Ethernet-basiert und herstellerunabhängig: Verkabelung mit Sercos III

Die Erfahrungen mit Feldbus-Systemen haben die Vorteile einer Linien-Topologie aufgezeigt, die sich bei Ethernet-Systemen mit internen Switches in den Geräten errichten lässt. Um – etwa in Safety-Anwendungen – die Verfügbarkeit des Netzwerks zu erhöhen, nutzt Sercos III außerdem eine Ringstruktur. Die Verbindung zwischen zwei aktiven Geräten mit ihren passiven Komponenten ist als Channel definiert – wobei für Sercos III die Klasse D mit Komponenten nach Kategorie 5 definiert ist. Im Schaltschrank wie im Feld Industrial Ethernet ist oft rauen Einsatzbedingungen ausgesetzt. Die Komponenten der elektrischen Verbindungstechnik müssen daher auch unter widrigen Bedingungen einwandfrei funktionieren. Der Anwender muss bei der Komponentenauswahl neben den übertragungstechnischen Eigenschaften auch die Umgebungsbedingungen beachten. Zur sicheren Planung unterscheidet Sercos III zwei Klassen von Komponenten: \’Light Duty\‘ für den Einsatz im Schaltschrank und \’Heavy Duty\‘ für den Einsatz im Feld. Aufgrund seiner einfachen Planungsmöglichkeiten wird in der Gebäudeinstallation häufig das Modell der Referenz-Installation genutzt. Es besagt, dass beim Einsatz bestimmter Komponenten und deren Anordnung eine bestimmte Güte erreicht wird. Beispielsweise erhält man mit Komponenten für die symmetrische Verkabelung der Kategorie 5 einen Class-D-Channel (Bild 2), der sich für die Übertragung von Fast-Ethernet eignet. Hierbei dürfen die ­flexib­len Leitungen – auch Cords genannt – insgesamt maximal 10m und die fest installierten Leitungen maximal 90m lang sein, sodass der Channel insgesamt maximal 100m lang ist. Da die flexiblen Leitungen schlechtere Übertragungs-Eigenschaften besitzen als das fest installierte Kabel, müssen die Längenverhältnisse unbedingt eingehalten werden. Die Nutzung höherwertiger Komponenten, etwa der Kategorie 6, oder die Reduzierung der Channel-Länge, ist zur Kompensation längerer flexibler Leitungen zwar theoretisch möglich, in der Praxis aber nur mühsam zu berechnen. Regeln des Installationsmodells Wollte man dieses Modell auf die vielfältigen Situationen in der industriellen Kommunikation anwenden, wären hoher Planungsaufwand sowie eine große Fehleranfälligkeit die Folge. Aus diesem Grund haben Experten der Nutzer-Organisation Sercos International ein Installationsmodell entwickelt, bei dem der Anwender mit einfachen Regeln und ohne Berechnungen sein Netzwerk mit ausgewählten Komponenten errichten kann. Alle Channel-Längen können mit fest verlegten und flexiblen Leitungen in beliebiger Kombination und Teillänge unter Verwendung der definierten Kabeltypen erreicht werden. Steckverbindungen im Channel können gemäß den industriellen Einsatzbedingungen vielfältig gestaltet sein, solange der Grenzwert von vier Steckverbindungen nicht überschritten wird (Bild 2). Bei Sercos III ist die symmetrische Datenübertragung so ausgelegt, dass bei einem Aderquerschnitt von AWG22 stets ein Channel errichtet wird. Eine beliebige Kombination von starren (Typ A), flexiblen (Typ B) oder auch Sonderkabeln (Typ C) ist hier denkbar. Außerdem können Steckverbinder, Wanddurchgänge, Kupplungen und Installationsdosen beliebig eingefügt werden. Möglich sind auch einzelne Steckverbinder-Buchsen-Übergänge, wie etwa bei den Anschlussdosen in der strukturierten Gebäudeverkabelung. Ebenfalls möglich sind Wanddurchführungen mit zwei Buchsen – im Englischen auch Bulkhead genannt. Sie gelten als zwei Steckverbinder-Buchsen-Übergänge, sofern der Hersteller sie nicht als eine Komponente qualifiziert hat. Ideal für die Antriebstechnik Im Gegensatz zur generischen Verkabelung mit ihren acht Adern in TwistedPair-Anordnung nutzt Sercos III einen