Verkabelungssysteme für Industrial Ethernet

Die Ergebnisse dieser Expertenrunden werden sukzessive in den einschlägigen Richtlinien der Nutzer-Organisationen sowie in internationalen Normen dokumentiert. In Gebäuden und auf Firmengeländen wird heute die generische Kommunikationsverkabelung gemäß ISO/IEC 11801 und ISO/IEC 24702 implementiert. Dabei wird eine hierarchische Struktur durch Verkabelungssubsysteme in Stern-Topologie gebildet. Die Kommunikationssysteme für die Automatisierungstechnik mit ihren spezifischen Anforderungen werden im sogenannten Automation Island umgesetzt und für die übergeordnete Kommunikation mit der generischen Verkabelung verbunden.

Das A und O.ist die richtige Verkabelung. Anders als Bürogebäude mit ihren traditionellen Ethernet-Systemen kennen industrielle Maschinen und Anlagen unterschiedliche Topologien. Phoenix Contact zum Beispiel hält eine Vielzahl industrietauglicher Komponenten bereit, die für eine rationelle und zuverlässige Verkabelung in Automatisierungsnetzwerken sorgen. Bild: Phoenix Contact

Unterschiedliche Topologien

Anders als Bürogebäude mit ihren traditionellen Ethernet-Systemen kennen industrielle Maschinen und Anlagen unterschiedliche Topologien. So ist in ausgedehnten Anlagen die bei Feldbussen übliche lineare Verkabelung von Vorteil.
Bei Maschinen mit kurzen Leitungslängen macht hingegen die sternförmige Verkabelung Sinn. Um eine höhere Verfügbarkeit des Netzwerkes zu erreichen – etwa in Safety-Anwendungen – kommt eine Ringstruktur zum Tragen.

Für die Linien- und Ringstruktur müssen die Geräte mit einem internen Switch ausgestattet sein, um die zwei externen Ports anzuschließen. Dies ist heute bei vielen Geräten der Fall.
Ein von der generischen Verkabelung übernommenes Konzept ist das der Referenz-Implementation mit den Begriffen Channel und Category. Hierbei wird die Strecke zwischen zwei Endgeräten – der Channel – in Abschnitte gegliedert. Diese Einzelabschnitte sind in Länge und übertragungstechnischen Eigenschaften unterschiedlich definiert. Zudem ist die Qualität der eingesetzten Komponenten – wie Kabel und Steckverbinder – in Kategorien (Categories) festgelegt, sodass die gesamten Übertragungseigenschaften des Channels erreicht werden, wenn die Bedingungen der Referenz-Implementationen eingehalten werden. So kann unter Berücksichtigung der Referenz-Implementation beispielsweise mit Cat5-Komponenten ein Class-D-Channel aufgebaut werden.

Elektrische und optische Verbindungen – ein zeitgemäßes Steckverbinder-Konzept erleichtert Geräteherstellern und Anlagenbauern die Integration des Industrial Ethernet. Bild: Phoenix Contact

Besondere industrielle Bedingungen

Für die Industrieautomation hat sich dieses Konzept der Referenz-Implementation als zu starr erwiesen. Daher kann der Channel heute in einigen Systemen aus beliebigen starren oder flexiblen Kabeln aufgebaut werden. Bestimmte Längenrestriktionen innerhalb des Channels gibt es dabei nicht. Anlagen können dann nicht nur einfacher geplant und flexibler errichtet werden – auch Fehler sind dann unwahrscheinlicher.

Die industrielle Kommunikation erfolgt oft unter rauen Einsatzbedingungen. Stets müssen Planer die Umgebungsbedingungen bei der Komponentenauswahl beachten. Eine systematische Beschreibung erfolgt mit dem Mice-Modell nach IEC TR 29106. Dabei werden die Belastungen Mechanik, Fremdstoffe, Klima und EMV sowie die Schärfegrade berücksichtigt.
Feldbus-Organisationen haben oft auch eigene Definitionen – wie etwa die Klassen Inside Enclosure und Outside Enclosure.

Das denkt der Redakteur

Netzwerk-Tuning!
ke-NEXT-Redakteur Florian Blum greift im richtigen Moment zu.
Noch ist 10-Gigabit-Ethernet für den Heimbedarf nur zu Mondpreisen zu haben. Schließlich müssen alle Netzwerkkomponenten für die Geschwindigkeit ausgelegt sein. Und das hat seinen Preis: Eine 10-Gigabit-Netzwerkkarte, beispielsweise die Intel X540T1, kostet etwa 340 Euro, ein passender Switch von beispielsweise Netgear (XS708E) belastet das Konto mit circa 650 Euro. Dennoch: In der IT-Welt ändern sich die Zeiten und vor allem die Preise schnell – vor allem kleinere Unternehmen dürften davon profitieren.

Zur störungsfreien Kommunikation innerhalb einer Automationslösung müssen die eingesetzten Komponenten den besonderen industriellen Bedingungen genügen. Hierzu gehört auch der EMV-Einfluss: Antriebe, benachbarte Leistungsleitungen sowie Prozessteilnehmer mit hoher elektromagnetischer oder elektrostatischer Ausstrahlung können die Kommunikation erheblich stören.

Gute Schirmung

Abhilfe schaffen hier durchgehend geschirmte Komponenten – dies betrifft sowohl die Leitungen und Steckverbinder als auch die Anschlüsse in den Geräten. Geschirmte Komponenten und das Erdungs- und Potenzialausgleichssystem haben erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Netzwerks. Der Schirmanschluss der Kabel wird beidseitig mit dem Erdungssystem verbunden. Potenzial-Differenzen zwischen den Erdungspunkten erzeugen Ausgleichsströme, was wiederum Störungen in der Verkabelung verursacht. Falls kein vermaschtes Potenzialausgleichssystem besteht, sind optische Verbindungen empfehlenswert.

