Fibre-Optic

Vom Feldbus über Ethernet zur Fibre-Optic – die industrielle Kommunikation wird immer performanter.

Für die industrielle Kommunikation in Maschinen und Anlagen haben sich sowohl Feldbusse wie auch Systeme des Industrial Ethernet bewährt. Beide werden von Nutzerorganisationen begleitet. In ihnen optimieren Experten sukzessive die Ausgestaltung – zum Beispiel für die Verkabelung. Die Ergebnisse der Expertenrunden sind in einschlägigen Richtlinien dokumentiert.

Dazu gehören Klassifizierungen von Umweltzonen, Leitungsaufbauten für verschiedene Anwendungsbereiche, wie etwa feste Verlegung oder Verlegung in Schleppketten und die Angabe von Steckverbinder-Bauarten mit deren Signalbelegungen. Einige Nutzerorganisationen gehen sogar noch weiter und fordern bestimmte Tests oder Herstellererklärungen für die Komponenten.

l-Ethernet-Netzwerke Tabelle

Industrial-Ethernet-Netzwerke konzentrieren sich bei Steckverbindern und Leitungen auf wenige populäre Typen.

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. Nun aber zu den Details.

Herstellerunabhängige Definition der Komponenten

Neben unterschiedlichen Einsatzgebieten und Marktgegebenheiten haben sich einige Leitungsaufbauten und Bauarten von Steckverbindern systemübergreifend weit verbreitet.

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 und 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.

Nicht nur die Komponenten, auch die Verkabelung der Kommunikationssysteme als Gesamtsystem ist normativ dokumentiert. In den Normen IEC 61918 und IEC 61784-5-x werden sowohl generell als auch für alle Kommunikationssysteme spezifisch sämtliche 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.

Channel-Modell

Grafik Verkabelung

Im Gegensatz zur generischen Verkabelung (oben) mit ihrem Channel kommt in der Industrie das Modell des End-to-End-Links zum Einsatz (unten) (EQP = Equipment, C = Steckverbindung).

Trotz dieser Bemühungen gibt es immer Verbesserungspotenzial, um dem Anwender die Implementierung 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 kann auf die die bereits existierenden Konzepte der generischen Gebäudeverkabelung mit dem Channel-Modell zurückgegriffen werden. Nachteilig an diesem Konzept ist, dass die Steckverbinder am Anfang und am Ende des Channels nicht mit in die Kalkulation einbezogen werden – mit der 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 den Steckverbinder einzugehen.

In der Industrieautomation hingegen sieht die Welt anders aus: Um komplexe Strukturen mit Durchgangslöchern leicht zu überwinden, werden die Leitungen in einer Anlage 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. Das Problem: Werden 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.

Grafik Verkabelung

Moderne Anwendungen haben Teilnehmer mit Datenraten im Gigabit-Bereich, die in moderne Automatisierungsnetzwerke integriert werden.

Internationale Normungsorganisationen und Nutzerorganisationen arbeiten an der Lösung. Hierzu soll als Erweiterung des Channels ein sogenannter End-to-End-Link definiert werden, der die Steckverbindungen mit berücksichtigt. Nach der Entwicklung und erfolgreichen Verifizierung eines mathematischen Modells können dann die Normen zur Feldbus-Verkabelung (IEC 61918) und zur Messtechnik entsprechend erweitert werden. Hersteller von Feldmessgeräten werden dann den Modus End-to-End-Link 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.

Auch in der Faseroptik gibt es genügend Einsatzfälle für vorkonfektionierte Leitungen. Hier ist das Konzept auch außerhalb von Schaltschränken attraktiv. Die Konfektionierung der Steckverbinder im Feld wird von den Anwendern kritisch gesehen und vorkonfektionierte Leitungen sind beliebter. Bislang gab es aber keinerlei Definition der industriellen Eignung von Patch-Leitungen aus Faseroptik. Mit einer IEC-Norm wurde nun erstmals eine Reihe von Tests definiert, die Komponenten im Industrieumfeld bestehen müssen. Und damit werden nicht nur industrielle Faseroptik-Steckverbinder getestet.

Integration der Netzwerke

Leistungssteigerungen und Maßnahmen zur Qualitätssicherung stellen immer neue Anforderungen an automatisierungstechnische Kommunikationsnetzwerke. Wo heute Feldbusse und Ethernet-Netzwerke mit 100 MBit/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 1 GBit/s oder mehr übertragen werden kann.

Im Gegensatz zur Verkabelung mit zwei Paaren, die für 100 MBit/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. Der M12-Steckverbinder hingegen, der in vielen Industrial-Ethernet-Netzwerken eingesetzt wird, ist mit vier Polen und D-Codierung 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 10 GBit/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 dann 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 dann ohne Systembruch in die Automationslösung integriert. So können die Vorteile beider Welten letztlich optimal genutzt werden – mit dem Ziel, die Performance der Anlage weiter zu steigern.

Autor: Dipl.-Wirt.-Ing. Bernd Horrmeyer, Phoenix Contact, www.phoenixcontact.de