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Robuste Steckerverbinder für Lichtwellenleiter eröffnen viele neue Anwendungen in rauer Umgebung, wie beispielsweise im Untertagebau.

Bild: Harting; Thinkstock

Robuste Steckverbinder trotzen Schmutz Lichtwellenleiter in rauen Umgebungen

05.07.2017

Im Untertagebau hält die Digitalisierung Einzug. Für die Datenverbindung bis an jede Maschine kommen aber nur Lichtwellenleiter in Frage. Sicher verpackt in einem Steckverbinder, dem weder Staub noch Wasser oder rustikale Bedienung etwas anhaben kann, ist dies jetzt möglich. Der robuste Steckerverbinder eröffnet viele neue LWL-Anwendungen in rauer Umgebung.

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Öllampe, Schlägel und Eisen, manchmal auch noch ein Kanarienvogel, zählt der Bergmann Gezähe die Utensilien für den Abbau unter Tage auf, die vor 200 Jahren notwendig waren. Heutige Minen und Bergbaubetriebe erinnern mit ihren Maschinen, Förderanlagen und der ausgefeilten Technik hinter Tunnelbau oder Rohstoffgewinnung jedoch wenig an diese Zeit. Und nun hält in Tunnelbohrprojekten und im Bergbau 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 um ein vielfaches höher.

Große Entfernungen und gleichzeitig hohe, notwendige Bandbreiten machen Lichtwellenleiter (LWL) im Untertagebau zum unumgänglichen Leitmedium. Da optische Schnittstellen jedoch bekanntermaßen empfindlich gegenüber Verschmutzungen sind, mussten sich deren Entwickler 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 (High Definition Television) an Maschinen und Anlagen, wie auch bei Notfällen die Ortung von Personal bis in die letzten Winkel einer Grube kein Problem mehr.

Anforderungen im Bergbau

Bohrwagen, Radlader, Walzenlader und Sprengwagen sind nur einige Geräte eines großen Bergbaubetriebes, die Betreiber in Zukunft besser überwachen möchten. 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. Weitere mögliche Aufgaben im Bergbau sind: die Fernsteuerung der Maschinen aus einer Leitstelle; HD-Videoüberwachung der Anlagen und Maschinen; Netzwerkanbindung an das Firmennetz zur Abfrage von Daten, Leistung und Ertrag; die Anbindung der WLAN-Router innerhalb der Anlagen für Telefonie, Ortung von Fahrzeugen, Gegenständen und Personen sowie die Übermittlung von Aufträgen an Arbeitsmaschinen oder Transportfahrzeugen. Aber wie finden all diese Daten den weiten Weg an die Erdoberfläche? Beim Bau des Gotthardt-Tunnels zum Beispiel, waren zum Ende der Bauphase je Seite gute 25 Kilometer, die es zu überbrücken galt. Eine Ethernet-Übertragung über Kupferkabel schließt sich bei diesen Distanzen aus, LWL beziehungsweise deren Schnittstellen sind für den Einsatz in einem derartigen Terrain nicht geeignet. Sie überbrücken zwar lange Distanzen mit großer Bandbreite, sind aber letztendlich zu empfindlich – so der Stand bis jetzt!

Robuste LWL-Steckverbinder

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 im LAN, WAN und in Rechenzentren. Besonders beliebt für diese Bereiche sind sie deshalb, da die trockenen, sauberen und klimatisierten Bedingungen eine zuverlässige Umgebung für die optische Verkabelung zur Verfügung stellen. Für den Einsatz im Außenbereich müssen diese IP20-Steckverbinder mit unterschiedlichen Gehäusen konfiguriert werden, um Schutzgrade bis IP65/IP67 zu erlangen. Nur so lassen sie sich außerhalb klimatisierter Bedingungen verwenden – zumindest solange sie gesteckt sind.

Wird die Schnittstelle geöffnet, ist eine Kontamination unter rauen Bedingungen wie unter Tage unvermeidbar. 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 von Daten.

Für weite Übertragungsstrecken und gleichzeitig hohes Datenaufkommen bleibt im Bergbau nur der Weg über Lichtwellenleiter. Mit einem neuartigen und robusten Steckverbinder, dem Schmutz und Wasser nichts anhaben kann und der einfach zu reinigen ist, ist dies nun möglich.

Schmutz kein Problem

Die Expanded-Beam-Kabelkonfektion von Harting ist die Lösung für den Einsatz von Glasfasern im Untertagebau und innerhalb rauer Industriefelder. Diese Lösung wurde designed, 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 realisierbar. Sogar eine Verlängerung der optischen Verbindung ist einfach durch den Anschluss eines weiteren Kabels möglich, ohne 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. Die Lösung von Harting ist daher in Bereichen anwendbar, die extremen äußeren Bedingungen ausgesetzt sind. Bergbau und Tunnelbohrmaschinen sind nur zwei mögliche Anwendungen.

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 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 bis 0,065 Millimeter. Folglich lässt bereits die kleinste Verschmutzung in genau diesem minimalen Bereich die Dämpfung des optischen Signals sehr schnell wachsen, wodurch letztendlich die Verbindung getrennt wird.

Der Expanded Beam Connector erweitert den Durchmesser des Lichtstrahls mit dem Einsatz einer Linse insgesamt 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 werden, das heißt, die Lichtstrahlen werden wieder parallelisiert. Dieser Vorgang wird in der Optik als Kollimation bezeichnet. Der daraus resultierende Vorteil ist ersichtlich: da nun zwischen den Steckern der übertragene Lichtstrahldurchmesser um das 40-fache erweitert wurde, ist eine Staubverschmutzung mit einer Größe von 0,020 Milllimeter keine Störung mehr. In einer IP20-Lösung hätte eine Staubverschmutzung dieser Größenordnung zu einer Verbindungstrennung geführt.

Für mehr Sicherheit im Bergbau

Der Expanded-Beam-Steckverbinder besitzt die Schutzklasse IP68 und ist einfacher zu reinigen. Zwar wird er standardmäßig mit einer Schutzkappe ausgeliefert, die im ungesteckten Zustand Linsen und Gewinde schützen, aber auch ungeschützt sind Staub und Wasser kein Problem. Einfach die Kontaktfläche abspülen, mit einem Tuch oder an der Kleidung grob abwischen und verbinden – fertig! Eine einfache aber geniale Lösung für Gigabit Ethernet bis in die entlegensten Winkel von Tunneln, Bergwerken oder anderen Großindustrieanlagen.

Bildergalerie

  • Steckverbinder, raue Umgebung, Maschinenbau

    Expanded-Beam-Steckverbinder für Lichtwellenleiter sind speziell für schmutzige Umgebungen gemacht. Ein verdrecktes Steckgesicht lässt sich einfach mit Wasser und einen Tuch reinigen.

    Bild: Harting

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