03.09.2013

Hand in Hand in der industriellen Kommunikation:

Verkabelung - anwendungsneutral oder profilspezifisch

Immer komplexere und leistungsfähigere Automatisierungslösungen erfordern ein ständiges Mehr an Datenübertragung in der Industrieautomatisierung. Die unterschiedlichen Konzepte aus der Büro- und Industrieverkabelung bieten dem Anwender jeweils Vor- und Nachteile. Nebeneinander können beide Konzepte gut bestehen.

Autor: Dipl.Wirt.Ing. Bernd Horrmeyer, Phoenix Contact Deutschland GmbH.


Bild 1: Anwendungsneutrale und profilspezifische Netzwerke beherrschen die industrielle Kommunikation in der Fabrikautomation.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Mit der zunehmenden Dezentralisierung der Automatisierungstechnik steigt auch der Kommunikationsbedarf zwischen den Geräten. Sie befinden sich sowohl in der geschützten Umgebung eines Schaltschrankes als auch immer häufiger im rauen Feld. Neben klassischen Feldbus-Systemen werden immer öfter Ethernet-basierte Systeme eingesetzt - wie etwa Profinet und Ethernet/IP. Ob ein System dabei erfolgreich ist oder nicht, hängt maßgeblich vom Verkabelungskonzept ab - von seiner an das Fertigungsumfeld angepassten Topologie, von seinen Auslegungsregeln sowie von seinen Komponenten.

Anwendungsneutrale Verkabelung

Kommunikationsnetzwerke innerhalb eines Unternehmens für Bürobereiche, aber auch Kommunikationsnetzwerke für die übergreifenden Strukturen innerhalb eines Gebäudes und zwischen den Gebäuden basieren heute typischerweise auf Ethernet nach IEEE802.3 sowie einer anwendungsneutralen generischen Verkabelung nach ISO/IEC11801. Mit der Norm ISO/IEC24702 existiert zudem ein Standard, der diese anwendungsneutrale Verkabelung innerhalb von Industriegebäuden und Anlagen ermöglicht (Bild 2). Eine wichtige Rolle bei den Standards für die anwendungsneutrale Kommunikationsverkabelung spielt das Modell der Referenz-Implementierung, das aufgrund seiner leichten Planbarkeit populär ist. Das Modell besagt, dass beim Einsatz von Komponenten bestimmter Güteklassen (Cat) und bei spezifischen Anordnungen dieser Komponenten gemäß den Modellen der Referenz-Implementation davon ausgegangen werden kann, dass eine bestimmte übertragungstechnische Güte (Class) des gesamten Übertragungskanals erreicht wird. So erhält man beispielsweise mit Komponenten nach Cat5 einen Class D Channel, der sich für die Übertragung von 100Base-T und 1000Base-T Ethernet eignet (Bild 3). Dem Vorteil dieser leichten Planbarkeit steht auf der anderen Seite der Nachteil der Inflexibilität gegenüber. So müssen Gesamtlängen und Längenverhältnisse von übertragungstechnisch besseren Horizontalkabeln und schlechteren Cords eingehalten werden. Zur Kompensation ungünstiger Eigenschaften sind Abweichungen von den Längenverhältnissen, höhere Temperaturen, die Verwendung höherwertiger Komponenten oder die Reduzierung der Channel-Länge theoretisch zwar möglich, und sie werden in den Berechnungsgrundlagen auch normativ beschrieben. In der Praxis sind diese Abweichungen jedoch oft nur schwer zu berechnen, sodass Planer sie ungern umsetzen.

Automation Island als Black-Box

Um eine Schnittstelle zwischen den industriellen Kommunikationssystemen und der generischen Verkabelung zu definieren, wurde von den Normierungsverantwortlichen das Konzept des Automation Island entwickelt. Aus Sicht der generischen Verkabelung ist ein Automation Island ein Teilnehmer-Anschluss und damit eine Black-Box, um die man sich keine weiteren Gedanken machen muss. Alles, was sich in dieser Box befindet, liegt in der Verantwortung der Automatisierungstechnik. Diese kann demnach ohne Rücksicht auf die generische Verkabelung innerhalb des Automation Islands die Bedürfnisse des Maschinen- und Anlagenbaus flexibel mit ihren Netzwerken erfüllen. So existiert eine definierte Schnittstelle, um die verschiedenen Einflussbereiche voneinander zu trennen. Hinter den spezifischen Kommunikationsverkabelungen in der Industrieautomation stehen Konsortien aus Anwendern und Herstellern. Diese Netzwerke werden in der IEC61918 beschrieben. Hinzu kommt noch die Serie IEC61784-5, in der die spezifischen Aspekte der einzelnen Kommunikationssysteme - der sogenannten Profile - durch Differenzierung, Ergänzung oder Modifikation der Festlegungen aus der IEC61918 definiert sind (Bild 4). Diese Profile nutzen oft Verkabelungskonzepte, die über die Referenz-Implementierung der generischen Verkabelung hinausgehen. So werden durch Einführung von starren und flexiblen Leitungen, die denselben übertragungstechnischen Parametern entsprechen, die Längenrestriktionen aufgehoben. Möglich wird dies durch den Einsatz höherer Querschnitte - auch eine Streckenkürzung bei höheren Temperaturen (Derating) wird so vermieden.