Vorbild Gebäude – an die traditionelle strukturierte Gebäudeverkabelung mit ihren bis zu vier Ebenen schließen sich die Systeme der Industrieautomation an. Bild: Phoenix Contact

In anderen Regionen der Welt hingegen sind ungeschirmte Kabel üblich. Um die Störfelder zu neutralisieren, muss die Qualität der Aderverdrillung in den Leitungen erhöht werden. Denn dann werden die Störspannungen, die von den auftreffenden Feldern erzeugt werden, zu Null summiert. Dies unterstreichen die erhöhten Anforderungen an den Parameter TCL.

Der Vorteil einer guten Schirmung oder Verdrillung drückt sich auch in der damit möglichen hohen Trennklasse nach IEC 14763-2 aus. Diese definiert aufgrund von Störungsbelastungen durch benachbarte Kabel den Abstand und die Trennmaßnahmen zu den Kabeln der Kommunikationstechnik. Einige Nutzer-Organisationen schreiben für ihre Komponenten die Trennklasse D vor. Auf diese Weise können die Kabel ohne Abstand verlegt werden. Besonders vorteilhaft ist dies unter beengten Platzverhältnissen im Schaltschrank und an der Maschine sowie bei Schlauchpaketen von Robotern.

Konformität wird umfassend dokumentiert

Die Zuverlässigkeit des Kommunikationsnetzes hängt in hohem Maße von den Komponenten ab. Die Nutzer-Organisationen haben daher Maßnahmen zur Qualitätssicherung implementiert. Damit soll sichergestellt werden, dass die für ihr System angebotenen Komponenten auch den Anforderungen der jeweiligen Richtlinie entsprechen. Konformitätsprüfungen und Erklärungen sind gängige Methoden, zu denen sich die Hersteller verpflichten. Auf den Webseiten der Nutzer-Organisationen werden die Komponenten oftmals dokumentiert, sodass Anwender sicher sein können, geeignete Komponenten einzusetzen und nicht falschen Versprechungen aufzusitzen.

Zukunftweisende Konzepte – wie etwa Industrie 4.0 – stellen immer wieder neue Anforderungen an automatisierungstechnische Kommunikationsnetzwerke. Wo heute Netzwerke mit 100 MBit/s angemessen sind, kommen schon bald komplexere Geräte hinzu, die eine höhere Datenübertragungsrate erfordern.

Nutzer-Organisationen erweitern ihre Verkabelungsspezifikationen daher so, dass auch Ethernet mit ein GBit/s oder mehr zuverlässig übertragen werden. Im Gegensatz zur hundert MBit/s-Verkabelung mit zwei Paaren oder einem Sternvierer sind dann schließlich vier Aderpaare notwendig.

Linie, Stern oder Ring – mit Steckverbindungen und anderen Verbindungselementen sowie mit starren und flexiblen Kabeln wird der Channel in allen Topologien ermöglicht. Bild: Phoenix Contact

RJ45-Steckverbinder sind der Standard für Ethernet. Sie sind zweipaarig oder vierpaarig auch in industrieller Ausführung zur werkzeuglosen Schnellkonfektionierung am Markt erhältlich – von Cat5 für 100 Mbit/s bis zu Cat6A für 10 GBit/s. Verschiedene Schutzgehäuse, wie die Variante 1 und Variante 14, erweitern den Einsatzbereich auch auf das Feld mit seinen vielfältigen Umweltbelastungen. Beim im Feld ebenfalls populären M12-Steckverbinder steht mit der vierpoligen D-codierten Ausführung eine Lösung für hundert Mbit/s und mit der achtpoligen X-codierten Variante eine Ausführung für bis zu zehn GBit/s bereit.

Lichtwellenleiter

In vielen Fällen bieten sich Lichtwellenleiter an. Der für die Übertragung optische Wellen genutzte Durchmesser des Faserkerns beträgt bei Multimode-Glasfasern 50 Mikrometer, bei Singlemode-Glasfasern neun Mikrometer, bei PCF-Fasern 200 Mikrometer und bei POF-Fasern 980 Mikrometer – was sich auf die Auswahl des Steckverbinders und auf den Installationsaufwand auswirkt.

Im Maschinen- und Anlagenbau mit seinen oft kurzen Leitungslängen ist die beste Wahl häufig die POF-Faser – sie ist preisgünstig, robust und bequem zu installieren. Auf der Geräteseite wandeln Transceiver die elektrischen Signale in optische um. Für die Steckverbinder müssen dann auch Transceiver für alle gewünschten Wellenlängen und Fasern erhältlich sein. Zusammen mit der Eignung des Steckverbinders für alle Fasertypen wird so eine mechanisch identische Ausführung für alle Varianten ermöglicht.

Die Verkabelung bildet das Rückgrat der industriellen Kommunikationssysteme. Mit sorgfältig definierten und aufeinander abgestimmten Komponenten, aber auch mit den notwendigen Planungsvorgaben, können Anwender heute ihre Anlage sicher aufbauen und zuverlässig betreiben. Immer leistungsfähigere Anwendungen – wie sie etwa bei Industrie 4.0 zum Tragen kommen – können so auf dem stabilen Fundament und den ständigen Weiterentwicklungen der Datenübertragungstechnik aufsetzen.

Phoenix Contact zum Beispiel hält hier eine Vielzahl industrietauglicher Komponenten bereit, die für eine rationelle und zuverlässige Verkabelung in Automatisierungsnetzwerken sorgen. bf