für 100Base-T optimierten Sternvierer, bei dem alle vier Adern miteinander verdrillt sind. Zur Störsicherheit sind alle Kabel geschirmt und an die für Sercos III definierten Steckverbinder angepasst. Der EMV-Einfluss spielt im industriellen Umfeld eine wichtige Rolle. Insbesondere in der Antriebstechnik – mit starken Feldern durch Elektromagnete sowie mit hohen Strömen und hochfrequenten Störungen durch Frequenzumrichter – ist die Verkabelung mit Sercos III gefordert. Für ein Höchstmaß an Störsicherheit ist eine hohe Kopplungsdämpfung von 80dB für Leitungen und Steckverbinder spezifiziert. Bei den optischen Kanälen verhält es sich ähnlich. Die bei industriellen Anwendungen eingesetzten Fasertypen 1mm-Polymer (POF), PolymerCladded-Silica (PCS, oft auch als HCS bezeichnet), Glasfaser-Multimode (GOF-MM) sowie Glasfaser-Singlemode (GOF-SM) sind alle für Sercos III-Netzwerke geeignet. Die mögliche Channel-Länge reicht von 50m (POF) über 100m (PCF) und 2.000m (GOF-MM) bis hin zu 14.000m (GOF-SM). Sowohl optische Verbindungen am Anschlusspunkt der aktiven Geräte als auch passive Verbindungen im Channel beinhalten immer einen optischen Übergang und gelten daher als eine Steckstelle. Beim POF-Channel ist wegen der Dämpfung eine Längenreduktion von 7,5m pro Steckverbindung im Channel zu berücksichtigen. Zur Kennzeichnung der Datenübertragungs-Richtung sind die Stecker und Adern in den Kabeln mit Pfeilen versehen, eine Verwechselung der Übertragungs-Richtung ist ausgeschlossen. Light Duty und Heavy Duty Alle Anwendungsbereiche bei geringer Typenvielfalt – das ist der Anspruch an die Sercos III-Verkabelung (Bild 3). Eine weitere Anforderung ist der Anschluss vor Ort, der in der industriellen Installation eine wichtige Rolle spielt. Für Light Duty wird der aus dem Büro-Umfeld bekannte RJ45-Steckverbinder auch für die elektrische Datenübertragung mit symmetrischen Kabeln genutzt. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass nur für den industriellen Markt geeignete Ausführungen den Aderquerschnitt AWG22 aufnehmen können und die geforderten Schirmeigenschaften einhalten. Als optischer Steckverbinder wurde der robuste SC-RJ ausgewählt. Er ermöglicht bei geringer Baugröße den Anschluss aller Fasertypen sowie schneller Anschlusstechniken für die Feldkonfektion bei einem Ferrulen-Durchmesser von 2,5mm. So sind etwa bei der POF-Faser lediglich das Schneiden der Faser sowie die Fixierung in einer Schnellspannhülse erforderlich. Bei Inbetriebnahme und Diagnose ist außerdem die Kompatibilität des SC-RJ- zum weit verbreiteten SC-Steckverbinder von Vorteil. Die dezentrale Automatisierung im Feld benötigt Heavy-Duty-Komponenten. Neben dem M12-Steckverbinder, der wegen seiner kleinen Bauform bei E/A-Modulen beliebt ist, wird das PushPull-Steckverbinder-Konzept für die elektrische und optische Datenübertragung unterstützt. Die Datenübertragung erfolgt über die gleichen RJ45- und SC-RJ-Systeme wie bei der IP20-Installation. Durch das zusätzliche Schutzgehäuse eignen sich die Komponenten auch für die Schutzart IP67. Für den Anwender ist die Konfektionierung mittels Schnellanschlusstechnik immer gleich (Bild 4). Ein durchgängiges Installationssystem für alle Umgebungs-Situationen erleichtert die Arbeit aller Beteiligten. Kasten: Sercos III – Vorteile im industriellen Umfeld Gegenüber der generischen Verkabelung besitzt Sercos III Vorteile im industriellen Umfeld. Das einfache Planungsmodell mit klaren Umweltdefinitionen, simplen Auslegungsregeln, robuster EMV-Auslegung und aufeinander abgestimmten Komponenten ermöglicht den rationellen Aufbau zuverlässiger Netzwerke. Mit seinem Installationsprogramm für Sercos III stellt Phoenix Contact dem Anwender unterschiedliche Produktlösungen zur Verfügung.