Anschlusstechnik Optische Steckverbinder für den Einsatz unter extremen Bedingungen

Sollen hohe Datenraten über eine große Entfernungen übertragen werden, kommen Lichtwellenleiter ins Spiel. Sie sind jedoch sensibel und anfällig gegenüber extremen Umgebungsbedingungen. Harting hat eine Lösung entwickelt, die den Einsatz solcher Lichtwellenleiter in extremen Umgebungen ermöglicht – z.B. im Bergbau.

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In Tunnelbohrprojekten und im Bergbau hält die Digitalisierung genauso Einzug wie in der Industrieautomation oder dem Consumerbereich. Aber im Unterschied zu den letzten beiden, sind die Anforderungen unter der Erde und in anderen rauen Umfeldern einiges höher. Große Entfernungen und gleichzeitig hohe, notwendige Bandbreiten machen Lichtwellenleiter (LWL) zum geforderten Leitmedium. Da optische Schnittstellen jedoch bekanntermaßen sehr empfindlich gegenüber Verschmutzungen sind, musste man sich für Minen- und Tunnelbaubetriebe eine Lösung einfallen lassen. Bei Harting heißt die Lösung für hohe Datenraten unter extremen Bedingungen „Expanded Beam Cable Assembly“. Damit sind HD-TV an Maschinen und Anlagen, wie auch die Ortung von Personal für Notfälle bis in die letzten Winkel einer Grube kein Problem. Dahinter verbergern sich LWL, sicher verpackt in einem Steckverbinder, dem weder Staub noch Wasser oder rustikale Bedienung etwas anhaben können.

Radlader und Co. überwachen

Eine Öllampe, Schlägel und Eisen, manchmal auch noch ein Kanarienvogel. Dies sind die Utensilien, die der Bergmann Gezähe nennt, und die für den Abbau untertage vor 200 Jahren notwendig waren. Heutige Minen und Bergbaubetriebe erinnern wenig an diese Zeit, wenn man Maschinen, Förderanlagen und die ausgefeilte Technik hinter Tunnelbau oder Rohstoffgewinnung betrachtet. Auch hier hält die Digitalisierung ihren Einzug und verbessert Wirtschaftlichkeit und Sicherheit durch immer mehr Transparenz in Echtzeit.

Bohrwagen, Radlader, Walzenlader und Sprengwagen sind nur einige Geräte eines großen Bergbaubetriebes, die man in Zukunft besser überwachen möchte. Neben wirtschaftlichen Interessen wie Fördermengenmessung in Echtzeit oder die Menge des eingesetzten Sprengstoffes, gilt es auch die Sicherheit zu erhöhen. Durch moderne Überwachungssysteme können live Maschinen und Personen geortet und im Notfall schneller gefunden und gerettet werden. Aber wie finden all diese Daten ihren weiten Weg an die Erdoberfläche? Nimmt man den Bau des Gotthardt-Tunnels als Beispiel, waren dies zum Ende der Bauphase je Seite gute 25 Kilometer, die es zu überbrücken galt. Eine Ethernetübertragung über Kupferkabel schließt sich damit aus, LWL bzw. deren Schnittstellen sind nicht für den Einsatz in derartigem Terrain geeignet. Sie überbrücken lange Distanzen mit großer Bandbreite, aber sind letztendlich doch zu empfindlich.

Steckverbinder

Eine saubere Sache für optische Steckverbinder

Testroboter am Meeresboden

Tiefsee: Hydraulik-Roboter im Härtetest

Alternativen zu Lichtwellenleitern gesucht

Optische Steckverbinder, die auf keramischen Ferrulen, wie ST, SC, LC und E2000 basieren, verbinden die Glasfasern mit Hilfe eines physikalischen Kontakts der polierten Faserendflächen. Weit verbreitet ist diese Art von Steckverbindern bereits in LAN´s, WAN´s und in Rechenzentren. Besonders beliebt für diese Bereiche sind sie deshalb, da die trockenen, sauberen und klimatisierten Bedingungen eine zuverlässige Umgebung in der optischen Verkabelung zur Verfügung stellen. Jedoch müssen diese IP20-Steckverbinder für den Einsatz im Außenbereich mit unterschiedlichen Gehäusen konfiguriert werden, um Schutzgrade bis IP65/IP67 zu erlangen. Nur so können sie für den Außeneinsatz verwendet werden. Zumindest solange sie gesteckt sind.

Wird die Schnittstelle geöffnet, ist eine Kontamination unter den extrem rauen Bedingungen untertage unvermeidbar. Denn in Bereichen, in denen optische Verbindungen oft auf- und abgebaut oder wo Anlagen und Anlagenteile regelmäßig örtlich verändert werden, ist eine Beschädigung dieser Ferrulen nicht zu verhindern. Dabei spielt es keine Rolle, ob sie mit einem zusätzlichen IP65/67 Gehäuse geschützt werden oder nicht. Kritisch ist eine Öffnung der optischen Verbindung immer. Minimale Mengen Staub, Feuchtigkeit oder andere Verunreinigungen gelangen schnell auf die Ferrulen und verhindern eine erfolgreiche Übertragung.

