Für interne Kommunikationsnetze in Unternehmen sind generische, IEC 11801/24702-konforme Netzwerke heute nicht mehr die einzige Option. In Produktionsumgebungen spielen anwendungsspezifische, IEC 61918-konforme Netzwerke in Automatisierungsinseln ebenfalls eine wichtige Rolle. Bei Ethernet-basierten Lösungen reichen die Strategien von der Verwendung generischer Kommunikationskabel im industriellen Umfeld bis hin zum Einsatz spezialisierter Komponenten und der Auswahl geeigneter Topologien. Die gängigsten Feldbusse basieren primär auf RS-485 oder CAN und verwenden stets spezialisierte Komponenten.
Feldbusorganisationen verwenden eigene Definitionen.
Industrielle Kommunikationssysteme sind häufig rauen Einsatzbedingungen ausgesetzt. Neben den Übertragungseigenschaften müssen bei der Komponentenauswahl auch die Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden. Diese lassen sich systematisch mithilfe des MICE-Modells gemäß IEC TR 29106 beschreiben. Dabei werden Spannungen im Zusammenhang mit mechanischen Einwirkungen, Fremdkörpern, Witterungseinflüssen und elektromagnetischen Störungen sowie die Schweregrade 1, 2 und 3 für Büro-, leichte und industrielle Umgebungen berücksichtigt.
Andererseits verwenden Feldbusorganisationen häufig eigene Definitionen, beispielsweise für die Bereiche innerhalb und außerhalb des Schaltschranks. Darüber hinaus hat die Verwendung geschirmter Kabel sowie eines Erdungs- und Potenzialausgleichssystems einen erheblichen Einfluss auf die Netzwerkzuverlässigkeit. Aus diesem Grund halten sich viele Organisationen an ihre Richtlinien bezüglich bewährter Systemkomponenten und geeigneter Verkabelungstechniken. Steht kein geeignetes Erdungssystem zur Verfügung oder erzeugen EMV-Einflüsse unzulässige Störspannungen, sollten optische Verbindungen gewählt werden.
Die Schnellverbindungstechnik ist ein Vorteil.
Bei der Übertragung elektrischer Daten sind parallelverdrahtete Feldbusse so ausgelegt, dass ein einmal eingespeistes Signal an jeder Stelle des Übertragungswegs verfügbar ist. Somit kann jeder Teilnehmer das Signal an jeder beliebigen Stelle über eine passive Parallelschaltung in seinem Empfänger abrufen. Dasselbe gilt für das von einem Gerät im Bus gelesene Signal. Das Softwareprotokoll stellt sicher, dass stets nur ein Sender aktiv ist. Um Rückkopplungen zu vermeiden, muss das Kabel an beiden Enden mit einem Abschlusswiderstand abgeschlossen werden. Zudem sollten Abzweigleitungen so kurz wie möglich gehalten werden.
Diese physikalische Konfiguration erfordert eine lineare Topologie. In der Planungsphase müssen Abschlusswiderstände berücksichtigt werden; diese sind entweder in die Geräte integriert oder müssen als externe Komponente bereitgestellt werden.
Da alle Geräte parallel geschaltet sind, werden Steckverbinder am Gerät für den lokalen Anschluss der ein- und ausgehenden Kabel benötigt (Abbildung 1).
Steckverbinder, die optimal auf den jeweiligen Feldbus abgestimmt sind und über ein Schnellverbindungssystem verfügen, bieten hierbei deutliche Vorteile.
Die Montage vor Ort ist obligatorisch.
Häufig sind die Anschlusswiderstände im Stecker integriert und können aktiviert (verbunden) werden, wodurch das Ausgangskabel getrennt wird. Muss eine Anlage oder ein System geändert werden, genügt daher das Umschalten eines Schalters
– komplexe Installationsänderungen sind nicht erforderlich. Der Bus kann systematisch und schrittweise verbunden und getrennt werden, was bei Inbetriebnahme und Fehlersuche von großer Bedeutung ist. Vorkonfektionierte Kabel, die besonders handlich sind, können verwendet werden, wenn das Gerät mit einem T-Stecker ausgestattet ist. Die Eingangs- und Ausgangskabel werden in diesen Stecker gesteckt, wodurch die Montage vor Ort entfällt. Diese Konfiguration ist bei M12-Verkabelung sehr verbreitet.
Ethernet-basierte Systeme, die dem IEEE-802.3-Standard entsprechen, übertragen elektrische Daten hingegen über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit einer maximalen Gesamtlänge von 100 m. Es werden Stecker-Buchsen-Verbindungen verwendet, ähnlich denen in der strukturierten Gebäudeverkabelung. Auch Verteilerdosen mit zwei Buchsen sind möglich. Hier besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen industrieller Automatisierungstechnik und Kommunikationsverkabelung in Büroumgebungen. Während in Büros praktisch ausschließlich vorkonfektionierte Kabel verwendet werden, ist in der Automatisierungstechnik die lokale Konfektionierung unerlässlich.
