Industrial Ethernet richtig verkabeln

Mit zunehmender Dezentralisierung der Automation wächst der Kommunikations-bedarf zwischen den Geräten, die sich immer mehr im rauen Feld befinden. Dafür steht Industrial Ethernet im Fokus. Phoenix Contact sagt, was Leitungen und Steckverbinder können müssen.

Am Anfang der Überlegungen steht die Frage, welches Medium und welche Übertragungsgeschwindigkeit sich für Ethernet eignen. Die Signallaufzeit auf elektrischen Leitungen in Kombination mit den Antwortzeit-Anforderungen des Ethernet-Protokolls limitieren die elektrische Übertragung auf 100 m – wogegen optische Übertragungen bis in den Kilometer-Bereich möglich sind. Eine Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Mbit/s benötigt vier Adern, und Geschwindigkeiten von 1 oder 10 Gigabit/s sogar acht.

Außerdem kommt es darauf an, ob die Verkabelung generisch oder systemspezifisch erfolgen soll. Die generische Verkabelung nach IEC 24702, die für den Industriebereich entwickelt wurde und die auf der IEC 11801 basiert, unterstützt eine Vielzahl von Applikationen und wurde daher nicht für Ethernet optimiert. Diese Verkabelung ist immer 8-adrig ausgeführt. Bei den Automatisierungssystemen – etwa bei Profinet – kommt hingegen eine Lösung zum Einsatz, die im Falle eines typischen 100 Mbit/s-Systemes meist nur 4-adrig ausgeführt ist. Neben der Aderzahl bestimmt die übertragungstechnische Güte gemäß den Kategorien nach IEC 11801 auch noch die Eignung für eine bestimmte Übertragungsrate. Weil die industrielle Kommunikation häufig unter rauen Einsatzbedingungen erfolgt, muss der Anwender neben den übertragungstechnischen Eigenschaften auch die Umgebungsbedingungen bei der Komponentenauswahl beachten. Eine systematische Beschreibung der Umweltbedingungen erfolgt mit dem MICE-Modell nach IEC TR 29106 – für die Belastungen Mechanik, Fremdstoffe, Klima und EMV sowie den Schärfegraden 1, 2 und 3 für Büro, leichter und schwerer Industriebereich. Feldbus-Organisationen haben hingegen oft eigene Definitionen, etwa für inner- und außerhalb des Schaltschranks.

Spannungen können höher sein als Nutzsignal

Auch die EMV-Belastung mit ihren induzierten Spannungen auf den Leitungen ist häufig ein wichtiger Aspekt im Industriebereich. Die Spannungen können um ein Vielfaches höher sein als das Nutzsignal, und die Empfangselektronik kann die Signale dann nicht mehr korrekt identifizieren. Um diesem Problem Herr zu werden, gibt es vier unterschiedliche Ansätze: symmetrische Signalübertragung, Verdrillung der Adern, Schirmung der Adern und Abstand zur Störquelle.

Diese Zusammenhänge spielen auch bei der Konstruktion von Ethernet-Leitungen für die strukturierte Gebäudeverkabelung eine Rolle – allerdings werden diese Leitungen den Anforderungen im industriellen Umfeld oft nicht gerecht. So übersteigen die EMV-Einflüsse häufig die normativ festgelegten Werte für den Gebäudebereich. Und auch die mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen werden durch die Klasse MICE3 nicht hinreichend berücksichtigt.

Piktogramme erleichtern den Einsatz

Aus diesem Grund bietet Phoenix Contact speziell für unterschiedliche Einsatzbereiche optimierte Leitungen an. Mit einem System aus Piktogrammen erfährt der Anwender auf einfache Art, welcher Leitungstyp sich für seine Applikation eignet. Das umständliche und zeitraubende Studieren der Datenblätter entfällt. Wichtige Parameter sind in diesem Zusammenhang etwa die Ölbeständigkeit in der Umgebung von Maschinen, die Schleppketteneignung oder Torsionsbeständigkeit bei bewegten Anwendungen sowie Schweißspritzer-Resistenz und UV-Beständigkeit in der Nähe von Schweißanlagen. Verantwortlich für diese Beständigkeiten ist neben der Auswahl geeigneter Mantelmaterialien der innere Aufbau der Leitung, um Bewegungen tolerieren zu können.

Bei all diesen Leitungen steht zudem die EMV-Resistenz durch eine hochwertige Schirmung, die leichte Konfektionierbarkeit im Feld sowie die Überragung der geforderten Übertragungseigenschaften im Vordergrund. Mit dem Schnellanschluss-System Quickon ermöglicht Phoenix Contact eine werkzeuglose Konfektionierung von Datensteckverbindern, die optimal auf Datenleitungen abgestimmt ist.