Lichtwellenleiter mit robustem Schutz

Trotz schwerer äußerer Bedingungen und Schwierigkeiten im Bergbau, steigt die Nachfrage und der Bedarf an Datenkommunikation sowie an einer Anbindung an das Firmennetzwerk. Für weite Übertragungsstrecken und gleichzeitig hohes Datenaufkommen bleibt also doch nur der Weg über Lichtwellenleiter. Allerdings mit einem neuartigen und robusten Steckverbinder, dem Schmutz und Wasser nichts anhaben können und der einfach zu reinigen ist.

Mögliche Aufgaben im Bergbau sind:

• Fernsteuerung der Maschinen aus einer Leitstelle

• HD-Videoüberwachung der Anlagen und Maschinen

• Netzwerkanbindung an das Firmennetz zur Abfrage von Daten, Leistung und Ertrag

• Anbindung der WLAN-Router innerhalb der Anlagen für Telefonie, Ortung von Fahrzeugen, Gegenständen und Personen

• Übermittlung von Aufträgen an Arbeitsmaschinen oder Transportfahrzeuge

Ein wichtiger Grund dafür ist, dass die Mitarbeiter im Bergbau oder Tunnelbau weder die Zeit noch das notwendige Material für eine ordentliche und Standard-Fiber-Optik-Steckverbinder-konforme Reinigung haben. Maschinenstillstand und Förderausfälle kosten Firmen in diesen Bereichen enorme Summen und müssen zwingend vermieden werden.

Mit Expanded-Beam-Kabelkonfektion bietet Harting eine Lösung für den Einsatz von Glasfasern untertage und innerhalb rauer Industriefelder. Diese Lösung wurde entwickelt, um in den härtesten, rauesten und schmutzigsten Situationen jeglicher Anwendung eine zuverlässige optische Verbindung zu gewährleisten. Zudem ist ein regelmäßiges Auf- und Abbauen der Verkabelung in diesen rauen Zonen problemlos realisierbar. Auch eine Verlängerung der optischen Verbindung ist einfach durch den Anschluss eines weiteren Kabels möglich, ohne hierbei auf die Verlege-Richtung achten zu müssen. Durch das hermaphroditische Steckgesicht, ist ein zusätzlicher Adapter ebenfalls nicht von Nöten, womit nur zwei von mehreren Vorteilen dieser Technik aufgezeigt werden. Hartings Lösung ist daher in Bereichen anwendbar, die extremen äußeren Bedingungen ausgesetzt sind. Bergbau und Tunnelbohrmaschinen sind nur zwei davon.

Der direkte Vergleich

Bei ferrulenbasierten Steckverbindern wird die Glasfaser in die Ferrule eines Standard-Fiber-Optik-Steckverbinders eingeklebt. Wichtig für die Faserendfläche ist, dass diese geschliffen und poliert sein muss. So können dann die zu verbindenden Stecker die Faserendflächen in Kontakt bringen, womit Licht von einer Faser in die andere eingekoppelt wird. Die lichtführenden Bereiche der Fasern haben je nach Fasertyp einen Durchmesser von 0,009 mm bis 0,065 mm. Folglich lässt bereits die kleinste Verschmutzung in genau diesem minimalen Bereich die Dämpfung des optischen Signals sehr schnell wachsen, wodurch die Verbindung getrennt wird.

Wie schon der Name sagt, erweitert Hartingss Expanded Beam Connector den Durchmesser des Lichtstrahls mit dem Einsatz einer Linse um den Faktor 40. Der erweiterte Lichtstrahl kann nun in den gegenüberliegenden Stecker eingekoppelt und mit der Linse des zweiten Steckers wieder zurück auf den Faserdurchmesser kollimiert (in gerader Linie geführt) werden. Dieser Vorgang wird in der Optik als Kollimation bezeichnet und ermöglicht so, dass die Lichtstrahlen wieder von der Faser aufgenommen werden können. Der daraus resultierende Vorteil: da nun zwischen den Steckern der übertragene Lichtstrahldurchmesser um das 40-fache erweitert wurde, ist eine Staubverschmutzung mit einer Größe von 0,020 mm keine Störung mehr. In einer IP20-Lösung hätte eine Staubverschmutzung dieser Größenordnung zu einer Verbindungstrennung geführt. Der Expanded-Beam-Steckverbinder besitzt die Schutzklasse IP68 und ist zudem deutlich einfacher zu reinigen. Zwar wird er standardmäßig mit einer Schutzkappe ausgeliefert, die im ungesteckten Zustand die Linsen und Gewinde schützen soll, aber auch ungeschützt sind Staub und Wasser kein Problem: die Kontaktfläche abspülen, mit einem Tuch oder an der Kleidung abwischen und verbinden.

Steckverbinder

Optische Verbindungstechnik für die smarte Fabrik

* Frans Oudshoorn ist Global Product Manager Fiber Optic Cable Assemblies bei HARTING Customised Solutions. Jonas Diekmann ist Fachredakteur bei HARTING Electronics.

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