhalten.
Multimode bedeutet, dass viele Lichtstrahlen gleichzeitig in die Leitung eingekoppelt werden und in ihrer Gesamtheit das Signal darstellen. Eingesetzt werden neben der Gradientenindexfaser auch die 200/230μm HCS-Faser (Kern aus Quarzglas, Cladding aus Kunststoff) mit bis zu 1km Reichweite (wird bei Siemens als PCF-Faser bezeichnet). Ebenso findet die 980/1000μm POF-Faser mit einem Kern aus PMMA und bis 100m Reichweite wegen höherer Dämpfung des PMMA-Kerns Anwendung.
Licht mit einer kürzeren Wellenlänge ist im optischen Medium langsamer als Licht mit einer längeren Wellenlänge. Die eingesetzten LEDs emittieren das Licht in einem Toleranzbereich von 600nm bis 700nm, obgleich deren Nennwert bei 650nm liegt. Das führt dazu, dass einige Moden eher, andere später beim Empfänger ankommen. Dieser Effekt ist für Leitungslängen von mehr als 20km oder bei sehr schlechten Lichtquellen relevant.
Beim Übertragungsverfahren „Single Mode“ wird nicht ein einziger Lichtstrahl in die Faser eingekoppelt wie es der Name sagt, jedoch nur einige wenige. Es können bis zu 20 Lichtstrahlen (Moden) sein. In der Regel wird dieses Verfahren für lange Übertragungsstrecken eingesetzt und nutzt dazu Stufenindexfasern. Typisch ist z.B. die Verwendung von 9/125μm SIFasern oder auch 3/125μm SI-Fasern für Transatlantikkabel.
Bei diesem Fasertyp ist der Übergang vom Kern zum Cladding schleichend. Vom reinen Kern wird zum Cladding hin der Anteil des Claddingmaterial immer größer, bis es sich schließlich um das pure Claddingmateial handelt. Der Brechnungsindex vom Kern zum Cladding ändert sich also schleichend. Durch diesen Leitungsaufbau wird ein wellenförmiger Verlauf des Signals erzielt. Der Einsatz dieser Faser wirkt der Modendispersion entgegen. Siehe Grafik unter Modendispersion. Beispiele für übliche Fasern sind die 50/125μm GI-Faser in der EU und die 62,5/125μm GI-Faser in den USA üblich. Beide erzielen bis zu 3km Reichweite.
Dieser Fasertyp kommt für lange Übertragungswege infrage. Eine Stufenindexfaser hat einen abrupten Materialübergang vom Kern zum Cladding. Der Brechungsindex ändert sich also nicht schleichend, wie bei einer Gradientenindexfaser, sondern er ändert sich abrupt. Der Nachteil dieser Technik besteht in unterschiedlich langen Signallaufzeiten beim Multimodeverfahren. Für lange Strecken wird jedoch auf das Singlemodeverfahren gebaut und dem Effekt der Modendispersion wird damit entgegengewirkt.
Die Modendispersion beschreibt den Effekt der unterschiedlichen Signallaufzeiten auf der Leitung. Diese unterschiedlichen Laufzeiten ergeben sich durch unterschiedich lange Wegstrecken, die das Signal zurücklegt. Denn abhängig von der Einkopplung ergeben sich für einzelne Lichtstrahlen eines Lichtbündels (Moden) unterschiedliche Reflexionswinkel und damit auch Laufwege. Das führt dazu, dass einzelne Lichtstrahlen eines Signals zeitlich eher am Ende der Leitung ankommen, andere später. Somit verbreitert bzw. verlängert die Signalübertragung das Signal selbst. Werden nun 2 Signale kurz nach einander in die Lichtleitung eingekoppelt, kann aufgrund dieses Effektes eine Überlappung der Signale die Folge sein. Ergebnis ist dann ein einziges breites Signal am Ausgang. Somit kann das ursprüngliche Eingangssignal nicht korrekt vom Empfänger interpretiert werden.
Die Bandbreite ist definiert als die Frequenz bei der das Empfängersignal auf 50% des Vergleichswertes bei 0Hz (also DC) abgesunken ist. Im Bereich der Lichtleitung wirkt sich die Modendispersion negativ auf die Bandbreite aus. Die Modendispersion (Impulsverlängerung) ist nahezu linear zur Länge der Leitung. Daher wird vom Bandbreiten-Längenprodukt gesprochen (MHz x km). Es empfiehlt sich somit die Übertragungsrate bzw. Bitrate 3 bis 5 Mal größer auszulegen. Eine Übertragungsrate von 150Mbit würde rechnerisch eine Bandbreite von 50MHz verlangen. Dies führt zu einer Bandbreite von 150 bis 250MHz. Zusätzliche Signalverluste durch Biegeradien und Steckverbinder sind Grund dafür.
Mit einer Wellenlänge von 515nm liegt beim grünen Licht ein Minimum der Dämpfung, eine weiteres Minimum liegt beim roten Licht mit 650nm. Weil grüne LEDs schwer zu beschaffen waren und sich auch nicht schnell takten ließen, wird heute meistens mit rotem Licht bei 650nm gearbeitet. Somit wird das Dämpfungsminimum dieser Wellenlänge als positive Eigenschaft für die gesamte Infrastruktur bei Lichtleitern genutzt.
Bei Biegeradien von Glasfaserleitungen von einigen Zentimetern entstehen Biegeverluste. Im Auslauf der Biegung, in Ausbreitungsrichtung des Lichtes betrachtet, trifft das Licht steiler auf die Kernoberfläche als der Grenzwinkel. Damit koppelt an dieser Stelle der Teil des Lichtes aus dem Kern aus, der am Auslauf der Biegung auf die Oberfläche trifft.
Polymeroptische Fasern werden in der Datenübertragung vor allem auf Kurzstrecken eingesetzt. Der Kern besteht aus Polymethylmethacrylat (PMMA) und ist 1mm dick. Die Verarbeitung ist einfach und schnell, denn Spleißen und Schleifen entfallen. Für Standard-POF liegt die Einsatztemperatur bei ca. 60°C, die nummerische Apertur bei 0,5. Der Einsatz beschränkt sich auf kurze Distanzen, weil die Dämpfung des PMMA-Kerns im Vergleich zum Glaskern sehr hoch ist. Für kurze Distanzen ist dies jedoch ausreichend. Die leichte Verarbeitung macht diesen Fasertyp besonders in der Industrie sehr belieb.
