Installation von Profinet-Netzwerken
Bis an die Maschine
Keine Frage - die Ethernet-basierende Kommunikation wird in der Automatisierungstechnik große Verbreitung finden. Ziel der PNO (Profibus Nutzerorganisation) ist es dabei, dass sich die Planung, Installation, Inbetriebnahme sowie Wartung von Profinet-Netzwerken so einfach wie bei der klassischen Feldbustechnik gestaltet. Für eine optimale Anpassung an die Bedürfnisse des Anwenders unterstützen die Systeme die Datenübertragung mit Kupferleitungen, Lichtwellenleitern sowie verschiedenen Kabeln und Steckverbindern. Alle Möglichkeiten und Komponenten sind in der Profinet-Installationsrichtlinie der PNO beschrieben.
Bezüglich der Topologie des Netzwerks liegt eine Orientierung an der strukturierten Installation
nahe, die aus der Gebäudeins-tallation stammt. Allerdings ist die Situation in der Industrie
variantenreicher, sodass eine differenzierte Betrachtung erforderlich ist. Die strukturierte
Gebäudeverkabelung definiert die zulässige Länge zwischen zwei aktiven Geräten (Channel),
beispielsweise Switch und Steuerung, im Zusammenhang mit Anforderungen an die Komponenten
(Category), Längen- und Querschnittsrestriktionen der fest installierten (Link) und der flexiblen
(Cord) Kabel sowie der Anzahl der verwendeten Steckverbinder (Bild 2, Kasten 1).
Für wiederkehrende, sich ähnelnde Situationen, wie sie im Büroumfeld auftreten, ist dieses
Modell gut geeignet. Es erleichtert Planern und Installateuren die Arbeit und sorgt durch den hohen
Standardisierungsgrad für kostengünstige Komponenten am Markt. Wollte man das Modell der
strukturierten Gebäudeverkabelung auf die vielfältigen Situationen in der industriellen
Kommunikation anwenden, hätte dies einen hohen Planungsaufwand sowie eine große Fehleranfälligkeit
zur Folge. Aus diesem Grund hat die PNO ein Installationsmodell entwickelt, mit dem der Anwender
sein Netzwerk über einfache Regeln und ohne Berechnungen errichten kann.
Profinet-Netzwerk
Bei Profinet ist die kupferbasierte Datenübertragung so ausgelegt, dass mit einem einheitlichen
Kabeltyp stets eine Channel-Länge von 100 m realisiert werden kann. Im Channel sind maximal sechs
Steckverbinder erlaubt. Ein beliebiger Mix von starren (Typ A), flexiblen (Typ B) oder auch
schleppkettentauglichen (Typ C) Kabeln ist denkbar. Ferner kann der Techniker Steckverbinder,
Wanddurchgänge, Kupplungen und Installationsdosen einfügen, solange die Gesamtzahl von sechs
Steckstellen nicht überschritten wird (Kasten 2). Dies ist durch die Verwendung eines
Aderquerschnitts von AWG 22 möglich, der oberhalb der Querschnitte von AWG 26 oder AWG 24 liegt,
die üblicherweise bei der strukturierten Gebäudeverkabelung zum Einsatz kommen.
Viele kommerzielle RJ45-Steckverbinder lassen sich nicht mit AWG22-Adern konfektionieren. Daher
muss der Anwender darauf achten, dass die Komponenten für Profinet geeignet sind. Von besonderem
Vorteil sind dabei solche Steckverbinder, die zudem mit einer Schnellanschlusstechnik ausgestattet
sind, sodass sie sich ohne Spezialwerkzeug konfektionieren lassen (Bild 3).
Bei den optischen Kanälen verhält es sich ähnlich. Die in industriellen Anwendungen eingesetzten
Fasertypen 1mm-Polymer (POF), Polymer-Cladded-Silica (PCS, oft auch als HCS bezeichnet),
Glasfaser-Multimode (GOF-MM) sowie Glasfaser-Singlemode (GOF-SM) sind alle für Profinet-Netzwerke
geeignet. Deren optische und mechanische Parameter passen zu den für Profinet definierten
Transceiver-Spezifikationen und Steckverbindern. Folglich kann der Anwender davon ausgehen, dass er
eine sicher arbeitende Datenübertragungsstrecke errichtet, solange er Profinet-geeignete
Komponenten einsetzt und die Längenrestriktionen beachtet (Kasten 3).
