Klima- und Lüftungstechnik via Lichtwellenleiter vernetzen

In der Gebäudeautomatisierung spielen Lichtwellenleiter (LWL) und eine IP-basierte Datenkommunikation via Ethernet eine immer wichtigere Rolle. Denn auf diese Weise können die Informationen aus der Feldebene letztlich bis in die Cloud weitergeleitet und somit die Prozesse effektiver gesteuert und überwacht werden als bisher. Ein Beispiel dafür, wie sich Anlagen über optische Infrastrukturen von EKS Engel zuverlässig anbinden lassen, ist die Klima- und Lüftungstechnik.

Vor allem, wenn die Anlagen über mehrere Gebäude hinweg vernetzt werden sollen, sind LWL sozusagen erste Wahl. Denn mit ihnen lassen sich – anders als mit Kupferkabeln – Entfernungen von mehreren Kilometern ohne Weiteres überbrücken. Außerdem bieten sie Schutz vor Potentialverschleppung. Das heißt, es treten keine Ausgleichsströme auf, durch die die angeschlossenen Geräte beschädigt werden können.

Die Klima- und Lüftungstechnik ist an DDCs (Direct Digital Control) angebunden, die in sogenannten Informationsschwerpunkten installiert sind. Dort werden die Daten erfasst und anschließend an eine Zentrale weitergeleitet, in der sämtliche Informationen aus der Gebäudeleittechnik zusammenlaufen. Von dieser Zentrale aus werden die DDCs gesteuert. Aktuelle Informationen wie Störmeldungen sind via Touchpanels auch vor Ort verfügbar. Zudem lassen sie sich mittels eines speziellen GSM-Moduls auf Handys etwa von Hausmeistern oder Gebäudetechnikern senden.

Anbindung über Ethernet-Switche

Die Netzwerke werden vorwiegend sternförmig aufgebaut. In dieser Struktur hat jede DDC eine separate Verbindung zur Zentrale, weswegen Bandbreitenprobleme nur eine untergeordnete Rolle spielen. Die DDCs sind wiederum über Ethernet-Switche angebunden, in denen die elektrischen Signale der Klima- und Lüftungsanlagen in optische gewandelt werden und umgekehrt.

Bei hohen Anforderungen an die Ausfallsicherheit kann auch eine Ringtopologie verwendet werden. Dort läuft die Datenkommunikation immer in eine Richtung und bei einer Unterbrechung zusätzlich in die andere. Zusammen mit Redundanzverfahren, die schnelle Umschaltzeiten gewährleisten, bietet die Ringtopologie eine hohe Netzverfügbarkeit, da sie im Gegensatz zur Sternstruktur auch den Ausfall eines Netzteilnehmers (Single Point of Failure) verkraftet bzw. heißt funktionstüchtig bleibt.

Während auf der Feldebene eine anlagenabhängige Verkabelung und Kabelführung erforderlich sind, ist auf der Leit- wie auf der Managementebene eine feste Grundinstallation vorhanden. Auch bei der Verarbeitung der Daten gibt es Unterschiede: Auf den beiden oberen Ebenen geht es um große Pakete mit einer hauptsächlich azyklischen Übertragung. Auf der Feldebene, wo die Klima- und Lüftungstechnik installiert ist, handelt es sich dagegen um kleine Datenpakete mit vorwiegend zyklischer Übertragung. Außerdem sind dort – im Unterschied zu den beiden anderen Ebenen – die Übertragung der Daten ich Echtzeit und eine hohe Verfügbarkeit des Netzes wichtige Kriterien.

Multimodefasern ermöglichen Übertragungsstrecken von bis zu 5 km. Jedoch reduziert sich die Entfernung bei Datenraten von 1 Gbit/s auf rund 550 m und bei 10 Gbit/s auf 80 m, was im Fall der Klima- und Lüftungstechnik allerdings zurzeit noch keine Rolle spielt. Wer auf Nummer sichergehen will, kann indessen von vornherein Singlemodefasern einsetzen, die mit Distanzen von über 100 km und Datenraten von bis zu 40 Gbit/s mehr als genug Reserven bieten.

Robuste Ethernet Medienkonverter mit geringer Latenz

Beide LWL-Typen bestehen aus einem Glaskern und einem Mantel, die fest miteinander verbunden sind, und unterscheiden sich nur durch den Brechungsindex. Das Licht breitet sich durch Totalreflexion der Strahlen im Kern, der mit einem Durchmesser von 9 µm (Singlemode) bzw. 50 oder 62,5 µm (Multimode) bis zu zehnmal kleiner sein kann als der eines menschlichen Haares, aus. Übertragungsverluste sind durch moderne Herstellungsverfahren inzwischen bis zu den physikalisch vorgegebenen Grenzen reduziert worden. Das heißt, nur noch die unvermeidbare Mikrostruktur des hochreinen Glases stört die Lichtwelle und bestimmt so die physikalisch mögliche Untergrenze der Dämpfung.

