01.10.2013

Industrial Ethernet

Wohin führt der Weg in der industriellen Ethernet-Verkabelung?

Für die industrielle Kommunikation in Maschinen und Anlagen haben sich sowohl Feldbusse wie auch Systeme des Industrial Ethernet bewährt. All diese Kommunikationssysteme werden von Nutzerorganisationen begleitet. In ihnen optimieren Experten sukzessive die Ausgestaltung - z.B. für die Verkabelung. Die Ergebnisse dieser Expertenrunden sind in den einschlägigen Richtlinien der Nutzerorganisationen dokumentiert.

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


Bild 1: Vom Feldbus über Ethernet zur Fibre-Optic - die industrielle Kommunikation wird immer performanter.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Klassifizierungen von Umweltzonen, Leitungsaufbauten für verschiedene Anwendungsbereiche wie etwa feste Verlegung oder Verlegung in Schleppketten, die Angabe von Steckverbinder-Bauarten mit deren Signalbelegungen - all das gehört zum Standard-Repertoire dieser Richtlinien. Einige Nutzerorganisationen gehen noch weiter ins Detail und fordern bestimmte Tests oder Herstellererklärungen für die Komponenten. Auf diese Weise sollen nur solche Komponenten für das jeweilige Kommunikationssystem eingesetzt werden, die kompatibel zueinander sind. Sie sollen mit ihren verbrieften Eigenschaften dafür sorgen, dass die Anlage des Nutzers unter Berücksichtigung der Planungsvorschriften zuverlässig funktioniert.

Systemübergreifende Steckverbinder

Trotz der unterschiedlichen Einsatzgebiete und Marktgegebenheiten haben sich einige Leitungsaufbauten und Bauarten von Steckverbindern am Markt weit verbreitet - sie werden heute systemübergreifend eingesetzt (Bild 2). Ein weiterer wichtiger Faktor für den Erfolg der Kommunikationssysteme ist die herstellerunabhängige Definition der eingesetzten Komponenten. Viele Steckverbinder sind international genormt und mit ihrer Geometrie sowie mit ihrer elektrischen Leistungsfähigkeit unter industriellen Umgebungsbedingungen beschrieben. Neu hinzugekommen ist eine Norm für die populären M12-Steckverbinder, die sich im fortgeschrittenen Stadium befindet: sie beschreibt die Fähigkeit der Datenübertragung - die sogenannte Signalintegrität.

Normen für die Verkabelung

Nicht nur die Komponenten, auch die Verkabelung der Kommunikationssysteme als Gesamtsystem ist normativ dokumentiert. In den Normen IEC61918 und IEC61784-5-x werden sowohl generell als auch für alle Kommunikationssysteme spezifisch die Anforderungen festgelegt - und zwar hinsichtlich der Planung, Installation, Inbetriebnahme und Wartung. Damit stehen zahlreiche Dokumente zur Verfügung, nach denen sich die Verkabelung von Netzwerken einfach und sicher gestalten lässt. Ein zuverlässiger Betrieb der Anlage ist damit problemlos möglich.

Der End-to-End-Link

Trotz dieser Bemühungen gibt es immer Verbesserungspotential, um dem Anwender die Implementation von Feldbus-Verkabelungssystemen zu erleichtern. Ein wichtiger Baustein hierfür ist die messtechnische Beurteilung einer kompletten Verkabelungsstrecke. Für eine sichere Datenübertragung kommt es auf die Signalintegrität an. Bei den Systemen des Industrial Ethernet lehnt man sich hierzu an die bereits existierenden Konzepte der generischen Gebäudeverkabelung mit dem Channel-Modell an. Nachteilig an diesem Konzept ist, dass die Steckverbinder am Anfang und Ende des Channels nicht mit in die Kalkulation einbezogen werden. Dies hat zur Folge, dass marktübliche Feldmessgeräte die Übertragungseigenschaften der Steckverbinder ausblenden, die sich am Anfang und am Ende des Channels befinden. Der Nutzer erhält also ein Ergebnis, das die Übertragungsgüte des Channels beurteilt, ohne dabei auf diese Steckverbinder einzugehen. Im Bereich der generischen Verkabelung ist dies angemessen, da am Anfang und Ende des Channels jeweils vorkonfektionierte Patch-Leitungen eingesetzt werden, deren Güte vorher im Werk bestimmt wurde. In der Industrieautomation hingegen sieht die Welt anders aus: Um komplexe Strukturen mit Durchgangslöchern leicht zu überwinden, werden in einer Anlage die Leitungen häufig als Meterware eingezogen. Anschließend werden die Steckverbinder dann im Feld angeschlossen. Aus diesem Grunde finden sich hier zur werkzeuglosen Konfektionierung häufig RJ45- oder M12-Steckverbinder mit industrieller Schnellanschlusstechnik. Werden nun die Steckverbinder am Anfang und Ende des Channels fehlerhaft konfektioniert, und wird anschließend der Channel mit einem üblichen Feldmessgerät eingemessen, so wird ein ordnungsgemäßer Channel attestiert, obwohl eine unzuverlässige Verbindung daraus resultieren kann.

