Miniaturisierung als Trend
M8-Stecker für die Industrie
Einer der Trends in der Automatisierungs-technik ist die Verringerung des Platzbedarfs. Davor macht auch die dezentrale Verkabelung von Kommunikationssystemen nicht halt. Der für thernet geeignete Rundsteckverbinder M8 eröffnet der Miniaturisierung neue Möglichkeiten - beim Gerätedesign sowie bei der Verkabelung von Maschinen und Anlagen.Rundsteckverbinder der Bauform M8 sind seit vielen Jahren fester Bestandteil der Sen-sor-Aktor-Verkabelung. Neben ihrer kompakten und robusten Bauweise bieten sie weitere Vorteile: Sie sind tauglich für die Schutzart IP 65/67. Es gib sie in verschiedenen Bauformen für unterschiedliche Umweltbedingungen und Einbausituationen. Außerdem existieren vielfältige Anschlusstechniken zur Konfektionierung im Feld, zudem gibt es vorkonfektionierte Lösungen.
Viele Anwender wollen diese Steckverbinder daher auch für die Ethernet-basierende Kommunikation in der dezentralen Automation einsetzen - wie ihre größeren Pendants, die M12-Steckverbinder. Steckverbinder müssen sich aus technischer Sicht für die Ethernet-Übertragung eignen - dies ist neben den Festlegungen zur Kompatibilität durch Normen und Nutzerverbände eines der wichtigsten Kriterien. Der Aufbau einer Kommunikationsstrecke gemäß den Standards der anwendungsneutralen Verkabelung nach ISO/IEC 11801 für den Büro- und ISO/IEC 24702 für den Industriebereich ist heute die Basis für die Auslegung von Ethernet-Übertragungsstrecken.
Profinet stellt hohe Ansprüche
Die jeweils von einer Nutzerorganisation wie der PNO (Profibus-Nutzerorganisation) oder der ODVA (Open Device Net Vendor Association) unterstützten Ausführungen von Industrial Ethernet sind bezüglich der Verkabelungstechnik so aufgebaut, dass sich mit den von ihnen definierten Komponenten und Auslegungsregeln stets ein Channel aufbauen lässt. Dazu müssen die Komponenten eine definierte Übertragungsqualität sowie Aufbauregeln einhalten, die den Normen der anwendungsneutralen Verkabelung entlehnt sind.
Darüber hinaus stellen einige Systeme, wie etwa Profinet, bei der Definition der verwendeten Leitungen höhere Ansprüche an das Dämpfungsverhalten und an die Schirmqualität. So soll deren Nutzung im industriellen Umfeld auch bei höheren Temperaturen und EMV-Einflüssen als denen, die die ISO/IEC 11801 vorsieht, ohne aufwändige Berechnungen möglich sein. Außerdem werden dadurch teilweise die Restriktionen der Referenz-Implementierung überwunden, und der Anwender kann seinen Channel bequem und ohne Unterscheidung zwischen Cords und Horizontalverkabelung aufbauen.
Die Modelle sind darauf angelegt, die seitens der IEEE 802.3 geforderten Eigenschaften für die Übertragung von beispielsweise 100Base-T mit unterschiedlichen Leitungstypen, Längenabschnitten und Steckverbindungen im Channel zu ermöglichen. Ethernet ist jedoch auch anders übertragbar. Solange die in IEEE 802.3 definierten Grenzwerte eingehalten werden, ist die Übertragung sicher.
Mit diesem Ansatz ist es möglich, auch von den oben aufgeführten Standards abweichende Komponenten einzusetzen und damit die Grenzwerte des Channels einzuhalten. Damit wird eine sichere Datenübertragung nach den Anforderungen der IEEE 802.3 möglich. Voraussetzung dazu ist lediglich die sorgfältige Auswahl und Qualifizierung der für diese Channel eingesetzten Komponenten sowie des Gesamtsystems.
Im Gegensatz zum Büroumfeld mit seinen zentralen Switches, von denen die Verkabelung sternförmig zu den einzelnen Arbeitsplätzen führt, arbeitet das Industrieumfeld oft mit einer Linientopologie, bei der die einzelnen Teilnehmer untereinander verbunden sind. Eine Vielzahl von Channels im Maschinen- und Anlagenumfeld benötigen daher nicht die mögliche Streckenlänge von 100 m, sondern nur eine deutlich kürzere Strecke von Gerät zu Gerät. Außerdem sind Steckverbindungen innerhalb des Channels in diesem Fall meist nicht erforderlich, da die Geräte direkt mit einer Leitung untereinander verbunden sind (Bild 1).
