Was unterscheidet industrielle Umgebungen so grundlegend?
Die größten Probleme im Bereich Industrial Ethernet resultieren aus den Gefahren, denen die Netzwerke ausgesetzt sind. Zwei Faktoren verschärfen diese Gefahren: fehlende Klimatisierung und die Anwesenheit anderer elektrischer Geräte. Während Netzwerke in Büros oder Rechenzentren durch Klimaanlagen und Beschattungssysteme vor Witterungseinflüssen geschützt sind, fehlt dieser Schutz in den meisten industriellen Umgebungen. Beispielsweise können übermäßige Hitze oder Luftfeuchtigkeit die Übertragungsmedien beeinträchtigen. Verdrillte Adernpaare, die häufig in Büronetzwerken verwendet werden, können sich nach längerer Sonneneinstrahlung zersetzen. Elektromagnetische Störungen (EMI), die von elektrischen Geräten erzeugt werden, verursachen Rauschen, das den Netzwerkverkehr stört. RJ-45-Stecker, das Rückgrat von Unternehmensnetzwerken, sind nicht für den Dauerbetrieb unter extremer Hitze oder Belastung ausgelegt, und ihre Kontakte können korrodieren und zum Bruch der Beschriftung führen.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied liegt in den Übertragungsdistanzen. Industrielle Ethernet-Kabel benötigen in großen Anlagen bis zu 400 Meter und werden in explosionsgefährdeten Bereichen (Maschine-zu-Maschine und Switch-zu-Switch) verlegt. Twisted-Pair-Kabel, die in Büros verwendet werden, haben eine maximale Reichweite von 100 Metern. Obwohl diese Spezifikation ursprünglich zur Trennung von Benutzerübertragungen und zur Vermeidung von Kollisionen entwickelt wurde, sind die heutigen Reichweitenbeschränkungen auf die elektrische Übertragung zurückzuführen.
Netzwerkkarten (NICs) wurden ebenfalls für Distanzen bis zu 100 Metern entwickelt. Darüber hinaus wird zusätzliche Energie benötigt, und es können Störungen auftreten, die die Datenübertragung beeinträchtigen. Multimode-Fasern reichen für Distanzen bis zu 2 Kilometern aus. Für Distanzen zwischen 2 und 3 Kilometern sind Singlemode-Glasfaserkabel erforderlich. Glasfaserkabel haben zudem spezifische Anforderungen. Der Durchmesser einer Singlemode-Faser ist kleiner als der eines roten Blutkörperchens. Fingerabdrücke oder sogar Staubpartikel aus der Luft können sich in den Glasfaseranschlüssen festsetzen, Reflexionen verursachen und die Signalübertragung behindern.
Schließlich kann auch etwas so Grundlegendes wie Elektrizität eine Ethernet-Installation beeinflussen. Büro-Ethernet-Komponenten funktionieren nicht in einer industriellen Umgebung, die mit 24 oder 48 V betrieben wird. Es werden wahrscheinlich Komponenten in Industriequalität benötigt.

Unterschiedliche Arbeitsweisen: Die Notwendigkeit von Deterministik.
In einem industriellen Umfeld unterscheiden sich die Art der ausgeführten Arbeiten und die Funktionen der Geräte grundlegend von einem Büronetzwerk. Datenverluste haben in industriellen Umgebungen eine viel größere Bedeutung. In vielen Büronetzwerken ist Datenverlust weniger problematisch, da es verschiedene Möglichkeiten gibt, verlorene Pakete zu kompensieren. Zumindest kann ein Benutzer eine während der Übertragung beschädigte Datei erneut senden. Ist das Büronetzwerk etwas langsam, ist das zwar ärgerlich und beeinträchtigt die Produktivität der Mitarbeiter, aber die Arbeit kann dennoch erledigt werden.
In der industriellen Welt der Hochgeschwindigkeitsproduktion und präzisen Prozesse ist die korrekte und zeitnahe Übermittlung von Daten extrem wichtig. Ein Datenpaket könnte beispielsweise eine Warnung vor Überhitzung oder gar einem Brand oder einen Befehl zur Aktivierung des Kühlsystems enthalten. Beschädigte, verlorene oder verspätete Pakete, ob aufgrund von Geschwindigkeit oder Langsamkeit, haben schwerwiegende Folgen: Produktionsfehler, geringere Ausbringungsmenge, erhöhter Ausschuss und längere Ausfallzeiten. All dies führt zu höheren Kosten.
Aus diesen Gründen muss industrielles Ethernet „deterministisch“ sein, d. h. das Netzwerk muss garantieren, dass ein Ereignis innerhalb eines festgelegten Zeitraums eintritt. Dies ist in Unternehmensumgebungen nicht üblich, und auch in der Industrie war dies früher nicht der Fall. Heute ist es jedoch eine Voraussetzung.