Verteilerdosen werden in der Regel nicht eingesetzt; stattdessen verlaufen die einzelnen Kabel direkt von Gerät zu Gerät. Daher müssen RJ45-Stecker direkt vor Ort montiert werden. Standard-RJ45-Stecker lassen sich nur mit Leitern bis AWG 26 und einer Crimpzange montieren. Aus diesem Grund können Kabel mit Leiterquerschnitten bis AWG 22 – die üblicherweise in industriellen Umgebungen verwendet werden – nicht eingesetzt werden. Daher
sind Steckverbinder mit Schnellanschlusssystem, die eine werkzeuglose Montage ermöglichen, für industrielle Anwendungen besonders vorteilhaft (Abbildung 2).
konstruiert, dass sie mechanischer Belastung standhalten und
die Verwendung von Glasfaserkabeln als Übertragungsmedium ermöglichen. Im Gegensatz zu Büroumgebungen, in denen Glasfasern dominieren, werden in industriellen Anwendungen je nach Datenstreckenlänge verschiedene Fasertypen eingesetzt. Bei Singlemode-Glasfasern beträgt der Durchmesser des lichtleitenden Faserkerns 9 µm, bei Multimode-Glasfasern 50 µm, bei PCF 230 µm und bei POF 980 µm. Daher spielen Präzisionsanforderungen und Installationskosten eine entscheidende Rolle bei der Auswahl des geeigneten Steckverbinders. Darüber hinaus
muss die benötigte Datenverbindung mit der einfachsten Installationstechnologie realisiert werden. Neben der Dämpfung der Faser selbst muss auch die Dämpfung durch den Steckverbinder berücksichtigt werden.
Die Beständigkeit gegenüber mechanischer Belastung ist ebenfalls wichtig, da sie in industriellen Umgebungen häufiger erforderlich ist als in Büroumgebungen. Stöße, Vibrationen und Temperaturschwankungen verursachen axiale oder radiale Spannungen auf der optischen Achse. Dies führt zu einer unzulässigen Erhöhung der Dämpfung an der Steckverbindung (Abbildung 3), wodurch die übertragene optische Intensität sinkt. Die Datenübertragung wird unterbrochen, sobald die Dämpfungsreserve der Datenverbindung überschritten wird.
SCRJ-Steckverbinder müssen kompatibel sein.
Daher eignen sich Steckverbinder, wie sie in Büroumgebungen verwendet werden, nicht für die spezifischen Anforderungen der Industrie.
Andererseits haben sich robuste SCRJ-Steckverbinder auch außerhalb von Büroumgebungen in industriellen Anwendungen bewährt und werden für eine Vielzahl von Netzwerken eingesetzt (Abbildung 4). Ihre kompakte Bauform als Small Form Factor (SFF)-Steckverbinder ermöglicht eine einfache Integration in Geräte. Die federbelasteten Ferrulen mit einem Durchmesser von 2,5 mm nehmen die Faser problemlos auf. Dies ergibt einen robusten optischen Steckverbinder, der mit allen Fasertypen verwendet werden kann.
Darüber hinaus ermöglicht dieses System eine schnelle und einfache Montage vor Ort, was sehr praktisch ist. Beispielsweise muss eine Polymerfaser (POF) lediglich zugeschnitten und in die Schnellverschlusshülsen eingesetzt werden. Die Kompatibilität des Standard-SCRJ-Steckverbinders mit weit verbreiteten SC-Steckverbindern ist ein Vorteil bei Inbetriebnahme und Diagnose.
Zusammenfassung:
Ob Glasfaser oder Kupferkabel, im Schaltschrank oder am Gerät, an der Schweißstation oder in der Chemieanlage – industrielle Kommunikationssysteme lassen sich erfolgreich in Automatisierungsanwendungen einsetzen. Zuverlässige und flexible Topologien können mithilfe geeigneter Steckverbinder und durchdachter Lösungen für die schnelle Feldinstallation problemlos im Anlagen- und Maschinenbau realisiert werden.
Profinet überwindet die Einschränkungen herkömmlicher Verkabelung.
Flexible Topologien im Anlagen- und Maschinenbau lassen sich durch die Anwendung strukturierter Verkabelungsprinzipien einfach realisieren. Feldbusnetzwerke überwinden dadurch die Einschränkungen herkömmlicher Verkabelung. Profinet beispielsweise ermöglicht flexible Topologien und vereinfacht die Kabelauswahl und -dimensionierung zwischen aktiven Geräten. So kann ein Netzwerk nach wenigen einfachen Regeln ohne Berechnungen aufgebaut werden.
Durch die Verwendung der definierten Kabeltypen lässt sich ein Segment oder Kanal mit einer Länge von 100 m realisieren, wobei flexible und fest installierte Kabel beliebig kombiniert werden können. Die Steckverbinder an jedem Segment können flexibel an die jeweiligen Industrieanforderungen angepasst werden, sofern die Anzahl von vier Steckverbindern nicht überschritten wird.
Das vereinfachte Planungsmodell kann nur durch die Verwendung eines Leiterquerschnitts von AWG22 erreicht werden, der größer ist als AWG26- oder AWG24-Querschnitte – die Typen, die normalerweise in der strukturierten Gebäudeverkabelung verwendet werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Kabeln mit vier verdrillten Adernpaaren verwendet Profinet ein optimiertes „Sternvierer“-Kabel, bei dem alle vier Adern miteinander verdrillt sind. Alle Kabel sind geschirmt, um eine hohe Störfestigkeit zu gewährleisten, und optimal auf die von Profinet spezifizierten Steckverbinder abgestimmt.
Autor:
Eva Andueza, Produktmanagerin bei Phoenix Contact, SA
