Die Vorteile der strukturierten Verkabelung nach ISO/IEC 24702
Durchgängig effizient
Eine durchgängige und strukturierte Verkabelung für alle Datennetze eines Unternehmens vereinheitlicht und vereinfacht den Betrieb und die Administration eines Netzes erheblich. Noch effizienter wird es, wenn auch das zugehörige Verkabelungssystem modular aufgebaut ist und sich bis in die Fertigungszelle hinein nutzen lässt. Ethernet ist heute echtzeitfähig und ermöglicht selbst in profilspezifischen Netzsegmenten wie einer Automatisierungsinsel Datenraten bis 1 GBit/s. Zudem lassen sich die Netze gewerkeübergreifend betreiben und verwalten.Mit IP und Ethernet gelangte die Unternehmens-IT in die Fertigungsnetze der Unternehmen. Viele Bussysteme sind heute in Ethernet-basierende Systeme überführt, um leistungsfähigere Anlagen realisieren zu können. Ethernet ist heute echtzeitfähig und ermöglicht selbst in profilspezifischen Netzsegmenten wie einer Automatisierungsinsel Datenraten bis 1 GBit/s. Zudem lassen sich die Netze gewerkeübergreifend betreiben und verwalten. Das europäische Normungsgremium CENELEC definierte mit der EN 50173-3 eine "anwendungsneutrale Kommunikationskabelanlage für industriell genutzte Gebäude". Auf internationaler Ebene entspricht diese Norm der ISO/IEC 24702. Diese anwendungsneutrale Infrastruktur bezieht sich vor allem auf die Verkabelung zwischen den Fertigungsanlagen (Automation Islands). Für die Verkabelung der Anlagen und Maschinen sind dann die Normreihe IEC 61918 sowie IEC 61784-1/2 für Feldbusse beziehungsweise industriespezifische IP-Varianten zuständig. Doch zumindest bis zur Anlage hat sich die anwendungsneutrale, strukturierte Verkabelung durchgesetzt. Ausschlaggebend für diese Entwicklung ist, dass Unternehmen übergreifende Datennetze effizienter betreiben können. So ist es heute selbstverständlich, dass sich Daten aus der Unternehmens-IT problemlos in eine Fertigungsanlage einspeisen lassen. Umgekehrt lassen sich auch die Daten aus der Maschine in eine Unternehmensdatenbank übertragen. Zudem kann das Fertigungsnetz bis zur Automatisierungsinsel anwendungsneutral arbeiten. Dies bedeutet, dass der Netzbetreiber wählen kann, von welchem Hersteller er seine Kabel, Stecker, Dosen und Patch-Felder bezieht und zum Beispiel in IP20-Umgebungen durchgängig Komponenten aus der Datentechnik einsetzt. Durch das Zusammenwachsen der Netze mit einer durchgängigen anwendungsneutralen Infrastruktur ist es möglich, mit nur einer Netzwerkabteilung die Datenverkabelung in Rechenzentrum, Büro und Fertigungshalle zu planen, aufzubauen, zu betreiben und zu verwalten. Dabei sind jedoch die jeweils gewerkespezifische Anforderungen zu berücksichtigen. Spezielle Industrieanforderungen Beim Fertigungsnetz sind dies meist Anpassungen an die Umgebungsbedingungen. So müssen Steckverbinder direkt an und in den Anlagen oder Maschinen oft staubdicht und gegen Strahlwasser oder zeitweiliges Untertauchen geschützt sein, also der DIN 40050 IP-Schutzart 65 oder 67 entsprechen. Im Außenbereich sollten ihnen zudem große Temperaturschwankungen nichts anhaben können. In der Nähe von Motoren sind die Komponenten in der Regel schock- und vibrationssicher ausgelegt. Abhängig von der Branche ist es entscheidend, dass die Verkabelungskomponenten ölresistent oder gasdicht sind. Deshalb ist es sinnvoll, für die Fertigungsinsel sehr unterschiedliche Steckverbinder zu spezifizieren. Am Übergang zwischen der anwendungsneutralen Verkabelung und der profilspezifischen Verkabelung einer Anlage müssen die Anschlüsse