Zuverlässige Produktionsprozesse und mitunter auch der Schutz von Leib und Leben hängen heute maßgeblich von der Verfügbarkeit der Datenverbindung ab. Deshalb werden Geräte wie Ethernet-Switches, Feldbus-Konverter oder speicherprogrammierbare Steuerungen vor der Auslieferung von den Herstellern in der Regel auf Herz und Nieren geprüft. Trotzdem lassen sich Fehler während des Betriebs nie 100-prozentig ausschließen. Möglich Ursachen sind – abgesehen von falscher Bedienung – vor allem Hardware- und Softwareprobleme oder Spannungsausfall.

Letzteres lässt sich mit einer unter­brech­ungsfreien Spannungsversorgung (USV) zumindest eine Zeit lang kompensieren. Die Qualität der Software versucht man durch umfangreiche Evaluierung beziehungsweise Validierung, automatisierte Testverfahren sowie Struktur-, Funktions- und sogenannten Black-Box-Tests sicherzustellen. Und in puncto Hardware lautet das Zauberwort Redundanz. Das heißt: Geräte sowie Stecker und Leitungen sind zweifach vorhanden. Zugleich wird so 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 allerdings aufwendig und damit teuer. Aus diesem Grund 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“, also den Ausfall eines Netzteilnehmers. Fällt jedoch ein weiterer Teilnehmer aus (Multiple Points of Failure), sind auch Ringe überfordert. Damit es erst gar nicht so weit kommt, lassen sich Netze mit Hilfe von Monitoring-Systemen überwachen. Sie zeigen den Status der aktiven Komponenten und den Zustand der einzelnen Lichtwellenleiterstrecken respektive eine zu hohe Dämpfung an.

Die optische Bypass-Technologie geht noch einen Schritt weiter. Sie setzt direkt bei den Netzteilnehmern an, 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.

Spannungsausfall – kein Problem

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.

Im normalen Betrieb leitet der optische Bypass die Daten an den parallel ge­schalteten Teilnehmer weiter. Im Fehlerfall werden sie nicht wie vorher an den Ausgang, sondern an den zweiten Eingang weitergeleitet.

© eks Engel

Mit dem „x-light“ hat beispielsweise eks Engel die optische Bypass-Tech­nolo­gie für den Einsatz in rauer Indus­trie­umgebung tauglich gemacht – insbesondere in Bezug auf den Temperaturbereich sowie die dort geforderte Schock- und Vibrationsfestigkeit. Das Gerät wird über zwei optische Duplex-Eingänge und -Ausgänge mit dem Netzteilnehmer pa­rallel geschaltet. Fällt dieser aus, schickt dessen Fehlerrelais ein Signal an den elektrischen Eingang des Gerätes und aktiviert so die Bypass-Funktion. Danach werden die Daten nicht an den defekten Teilnehmer, sondern an den nächsten Teilnehmer im Netz weitergeleitet. Mit anderen Worten: Der Teilnehmer wird 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 Hardware- und Softwarefehlern oder Ausfall der Spannungsversorgung beziehungsweise Unterschreiten eines zuvor definierten Werts schützen, sondern auch Teilnehmer gezielt vom Netz nehmen. Dies eröffnet beispielsweise neue Möglichkeiten für Wartung und Service von Maschinen und Anlagen. Dazu wird eine Spannung an den elektrischen Eingang angelegt. So ist der jeweilige Teilnehmer komplett abgeschaltet – kann also nicht mehr unkontrolliert senden und empfangen –, ohne dass dazu die Lichtwellenleiter-Stecker gezogen werden müssen. Denn das führt unter Umständen zu Problemen, beispielsweise wenn Schmutzpartikel in die Verbindung gelangen.

Da der „x-light“ ausschließlich als Bypass konzipiert ist, lässt er sich problemlos nachrüsten. Denn weder Übertragungsprotokolle noch herstellerspezifische Standards spielen eine Rolle. Diese Flexibilität ginge verloren, wenn die Bypass-Funktion in einen Ethernet-Switch oder Feldbus-Konverter integriert würde, was trotz diverser Herausforderungen durchaus möglich ist.

Autor: Thorsten Ebach ist Vertriebsleiter bei eks Engel in Wenden.

So funktioniert die Umschaltung

Die optischen Signale eines Netzteilnehmers werden über die Duplex-Eingänge- und -Ausgänge des Bypasses weitergeleitet. Im normalen Betrieb lenkt ein Spiegel, der – ähnlich wie bei einem angezogenen Relais – gegen die Kraft einer Feder elektromagnetisch aus seiner Ruheposition bewegt wird, die Signale auf die redundante Faser um. Sobald die Spannung des Netzteil­nehmers oder des Bypasses ausfällt beziehungsweise die zuvor eingestellte Schaltschwelle unterschritten wird, fließt kein Strom mehr. Dann wird der Spiegel durch die Feder in die Ruheposition zurückgesetzt und die Kommunikation läuft über die andere Faser der Duplex-Eingänge und -Ausgänge. Sobald die Störung behoben worden ist, werden die Signale wieder über die redundante Faser übertragen.