Mit einem Produktprogramm von M8-Steckverbindern und konfektionierten Leitungen für die Übertragung von Industrial Ethernet bieten Hersteller wie Phoenix Contact zahlreiche Lösungen für derartige Applikationen. Die Ethernet-Signaladern sind im normierten Steckgesicht so angeordnet, dass in der Zusammenschaltung mit einem industrieüblichen Leitungsaufbau die Channel-Grenzwerte nach Class D für die Übertragung von 100Base-T eingehalten sind. Die Anforderungen der IEEE 802.3 an die Übertragung von Ethernet hält dieser Ansatz sicher ein (Bild 2).
Eine wichtige Rolle spielt auch der für den Einsatz im Industriebereich notwendige robuste Aufbau mit einer allseitigen Abschirmung und Schirmkontaktierung der Leitung. Dies minimiert EMV-Einflüsse benachbarter Geräte wie etwa Frequenzumrichter. Damit Schadgase nicht zu Korrosionserscheinungen an Kontakten führen, haben diese eine hochwertige vergoldete Oberfläche. So lässt sich ein schleichender Alterungsprozess mit erhöhten Übergangswiderständen vermeiden, der zu einem Ausfall der Verbindung führen kann. Wenn Patch-Leitungen aus dem Office-Umfeld im industriellen Bereich zum Einsatz kommen, ist dies häufig zu beobachten. Mit einer Leitungsausführung für die flexible Verlegung und einer Ausführung für die dauerbewegte Verlegung in Schleppketten lassen sich nahezu alle Anwendungen in diesem Bereich abdecken. Neben der vorteilhaften Anordnung der Signale im Steckverbinder und deren prozessüberwachter Konfektionierung trägt der Leitungsaufbau wesentlich zur Qualität der konfektionierten Leitungen bei. Mit einem Aufbau als Sternvierer im Querschnitt AWG 22 sind die notwendigen übertragungstechnischen Parameter deutlich übertroffen. Auf diese Weise ergibt sich eine hohe industrielle Robustheit, wie etwa eine erhöhte Querdruckfestigkeit und Temperaturbeständigkeit.
Außerdem ist das Dämpfungs-Budget der Leitung so hoch, dass der Anwender bis zur maximalen Länge von 60 m keine Berechnung zum Temperatur-Derating im Bereich von -20 °C bis 70 °C durchführen muss. Die Planung vereinfacht sich also deutlich. Hinzu kommt noch eine aufwändige Schirmung der Steckverbinder und der Leitung. Mit einer Kopplungsdämpfung von 80 dB erreichen die konfektionierten Leitungen die Trennklasse "d" nach EN 70174, wodurch eine abstandsfreie Verlegung zu Energieleitungen möglich ist.
Fazit
Platzsparende Verkabelungen im Maschinen- und Anlagenbau sind mit intelligenten Lösungen auf der Basis des M8-Steckverbinders auf einfache Weise möglich. Konfigurationen, die zum einen die Anforderungen der Übertragungstechnik einhalten und die zum anderen durch das Modell der Referenzimplementierung den notwendigen Ballast an Modularität über Bord werfen, schaffen dabei neue Möglich-keiten.
Eine durchdachte Industrietauglichkeit erhöht diesen Effekt - und sorgt zudem für den zuverlässigen Betrieb unter schwierigen Einsatzbedingungen.
Probleme im Feld vermeiden
Ist ein industrielles Kommunikationssystem richtig verkabelt, kann es auf lange Sicht zuverlässig und wirtschaftlich arbeiten. Beachtet man die oft extremen Umweltbedingungen, sind viele typische Probleme vermeidbar. Wichtig ist es auch, die auftretenden Belastungen bei der Planung zu berücksichtigen und geeignete Komponenten zu spezifizieren. Zur systematischen Beschreibung der Umweltbedingungen dient das MICE-Konzept nach IEC TR 29106. Die typischen Belastungen aus den Bereichen Mechanik, Fremdstoffe, Klima und EMV sind mit den Schärfegraden 1, 2 und 3 versehen. Damit kann der Planer die Umweltbelastungen für den geplanten Einsatzbereich und die dafür geeigneten Komponenten definieren. In einer Umwelt nach M3I2C3E2 kann also beispielsweise eine Komponente nach M3I3C3E3 arbeiten.
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