Darüber hinaus sind keine Berechnungen erforderlich. Ebenso ist die optische Schnittstelle in
ihren optoelektronischen Eigenschaften und den Diagnosemechanismen standardisiert. Die PNO hat sich
für den SCRJ-Steckverbinder entschieden, da er sich für alle Fasertypen verwenden lässt. Seine
kompakte und robuste Bauweise eignet sich insbesondere für die populäre POF-Faser, da der
Ferrulendurchmesser von 2,5 mm die Faser bequem aufnehmen kann. Bei der Inbetriebnahme und Diagnose
sind seine Kompatibilität zum weit verbreiteten SC sowie die Verfügbarkeit von
Schnellanschlusstechniken für alle Fasertypen von Vorteil.
Steckverbinderkonzept
Für den Einsatz in rauer Umgebung stehen zwei Steckverbinderkonzepte in Schutzart IP67 zur
Verfügung. Zum einen der vierpolige M12 mit D-Codierung für die elektrische Datenübertragung, der
sich aufgrund seiner Kompaktheit vor allem für das maschinennahe Umfeld eignet. Für diesen
Steckverbinder stehen sowohl vorkonfektionierte Leitungen als auch Schnellanschlussmöglichkeiten
für die Vor-Ort-Konfektionierung zur Verfügung.
Zum zweiten gibt es ein neues Push-Pull-Steckverbindersystem in Schutzart IP67, das
gleichermaßen für die Übertragung von optischen und elektrischen Signalen zum Einsatz kommen kann
(Bild 4). Genau wie im Bereich der Schutzart IP20 wird dabei als elektrisches Interface der RJ45
und als optisches Interface der SCRJ verwendet. Folglich sind die neuen Push-Pull-Steckverbinder
kompatibel zur Lösung in Schutzart IP20 und ermöglichen ein durchgängiges Installationssystem.
Darüber hinaus gehört zu diesem System ein Steckverbinder für die Anbindung der Energieversorgung
für zwei Stromkreise, der auf einem fünfpoligen Combicon-Gerätesteckverbinder basiert. Er hat zwar
im Vergleich zu den Signalsteckverbindern eine etwas vergrößerte Bauform, verfügt aber darüber
hinaus über die gleichen Eigenschaften wie alle Steckverbinder des Push-Pull-Systems. Ein Y-Stück
erlaubt zudem den Aufbau von Linienstrukturen. Damit ist ein "heißer" Gerätetausch – also ein
Wechsel im laufenden Betrieb – ohne Unterbrechung der Stromversorgung möglich.
Diese Konzeption der passiven Netzwerktechnik ermöglicht dem Endkunden eine vereinfachte
Installation und Planung. Ferner hat sie auch für den Hersteller von Profinet-Geräten einen
entscheidenden Vorteil: Mechanische Konstruktionen von Gerätegehäusen bis hin zu
Leiterplattendesigns bleiben unbeeinflusst von der späteren Entscheidung Signale optisch oder
kupferbasiert zu übertragen.
Neben der PNO hat die Automatisierungsinitiative Deutscher Automobilhersteller (AIDA) die
Push-Pull-Steckverbinder in ihre Richtlinien aufgenommen. Damit ist sichergestellt, dass sich
künftig Profinet-gesteuerte Automobilfertigungsanlagen einheitlich und durchgängig aufbauen lassen.
Dabei soll bevorzugt die Linienstruktur für die Datenübertragung und Energieversorgung zum Einsatz
kommen (Bild 5).
Fazit
Ob im Umfeld des Schaltschranks in Schutzart IP20, im Feld unter Anforderungen der Schutzart
IP67, in Kupfer- oder Lichtwellenleitertechnik – für die Anwendungssituationen gibt es mit Profinet
eine durchgängige und einfach zu planende Lösung. Der Einsatz des Push-Pull-Steckverbindersystems
unterstützt diese Eigenschaft.
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