SmartFactoryKL

Ralf Moebus besichtigt das Forschungsprojekt SmartFactoryKL des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI). Bild: Lapp

Die Stuttgarter Lapp Gruppe, Anbieter von integrierten Lösungen und Markenprodukten im Bereich der Kabel- und Verbindungstechnologie, hat, wie auch viele andere Hersteller aus der Automatisierungsbranche, diese Herausforderung angenommen. Eine Erkenntnis aus der Beteiligung an mehreren Forschungsprojekten ist, dass die Fertigung der Zukunft noch in viel höherem Maße als heute vernetzt sein wird.

Das Internet of Things (IoT) bedeutet, dass zukünftig jede noch so kleine Komponente Daten im Firmennetz oder sogar im Internet bereitstellen kann. Industrie 4.0 basiert überwiegend auf der durchgängigen Vernetzung von Firmen und Geschäftsprozessen – von der ERP-Ebene bis in die Sensor-Aktor-Ebene. Nur dadurch können Daten aus den Produktionsanlagen direkt den Material-, Planungs- oder Fertigungs-Leitsystemen zur Verfügung gestellt werden. Durch die Kommunikation von Maschinen- und Anlagen wird die Bereitstellung und Auswertung von Big Data möglich und eine selbststeuernde und selbst optimierende Fertigung realisierbar.

Etherline
Etherline von Lapp.: Ethernet-Verkabelungs­lösungen für die Smart Factory. Bild: Lapp

Um die vollständige Vernetzung der Fertigung und der einzelnen Komponenten zu ermöglichen, wird ein durchgängiges Verkabelungs- und Anschlusskonzept benötigt. Auch wenn die einheitliche Technologie hierfür Ethernet ist, sind durchaus, je nach Anwendung, unterschiedliche Anforderungen bezüglich Datenrate, mechanischer Robustheit oder auch systemspezifischen Spezifikationen zu berücksichtigen. Generell gilt für Ethernet-Leitungen, welche im Produktionsumfeld eingesetzt werden, dass sie eine höhere Robustheit als LAN-Leitungen für den Einsatz im Büroumfeld benötigen.

Cat 6A für den Backbone

Wo komplette Maschinen und Anlagenteile miteinander und zur ERP-Ebene kommunizieren müssen, muss auf ausreichende Datenrate im Backbone, dem Rückgrat der Anlage, geachtet werden. Dies ist wichtig, um Flaschenhälse zu vermeiden und die spätere Erweiterung zu gewährleisten. Insbesondere weil Anlagen bei Industrie 4.0 modularer aufgebaut sein sollen, um diese flexibel umzurüsten und später erweitern zu können. So wird es also verstärkt zur Praxis werden, dass der spätere Endausbau der Anlage noch unbekannt ist. Eine Netzwerkverkabelung mit ausreichenden Reserven gewährleistet diese Erweiterbarkeit.

Mit einer Verkabelung nach Cat-6A-Standard ist der Anlagen-Backbone zukunftssicher auf bis zu 10 Gbit/s ausgelegt. Die gängige Verlegeart für diese Backbone-Leitungen ist die feste Verlegung auf Kabelpritschen oder in Kabelkanälen. Wenn größere Anlagenteile jedoch beweglich sind, dann muss dieser Backbone auch oft über Schleppketten geführt werden.

Hierfür hat Lapp die schleppkettentauglichen Etherline-Cat-6A-FD-Leitungen entwickelt, welche über viele Millionen Biegezyklen eine zuverlässige Datenübertragung gewährleisten. Cat 6A ist jedoch nicht ausschließlich dem Backbone vorbehalten. Auch bei komplexen Sensoren, wie industriellen Kameras, finden sich Netzwerkanschlüsse, welche diese hohe Datenrate benötigen. Diese müssen dann auch über Steckverbinder nach Cat-6A-Standard angeschlossen werden. Wenn dann zusätzlich Wasserdichtigkeit und Schmutzresistenz gefordert ist, geschieht dies über M12-Steckverbinder. Zur Erfüllung der Cat-6A-Anforderungen, hat Lapp den bekannten D-kodierten M12-Stecker durch eine X-codierte Variante ergänzt.

100 Mbit/s für dezentrale E/A-Systeme

Innerhalb der Maschine kommen am häufigsten vieradrige Cat-5-Leitungen zum Einsatz. Deren maximale Datenrate von 100 MBit/s reicht in der Regel aus, um Steuerungen mit dezentralen E/A-Systemen oder maschinennahe Visualisierungen miteinander zu vernetzen. Auf dieser Ebene finden dann vielfach Protokolle wie Profinet, Ethernet/IP oder Ethercat ihre Anwendung. Der große Vorteil bei 100 Mbit/s ist, dass hier vier Adern anstatt der bei Gigabit notwendigen acht Adern ausreichen. Das bedeutet der Anschlussaufwand ist deutlich geringer.

Auf der untersten Ebene, der sogenannten Sensor/Aktor-Ebene müssen oft nur wenige Bits kommuniziert werden, dafür ist oft in den Maschinen nur wenig Platz verfügbar. Sollen Sensoren und kleine dezentrale E/A-Systeme unter beengten Platzverhältnissen, wie in Handling-Maschinen, in das Ethernet-Netzwerk integriert werden, dann verursachen gängige Ethernet-Leitungen oft Probleme. Die heute üblichen Cat-5-Ethernet-Leitungen benötigen aufgrund großer Durchmesser und großer Biegeradien oft zu viel Platz. So muss also entweder die Maschine größer gebaut werden, oder die Leitung wird nicht nach Installationsvorschrift mit dem notwendigen Biegeradius eingebaut. Das kann zu Beschädigungen der Leitung und damit zum Ausfall führen.

Etherline-EC-Leitungen

Lapp hat für diesen Fall die Etherline-EC-Leitungen entwickelt. Die vieradrigen Cat-5e-Ethernet-Leitungen sind nur fünf Millimeter dick und erlauben einen kleinen Mindestbiegeradius von 16 Millimeter. Auch Schleppketten können damit extrem klein dimensioniert werden – hier beträgt der kleinste Biegeradius 40 Millimeter. Dies wird durch einen kompakten Sternvierer-Aufbau und dünne AWG26-Litzen erreicht. Beim Sternvierer werden die Adern nicht paarweise verseilt, wie sonst bei Datenleitungen üblich, sondern alle vier Adern gemeinsam.

Durch den robusten PUR-Außenmantel lässt sich die Leitung bei hohen mechanischen Belastungen oder in öliger Umgebung einsetzen. Um den weiteren Platzbedarf zu reduzieren, kommen hier nun auch M8-Steckverbinder zum Einsatz. Diese stellen eine platzsparende Alternative für die heute bei Industrial Ethernet üblichen M12-Stecker dar. Von Lapp sind Konfektionen mit Etherline-EC-Leitungen und angespritztem M8-Stecker erhältlich, welche neben der Robustheit auch die Dichtigkeit nach IP67 erfüllen. bf

Lapp und Industrie 4.0

Plug & Produce – das ist das Motto der industriellen Produktion der Zukunft. Dass dieses Fertigungsmodell heute bereits funktioniert, zeigt das Forschungsprojekt SmartFactoryKL des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI). Die gesamte Verbindungstechnik, welche die Forschungsfabrik benötigt, um die Vision der Industrie 4.0 Realität werden zu lassen, wurde von der Lapp Gruppe entwickelt und angepasst.