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Lösung des Problems

Internationale Normungsorganisationen und Nutzerorganisationen arbeiten an der Lösung dieses Problems. Hierzu soll als Erweiterung des Channels ein sogenannter End-to-End-Link definiert werden, der diese Steckverbindungen mit berücksichtigt (Bild 3). Nach der Entwicklung und erfolgreichen Verifizierung eines mathematischen Modells können dann die Normen zur Feldbus-Verkabelung (IEC61918) und zur Messtechnik entsprechend erweitert werden. Hersteller von Feldmessgeräten werden den Modus End-to-End-Link dann anbieten.

Patch-Leitungen für die Industrie

Ein weiteres Feld ist die Spezifikation von vorkonfektionierten Patch-Leitungen für den industriellen Einsatz. Vorkonfektionierte Leitungen können vorteilhaft innerhalb eines Schaltschrankes zur Verbindung zweier Geräte eingesetzt werden - damit erübrigt sich das Konfektionieren der Steckverbinder vor Ort. Produkte aus dem kommerziellen Bereich sind hierfür aber nicht geeignet, da sie weder den mechanischen Belastungen noch den Schadgasen gewachsen sind. Nutzerorganisationen haben daher vorkonfektionierte Leitungen definiert, die mit leichteren Leitungstypen bei gleichzeitig guten industriellen Eigenschaften und qualitativ hochwertigen Steckverbindern diesen Einsatz optimal abdecken. Auch in der Faseroptik gibt es genügend Einsatzfälle für vorkonfektionierte Leitungen. Hier ist dieses Konzept auch außerhalb von Schaltschränken attraktiv, da die Konfektionierung der Steckverbinder im Feld von den Anwendern kritisch gesehen wird und man deshalb lieber vorkonfektionierte Leitungen einsetzen möchte. Bislang gab es aber keinerlei Definition der industriellen Eignung von Patch-Leitungen aus Faseroptik. Mit einer IEC-Norm wurden nun erstmals eine Reihe von Tests definiert, die Komponenten im Industrieumfeld bestehen müssen. Hierauf basierend werden nicht nur industrielle Faseroptik-Steckverbinder getestet. Zudem wurde auch ein Normungsprojekt initiiert, welches darauf abzielt, vorkonfektionierte Leitungen für den industriellen Einsatz mit ihren optischen und umweltbezogenen Parametern zu spezifizieren (Bild 4).

Integration der Netzwerke

Leistungssteigerungen und Maßnahmen zur Qualitätssicherung stellen immer neue Anforderungen an automatisierungstechnische Kommunikationsnetzwerke. Wo heute Feldbusse und Ethernet-Netzwerke mit 100MBit/s angemessen sind, kommen morgen Geräte wie Kameras, Server, oder Lesegeräte hinzu. Als Konsequenz müssen industrielle Kommunikationsnetzwerke mit höheren Datenübertragungsraten operieren. Führende Nutzerorganisationen stellen sich dieser Herausforderung und erweitern ihre Verkabelungsspezifikationen so, dass auch Ethernet mit 1GBit/s oder mehr übertragen werden kann. Im Gegensatz zur Verkabelung mit zwei Paaren, die für 100MBit/s ausreicht, sind hierfür vier Adernpaare notwendig. RJ45-Steckverbinder sind für diese Datenübertragungsraten gemäß der Kategorie 6A spezifiziert und auch in industrieller Ausführung zur werkzeuglosen Schnellkonfektionierung am Markt erhältlich. Dagegen ist der M12-Steckverbinder mit vier Polen und D-Codierung, der in vielen Industrial-Ethernet-Netzwerken eingesetzt wird, nicht für dieses Konzept geeignet. Mit dem 8-poligen X-codierten M12-Steckverbinder wurde aber auch dieses Problem erfolgreich gelöst. Mit seiner Performance gemäß Kategorie 6A überträgt er Daten bis 10GBit/s - und erfüllt damit alle industriellen Anforderungen. So konnten die Verkabelungskonzepte der Nutzerorganisationen logisch und bruchfrei für höhere Datenübertragungsraten erweitert werden. Auf der Basis dieser Verkabelungsstandards können die zwei Welten künftig enger zusammenrücken: die Welt der kommerziellen IT mit ihrer generischen Verkabelung und die Welt der Automatisierungstechnik mit ihren Verkabelungssystemen der Nutzerorganisationen. Informationen werden zwischen den Teilnehmern eines Automatisierungsnetzwerkes und der generischen Verkabelung leichter auszutauschen und in die Gesamtlösung einzubinden sein. Teilnehmer mit höheren Datenübertragungsraten werden ohne Systembruch in die Automationslösung integriert. So können die Vorteile beider Welten optimal genutzt werden, um die Performance der Anlage zu steigern (Bild 5).

Fazit

Die Verkabelung bildet das Rückgrat der industriellen Kommunikationssysteme. Mit sorgfältig definierten und aufeinander abgestimmten Komponenten sowie mit den erforderlichen Planungsvorgaben können Anwender heute ihre Anlage sicher errichten und zuverlässig betreiben. Weiterentwicklungen bei den Topologien und Komponententests führen zu einer höheren Leistungsfähigkeit und einem zuverlässigen Betrieb der Netzwerke. Immer leistungsfähigere Anwendungen können so auf dem stabilen Fundament der Datenübertragungstechnik aufbauen.

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