Kenntnisse über Ethernet-Standards und -Verhältnisse:
Die Kenntnis einiger der im Laufe der Jahre entwickelten Ethernet-Standards und -Verhältnisse kann zur Entwicklung robusterer und ausfallsicherer Netzwerke beitragen.

Klassifizierung von Umgebungsbedingungen mit MICE-Tabellen
: Um die potenziellen Umgebungsbedingungen in Industriegebieten zu beschreiben, hat die Telecommunications Infrastructure Association (TIA) die MICE-Tabellen (Mechanical, Ingress, Climatic/Chemical, and Electromagnetic) erstellt. Stufe 1 beschreibt eine typische Büroumgebung; Stufe 2 zeigt etwas ungünstigere Bedingungen; und Stufe 3 stellt eine stark beanspruchte Industrieumgebung dar.

Etwa 80 Prozent aller Umgebungen entsprechen den MICE-Tabellen, mit Ausnahme extremster oder spezieller Fälle. Der Abschnitt „Mechanische Belastung“ jeder Tabelle enthält Werte für Stoß/Aufprall, Vibration, Zug, Druck, Schlag und Biegung. Der Abschnitt „Eindringen“ spezifiziert die Partikelgröße (Staub). Der Abschnitt „Klima/Chemikalien“ zeigt Werte für Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Strahlung sowie flüssige und gasförmige Verunreinigungen durch die häufigsten Industriechemikalien. Der Abschnitt „Elektromagnetische Belastung“ liefert schließlich spezifische Werte für elektrostatische Entladung, abgestrahlte und leitungsgebundene Hochfrequenzstrahlung (HF), Kurzschlussspannung und Magnetfeld.
Die MICE-Tabellen stellen keine verbindlichen Anforderungen an die Verkabelung dar, bieten aber einen nützlichen Kontext für die Bewertung spezifischer Umgebungen und die Auswahl kompatibler Systeme. Es ist zu beachten, dass dieselbe Verkabelung für mehrere MICE-Umgebungen geeignet sein kann. Durch die Festlegung von Grenzwerten lässt sich der Bedarf an Kabeln mit sehr hohen Belastungsverhältnissen in der gesamten Installation minimieren.
Bestimmung des Schutzgrades von Steckverbindern, Geräten und anderen Komponenten:
Die IP-Schutzart (Ingress Protection) gibt den Schutzgrad eines Geräts an und wird stets mit den Buchstaben IP gefolgt von zwei Ziffern spezifiziert. Die erste Ziffer steht für den Schutz gegen feste Fremdkörper, die zweite für die Wasserdichtigkeit. Eine Schutzart von IP55 beispielsweise bedeutet, dass das Gerät ausreichend gegen Staub und Wasserpartikel geschützt ist, ohne dass die Funktion beeinträchtigt wird. Eine höhere Zahl, wie z. B. IP68, bedeutet, dass das Gerät staubdicht ist und ohne negative Auswirkungen in Wasser eingetaucht werden kann.
Der RJ-45-Stecker, der typischerweise in Patchkabeln verwendet wird, besitzt keine IP-Schutzart, da er nicht für den Schutz gegen Staub oder für vollständige Wasserdichtigkeit ausgelegt ist. Ethernet-Kabel für raue Umgebungen benötigen speziell entwickelte RJ-45-Stecker mit Schutzversiegelung oder andere Steckertypen wie z. B. M-12. Mit der Schutzart IP68 bieten M-12-Stecker den gleichen Schutz gegen feste Fremdkörper und Flüssigkeiten. Anwendungen in der Pharmaindustrie verdeutlichen den Bedarf an Steckverbindern mit hoher IP-Schutzart sowie an Gehäusen mit entsprechender Schutzart.