zudem den Vorgaben der jeweiligen Communication Profile Family (CPF) der IEC 61784-5-x-Feldbusspezifikation entsprechen. In den profilspezifischen Verkabelungsbereichen findet man für die Datenverbindungen neben RJ45- häufig vier- oder achtadrige M12-Verbindungen oder Push-Pull-Stecker. Die zugehörigen Steckverbinder bieten oft mehrere Einsätze für verschiedene Dienste. So sind für einen Steckverbinder zum Beispiel Einsätze für eine 400-V-Spannungsversorgung, die Signaltechnik (12, 18 oder 24 V) und das 5-V-Datensignal erhältlich. Der Installateur schließt dann die verschiedenen Leitungen an den jeweils passenden Einsatz im Steckergehäuse an. Für Gigabit Ethernet ausgelegt Eine Industrieverkabelung muss also vor allem an die jeweiligen Umgebungsbedingungen angepasst sein. Zudem benötigen manche Anwender heute bereits in ihren Fertigungsanlagen Übertragungsraten bis in den GBit/s-Bereich. Doch ab Gigabit Ethernet laufen die Daten über alle vier Adernpaare. Dann ist es ratsam, für die gesamte Übertragungsstrecke aufeinander abgestimmte Komponenten zu verwenden, um die Dämpfungsverluste an den Schnittstellen zu minimieren. Die ISO/IEC 24702 für die anwendungsneutrale Verkabelung zwischen den Anlagen definiert die Verkabelungsstrecken analog zur Datentechnik. Somit sind Verkabelungsstrecken der Übertragungsklasse D oder E erforderlich mit Komponenten, die der Kategorie 6, besser sogar der Kategorie 6A entsprechen. Die Infrastruktur basiert wie in der IT auf der Sterntopologie. Auch die Abnahmemessungen entsprechen oft denen nach Übertragungsklasse D oder E. In Kupfertechnik kann eine Übertragungsstrecke (Channel) maximal 100 Meter lang sein. Wie bei der IT-Verkabelung sind die Stecker der Patch-Kabel an den Enden der Strecke nicht mitspezifiziert. Doch selbst bei Abnahmemessungen für Gigabit-Ethernet-Strecken in Anlagen mit Profinet- oder Ethernet/IP-Verkabelung kann der Installateur mit einem Handheld-Tester arbeiten. Er betrachtet dort jedoch den für profilspezifische Verkabelungen vorgeschriebenen End-to-End-Link mit dem Gerätestecker. Profilspezifisch in der Automatisierungsinsel Denn ab der Schnittstelle zur Automatisierungsinsel muss sich der Netzbetreiber an den Richtlinien für Feldbusse orientieren. Für diesen Bereich ist die IEC 61918 für "Industrial Communication Networks" relevant. Und selbst in diesem Umfeld entstehen zunehmend strukturierte Verkabelungen. Das verwendete Feldbusprofil muss dies nur unterstützen. Profinet etwa lässt für alle Anwendungen eine Verkabelung nach Conformance Class A zu. Ethernet IP basiert sogar auf der strukturierten Verkabelung. Auch daran zeigt sich, dass die Netzwelten zusammenwachsen. Dies sind auch momentan die einzigen Feldbusprofile, die Gigabit-Ethernet-Übertragungen über acht Adern unterstützen. Die einzelnen Feldbusprofile, auch Standard Communication Profile Families (CPFs) genannt, adressieren jeweils einen bestimmten Anwendungsbereich in der Automatisierung und sind weitgehend inkompatibel zueinander. Die Profile arbeiten fast alle mit Fast Ethernet (100 MBit/s) und spezifizieren für die Datenübertragung nur eine vieradrige Verkabelung. Dazu zählt zum Beispiel Sercos III. Dieser Feldbus ist für die Steuerung von Antrieben konzipiert und für strikte Echtzeitanforderungen ausgelegt. Profinet ist das bekannteste Feldbusprofil mit der Nutzerorganisation PNO (Profinet-Nutzer-Organisation) und von Siemens dominiert. Das äußerst komplexe Profil eignet sich zur Steuerung ganzer Fertigungslinien und Fertigungsprozesse. Ethernet/IP wurde