Da LWL aus elektrisch nicht leitfähigem Material bestehen, werden die Daten stets über einen elektrischen Isolator übertagen. Außerdem ist bei ihnen – anders als bei Kupferkabeln – keine Erdung bzw. zusätzliche Abschirmung erforderlich. Auch hinsichtlich des Preises besteht zwischen Kupferkabeln und LWL kein nennenswerter Unterschied. Allerdings ist 1 kg dieses Mediums so leistungsfähig wie 1000 kg Kupfer. Schließlich spricht auch die Rohstoffbilanz eine deutliche Sprache. Denn Kupfer ist eigentlich zu schade, um es in Form von Kabeln zu verlegen. Single- und Multimodefasern sind dagegen aus Glas, das in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung steht.

Praktische Alternative für die Nachrüstung

Unabhängig vom LWL-Typ sollte darauf geachtet werden, dass genügend Fasern vorhanden sind: Auch wenn aktuell nur zwei oder vier Fasern gebraucht werden, empfiehlt es sich, gleich zwölf oder sogar 24 zu verlegen, um gleich für künftige Anforderungen gewappnet zu sein. Für die Anbindung von Klima- und Lüftungstechnik an vorhandene optische Infrastrukturen, in denen es nur noch wenige oder gar keine freien Fasern gibt, ermöglicht die BiDi-Technik eine Kommunikation in zwei Richtungen über nur eine Faser – normalerweise sind dafür zwei erforderlich. Allerdings müssen die Ethernet-Switche diese Technik unterstützen.

Obwohl die Anschlusstechnik immer einfacher geworden ist, lassen sich Single- und Multimodefasern nicht so leicht im Feld konfektionieren. Deshalb sollten die Stecker von Spezialisten angeschlossen und anschließend die Dämpfungswerte gemessen werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass alles einwandfrei funktioniert. Alternativ können auch vorkonfektionierte LWL verwenden werden, die inklusive Dämpfungsprotokoll erhältlich sind. Das empfiehlt sich aber nur bei gut zugänglichen Kabeltrassen und Distanzen von wenigen 100 m, weil die Kabel sonst bei der Verlegung beschädigt werden können.

Ethernet Switch | Der Datenlenker im Netzwerk

Ethernet-Switche stellen ein Budget (Differenz aus Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit) zur Verfügung, mit dem die für die jeweilige LWL-Strecke erforderliche Dämpfung überbrückt werden kann. Diese nimmt jedoch im Laufe der Zeit oft schleichend zu, etwa durch lockere Verbindungselemente, Staub und Schmutz, mechanische Beanspruchung oder Veränderungen der Netztopologie. Das ließ sich bisher nur durch aufwändige Messungen herausfinden. Denn Netzwerkmanagement- und Scada-Systeme können zwar den Status der Switche anzeigen, jedoch nicht den Zustand der einzelnen LWL-Strecke.

Hoch verfügbare LWL-Strecken

Das Monitoring-System „Fiberview“ wurde speziell für diese Aufgabe entwickelt. Unterstützung erfährt das System von den Ethernet-Switchen der „E-light“-Familie. Diese Switche sind sowohl für die Hutschienenmontage als auch in Reiheneinbaugeräte-Ausführung für die Installation in Zählerschränken gemäß DIN 43880 verfügbar und überwachen permanent pro Port das Budget der jeweiligen LWL-Strecke. Der Status wird über drei LEDs auf der Frontseite und eine Bedienoberfläche, auf die via Web-Interface zugegriffen werden kann, nach dem Ampel-Prinzip angezeigt. Bei Gelb bewegt es sich gerade noch oberhalb der definierten Systemreserve von 3 dB. Da diese Frühwarnstufe zudem über einen potentialfreien Kontakt signalisiert wird, kann sie auch in Scada-Systemen zentral ausgewertet werden.

Wenn Ethernet-Switche nicht über vorkonfektionierte LWL angeschlossen werden, empfiehlt es sich, eine Spleißbox zu verwenden. Denn in ihr lassen sich die Fasern sauber einlegen und fixieren. Außerdem kann mit Patchkabeln rangiert werden, deren Austausch nach einem Defekt – anders als die Reparatur einer lockeren oder herausgegangenen Faser – nur wenige Euro kostet. Mit den Spleißboxen der „Fimp“-Familie steht diese Anschlusstechnik jetzt für den Einsatz in Schalt- wie auch Zählerschränken bereit. Da Spleißkamm, Spleißablage, Kupplungen, Pigtails, Zugentlastung und Kabelverschraubung bereits integriert sind, lassen sich diese Boxen, mit denen bis zu zwölf Single- oder Multimodefasern angeschlossen werden können, schnell installieren.