Channel-Länge von 100m

Im Maschinen- und Anlagenbau sind häufig Konzepte erforderlich, die über die Referenz-Implementation hinausgehen. Gründe dafür sind eine geforderte höhere Flexibilität sowie Anpassungen an spezifische Situationen - etwa Teilstrecken mit Schleppketten-Leitungen oder größere Teilstrecken mit flexiblen Leitungen. Nach diesem Installationsmodell können die Netzwerke mit einfachen Regeln und ohne Berechnungen ausgelegt werden. Mit festverlegten und flexiblen Leitungen in beliebiger Kombination sowie mit Teillängen wird unter Verwendung der definierten Kabeltypen eine Channel-Länge von 100m erreicht. Steckverbindungen im Channel können gemäß den industriellen Einsatzbedingungen vielfältig mittels Wanddurchgängen, Kupplungen und Installationsdosen gestaltet sein, solange der Grenzwert von vier Steckverbindungen nicht überschritten wird (Bild 5). Profilspezifische Netzwerke sind heute für 100Base-T ausgelegt, und ihre Verkabelung mit zwei Aderpaaren oder einem Sternvierer darauf optimiert. Kameras zur Qualitätsinspektion, Server zur Dokumentation von Qualitätsdaten, Scanner zur Identifizierung der Bauteile sowie die Kommunikation mit den Systemen der Fabriksteuerung erfordern Datenübertragungsraten von 1GBit/s. Zudem steht bei stetig steigenden Ansprüchen 10GBit/s und damit die Channel-Klasse EA mit ihren Cat6A-Komponenten bereits vor der Tür. Als neue Ebene in der Automatisierungstechnik hat sich das sogenannte Integrated Automation Network etabliert. Ihm kommt die Aufgabe zu, alle Teilnehmer einer automatisierungstechnischen Applikation untereinander zu verbinden, weitere Teilnehmer in die Automationsaufgaben einzubinden sowie die Kommunikation zum Unternehmensnetzwerk zu ermöglichen.

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Zuverlässig trotz hoher Belastungen

Als Teil der automatisierungstechnischen Aufgabenstellung unterliegt dieses Netzwerk den gleichen schwierigen Umweltbedingungen und der Notwendigkeit der flexiblen Installation wie auch die Feldbuskommunikation. Die eingesetzten Komponenten müssen u.a. den hohen mechanischen und elektromagnetischen Belastungen gewachsen sein, damit die Daten zuverlässig übertragen werden. Aus diesem Grund haben Anwenderorganisationen dieses Modell in ihren Verkabelungsrichtlinien und in den Profilnormen der IEC61874-5 beschrieben. So wird deutlich, dass sowohl die generische Verkabelung im Industriebereich als auch die spezifischen Industrienetzwerke für ihre jeweiligen Einsatzbedingungen geeignet sind. Die generische Verkabelung eignet sich, um innerhalb einer Fertigungsstätte eine kommunikationstechnische Grundverkabelung mit Anschluss an das übergeordnete Unternehmensnetzwerk bereitzustellen. Demgegenüber ist die profilspezifische Netzwerkverkabelung insbesondere für die flexiblen Einsatzbedingungen im Maschinen- und Anlagenbau geeignet. Insofern ergänzen sich beide Konzepte. In ihrer Kombination stellen sie eine sichere und zuverlässige Kommunikation innerhalb der Maschinen und Anlagen sowie per vertikaler Integration mit dem Unternehmensnetzwerk dar. Auf diese Weise werden alle Anforderungen der modernen Industrieautomation erfüllt. Die dazu erforderlichen industrietauglichen Verkabelungsprodukte bietet Phoenix Contact - von der Grundverkabelung bis zum anspruchsvollen Maschinennetzwerk.

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