von Rockwell Automation entwickelt und ist heute ein offener Industriestandard, den die Open Device Net Vendor Association (ODVA) pflegt. Powerlink kommt aus der Verarbeitungstechnik und wurde vom österreichischen Hersteller Berneker & Reiner initiiert. Mit diesem Profil lassen sich Maschinen sowie Maschinentische steuern. Ethercat ist ein Bus für die Gebäudeautomatisierung, steuert also zum Beispiel Klima, Heizung, Lüftung und Licht in einem Gebäude. Treiber ist dabei die Firma Beckhoff. Diese Beispiele zeigen sehr anschaulich, dass jedes Profil Spezialist in einem Automatisierungsbereich ist. Abhängig von der Anwendung findet man dabei Ring-, Stern- oder Linienstrukturen. Oft bietet sich auch an dieser Stelle eine strukturierte Verkabelung an. Seit den ersten Bestrebungen nach einer strukturierten Datenverkabelung über alle Gewerke bringen Hersteller durchgängige Verkabelungssysteme auf den Markt, die sich einfach an die jeweiligen Umgebungsanforderungen anpassen lassen sollen. Die Herausforderung sind dabei die Übergangsstellen, also die Steckverbinder an den Fertigungsanlagen. Denn diese müssen sowohl der ISO/IEC 24702 (EN 50173-3) entsprechen als auch den Spezifikationen der CPF. Das heißt, das System muss viele verschiedene Steckervarianten unterstützen. Aus diesem Grund sind viele der übergreifenden Systeme nicht durchgängig, sondern heterogen. Es gibt Systeme, bei denen selbst beim RJ45 abhängig von Einsatzort und Schutzart die Adern unterschiedlich aufgelegt werden. Somit muss der Installateur stets die verschiedenen Montageanleitungen griffbereit haben. Dies sorgt lästigerweise für unnötige Fehlerquellen und längere Installationszeiten. Am effektivsten sind Systeme mit modular aufgebauten Anschlussmodulen, bei denen sich das Steckgesicht austauschen lässt. Davon bietet der Markt mittlerweile mehrere. Seit einigen Jahren etabliert sich zum Beispiel die Schneidklemmtechnik Prelink vom Automatisierungsspezialisten Harting und Easylan, einem Spezialisten für IT-Anschlusstechnik. Bei diesem System wird auf das Kabelende ein Kunststoffblock (Prelink-Abschluss) als Abschluss gecrimpt, der die Adern sicher in ihrer Position fixiert. Es gibt ihn für achtadrige Installations- und flexible Leitungen sowie für Stern-Vierer-Kabel. Der Installateur steckt über diesen Abschluss das Anschlussmodul seiner Wahl und klappt es zu. Dieser Vorgang bleibt immer der gleiche, gleichgültig, welches Steckgesicht mit welcher Schutzart gerade nötig ist. Diese Anschlusstechnik ist besonders vibrationsstabil und gasdicht ausgelegt und unterstützt zudem PoE+ nach IEEE 802.3at. Damit sichergestellt ist, dass sie sich für möglichst viele Industrieanwendungen eignet, ist sie nach allen relevanten Normen getestet. Sie bestand zum Beispiel die Brandtests nach DIN 5510/EN 45545. Zudem wurde eine Bahnzulassung nach DIN EN 50155 angestrebt und erteilt. Dazu musste die Prelink-Steckverbindung unter anderem besondere Schock- und Vibrationstests bestehen. Der achtadrige Prelink-RJ45-Steckverbinder entspricht der Kategorie 6A. Es ist aber auch eine Kategorie-5-Variante für Stern-Vierer-Verkabelungen verfügbar. Das System bietet verschiedene RJ45-, M12- sowie RJ45-Push-Pull-Varianten bis IP67. Eine M12-Variante ermöglicht sogar den Übergang von einer Stern-Vierer-Verkabelung auf eine achtadrige Datenleitung. Auch Industrieadapter für Industriestecker nach IEC 61076-3-106, Variante 4, oder für Wanddurchführungen nach IEC 61 076-3-117, Variante 14, sind verfügbar.
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