Ein Beispiel:
Das Netzwerk.
Der größte Fehler bei der Installation industrieller Netzwerke ist die Annahme, ein Büronetzwerk sei auch für Produktionsanlagen geeignet. Der variable Datenverkehr und die Adressierungsschemata des Unternehmensnetzwerks dürfen die konsistente, strukturierte und weniger variable Natur eines Produktionsnetzwerks nicht beeinträchtigen. Unternehmensdatenverkehr kann den Produktionsdatenverkehr verlangsamen und die deterministische Natur des industriellen Netzwerks gefährden.
Ein VLAN (Virtual Local Area Network) ist eine Möglichkeit, den Netzwerkverkehr zu segmentieren. Unternehmens- und Produktionsnetzwerke können miteinander kommunizieren, aber sie dürfen nicht dieselben „Pfade“ nutzen. Das ist vergleichbar mit zwei Autobahnen, die durch einen Tunnel verbunden sind.
Ein weiterer Fehler ist der Versuch, Kosten zu sparen, indem man Ethernet-Switches für Büros kauft. Industrielle Umgebungen erfordern Switches mit Industriestandard, da diese für die hohen Anforderungen der Industrie ausgelegt sind und zu einem effizienteren Netzwerk beitragen. In der Produktion ist die zuverlässige Übertragung von Informationen von Punkt A nach Punkt B unerlässlich. Eine schlechte Netzwerkleistung im Büro führt häufig zu Leistungseinbußen auf den Benutzer-PCs. In der Fertigung kann der Unterschied zwischen einer Kommunikationszeit von vier oder sechs Sekunden den Unterschied zwischen schnellem und gar keinem Online-Arbeiten ausmachen. In einem Blechverarbeitungsbetrieb kann sie darüber entscheiden, ob das Material auf die richtige Länge zugeschnitten wird.
Ein reibungsloser Informationsfluss gewährleistet über eine Distanz von ca. 43 Metern eine ausreichende Geschwindigkeit und eine konstante Temperatur.

Elektrische Signale:
Netzwerkgeräte wie Switches können von denselben Problemen betroffen sein wie Kabel. Ungünstige elektrische Umgebungen können Überspannungen, Ausfälle und statische Entladungen verursachen. Extreme Luftfeuchtigkeit und Temperaturschwankungen, Vibrationen sowie eine ungleichmäßige oder ineffiziente Stromversorgung können die Signalübertragung stören. Geräte mit einer entsprechenden IP-Schutzart können viele dieser Probleme minimieren.

Infrastrukturverkabelung: Schutz der Kabel vor Risiken und Gefahren.
In einem typischen Rechenzentrum findet man häufig Server mit ungeschirmten, verdrillten Zweidrahtleitungen, die hinten heraushängen und bis zur Decke reichen; dies ist völlig normal. In industriellen Umgebungen müssen Kabel jedoch mit Kunststoff- oder Metallummantelungen geschützt werden. Die Verlegung von Ethernet-Kabeln entlang der Decke in offenen Kabelkanälen ist zulässig. Sobald die Kabel jedoch die Wand erreichen oder an Stellen verlegt werden, an denen sie mit Wasser in Berührung kommen, sich erhitzen oder Stößen ausgesetzt sein könnten, ist eine Ummantelung erforderlich.
Auch der Schutz vor elektromagnetischen Störungen (EMI) muss berücksichtigt werden. Beispielsweise könnte eine Maschine Flaschen abfüllen, während eine andere diese in Kartons verpackt. Die Ethernet-Leitung muss vom EMI-Feld, das von Maschinen, Kabeln, Motoren und Transformatoren erzeugt wird, getrennt und abgeschirmt werden. Übermäßiges elektronisches Rauschen stört die Signale. Dies äußert sich häufig in leicht erkennbaren Netzwerkfehlern und deutet darauf hin, dass der übertragene Datenrahmen beschädigt wurde.
Was kann man tun? Ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel (UTP) sind gegenüber niedrigen EMI-Werten unempfindlich. Bei höheren Werten sind geschirmte Twisted-Pair-Kabel (STP – auch bekannt als CAT 5) vorzuziehen. Für maximalen Schutz ist
Glasfaserkabel, das immun gegen EMI ist, die beste Wahl.
Die Verwendung von Hochleistungskabeln ist nicht die einzige Lösung für raue Umgebungen. Sie muss durch eine Kombination aus Trennung, Isolierung und strategischer Planung ergänzt werden. Beispielsweise wird bei der Gefahr von Flüssigkeitsaustritten die Trennung durch Kabelrinnen erreicht, während metallische Ummantelungen die Isolierung gewährleisten und elektromagnetische Störungen (EMI) reduzieren.
Beim Betrieb in rauen Umgebungen sollten vorbeugende Maßnahmen wie der regelmäßige Austausch von Patchkabeln und Steckverbindern ergriffen werden, um Ausfallzeiten zu vermeiden. Die Einrichtung und Dokumentation der Netzwerkinfrastruktur sowie die Durchführung vorbeugender Wartungsarbeiten garantieren keinen zuverlässigen Netzwerkbetrieb. Eine schnelle Fehlerbehebung mit den geeigneten Werkzeugen ist ebenfalls unerlässlich.

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Autor:
Technische Abteilung von Fluke Networks