Wo elektrische Verbindungen nachteilig sind, kommt die optische Übertragung zum Zug. Im Gegensatz zum Büroumfeld mit seiner Dominanz der Glasfaser werden im Industrieumfeld – je nach Streckenlänge – verschiedene Fasertypen eingesetzt, deren deutlichster Unterschied der Durchmesser des Licht führenden Faserkerns ist. Hierdurch werden Präzisionsanspruch und Installationsaufwand entscheidend beeinflusst. Die industrielle Eignung wird genauso mit den Piktogrammen dargestellt, da LWL-Leitungen den gleichen Umwelteinflüssen unterworfen sind wie elektrische Leitungen. Auch hier ist die Möglichkeit einer schnellen und komfortablen Konfektionierung im Feld oft von Vorteil. Daher bietet Phoenix Contact für jeden Fasertyp eine entsprechende Schnellanschlusstechnik an. Beispielsweise sind bei der POF-Faser lediglich das Schneiden der Faser sowie die Fixierung in einer Schnellspannhülse erforderlich.

Symmetrische und asymmetrischen Übertragung

Bei der asymmetrischen Übertragung wird das Signal auf nur einer Ader übertragen - die Systemmasse dient als Bezugspotential. Einstreuungen auf die Signalader wirken sich somit direkt als Potentialunterschied im Nutzsignal beim Empfänger aus. Dagegen wird das Signal bei der symmetrischen Übertragung vom Sender mit gegensätzlicher Polarität auf zwei Adern übertragen. Das Nutzsignal wird durch die Differenzbildung im Empfänger gebildet. Störungen erfolgen durch die Symmetrie gleichsinnig auf beide Adern, sodass sie sich am Empfänger gegenseitig aufheben. Trifft ein elektromagnetisches Feld senkrecht zu einem Hin- und Rückleiter auf, so wird zwischen diesen Leitern eine Spannung U1 induziert. Wird die Richtung des Feldes umgekehrt, so ändert sich auch die Polarität der Spannung zu –U1. Dies kann man auch dadurch erreichen, dass sich bei gleichbleibender Feldrichtung die Anordnung des Hin- und Rückleiters umkehren. Vollzieht man diesen Wechsel der Anordnung stetig weiter, addieren sich die induzierten Spannungen U1 und –U1 zu Null – die Störspannung ist ausgelöscht.

Sternvierer oder ‚Quad’

In der Praxis wird dies durch das Verdrillen des Hin- und Rückleiters zu einem Paar, dem sogenannten ‚Twisted Pair’, erreicht. Werden zwei Hin- und Rückleiter jeweils gegenüber und die Paare um 90° gedreht zueinander angeordnet, spricht man vom Sternvierer oder Quad. Durch das Drehen der Anordnung um die eigene Achse wird bei kompakter Bauweise eine gute Dämpfung der elektromagnetischen Spannungen erreicht. Aufgrund von Fertigungstoleranzen ist die komplette Auslöschung der Störspannung jedoch in der Praxis nicht möglich.

Eine weitere Möglichkeit, Störspannungen zu unterdrücken, ist die Schirmung der Leitungskonstruktion. Dabei werden die Signaladern von einem Metallgeflecht und einer metallisierten Folie umgeben (Screened Unshielded Twisted Pair, SF/UTP), sodass Felder nicht zu den Signaladern vordringen können und somit auch keine Störspannung induzieren können. Neben der Abschirmung externer Felder durch einen gemeinsamen Schirm über alle Adern wird bei immer kleiner werdenden Signalspannungs-Abständen die Schirmung der Adernpaare untereinander (Screened Foiled Twisted Pair, S/FTP) immer wichtiger. Wichtig ist bei der Schirmung die beidseitige gute Verbindung des Schirms mit dem Potential-Ausgleichssystem, da sonst vagabundierende Spannungen auf dem Schirm entstehen, die wiederum die Signale stören. Potentialdifferenzen zwischen den Anschlusspunkten können Ausgleichsströme auf dem Schirm erzeugen, die wiederum Störspannungen auf die Signaladern und eine Zerstörung der Leitung zur Folge haben können. Die Qualität des Potential-Ausgleichssystems hat somit erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Netzwerks. Besteht kein ordnungsgemäßes Potential-Ausgleichssystem, sind optische Verbindungen zu wählen – wie etwa zwischen Gebäuden.

Die magnetische Feldstärke um ein Leiterpaar nimmt mit dem Quadrat des Abstandes ab. Konsequenterweise werden daher Leitungen, die höhere Ströme führen, von Leitungen zur Datenübertragung entfernt gehalten. In der EN 50174 sind hierfür entsprechende Werte enthalten, die sorgsam beachtet werden sollten.

Fazit: einfachere Planung

Ob elektrisch oder optisch – mit den notwendigen Basisüberlegungen und den richtigen Leitungen lassen sich industrielle Kommunikationssysteme erfolgreich in der Automation einsetzen. Piktogramme zur Komponentenauswahl sowie Lösungen für die schnelle Installation im Feld erleichtern Planung und Installation erheblich.W

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