Ethernet in Industrieanwendungen Die richtige Leitung und der passende Steckverbinder

Leitungen und Steckverbinder sind die Nervenstränge einer industriellen Anlage. Um Produktionsausfälle zu verhindern, müssen die Anschlusskomponenten optimal aufeinander und die Anwendung abgestimmt sein. Mit dem Profinet-Guide „Cabling and Interconnection Technologie“ wurde ein Rahmen geschaffen, mit dem der Anwender für jede Applikation die richtige Leitung und Anschlusstechnik finden und somit ein zuverlässiges Profinet-System aufbauen kann.

Anbieter zum Thema

ACTRON AG

SAB Bröckskes GmbH & Co KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Siemens Business Services

Siemens AG

Die elektrischen Übertragungsparameter für die bei Ethernet eingesetzten Kupferleitungen und Steckverbinder sind seit langem in nationalen und internationalen Standards festgeschrieben (EN 50173, ISO IEC 11801, EN60603-7-1) und im Bürobereich auf breiter Basis etabliert. Diese Standards sind auch Grundlage für Applikationen im Automatisierungsumfeld. Die Anforderungen an Leitungen und Anschlusstechnik sind hier aber deutlich härter – insbesondere hinsichtlich mechanischer und chemischer Belastung sowie Störstrahlung.

Beim Aufbau von industriellen Ethernetnetzwerken wird weitestgehend auf Patchtechnik verzichtet, da die Verkabelung anwendungsbezogen installiert wird und es quasi keine Änderungen im Maschinenpark aufgrund von Umzügen gibt. Die Geräte werden direkt miteinander verbunden, um unnötige Steckstellen zu vermeiden.

Hinsichtlich der elektrischen Leistungsfähigkeit entsprechen diese Leitungen und Anschlusskomponenten den Anforderungen an Komponenten aus der permanenten Büroverkabelung (überbrückbare Distanz max. 100 m, AWG 22) – dazu kommen einige Ergänzungen: Um die elektrischen Parameter für die Ethernetübertragung in der Industrie zu erfüllen, müssen spezielle Kabelaufbauten realisiert und Werkstoffe eingesetzt werden. Diese Anforderungen gelten auch für Anschlusskomponenten wie Steckverbinder und Schaltschrankdurchführungen.

Eine entsprechende Beschreibung dieser Komponenten für die industrielle Netzinstallation bietet der Profinet-Guide „Cabling and Interconnection Technology“ mit seinem Komponentenansatz, der auf den internationalen Verkabelungsnormen IEC61918 und IEC61784-5-3 basiert. Hier werden auch Richtwerte für die mechanischen Anforderungen an eine industrietaugliche Profinet-Leitung und an die empfohlenen Steckverbinder gegeben.

Die Applikation bestimmt Steckverbinder und Kabel

Welcher Steckverbinder, bzw. welche Leitung nun die richtige ist, kann nur anhand der Applikation bestimmt werden. Die Profinet-Guideline gibt hier lediglich einen Rahmen vor, um die sichere und gute Kombination der beschriebenen Komponenten zu gewährleisten.

Was die Leitungen und die Anschlusstechnik für den Industriebereich somit von den Leitungen und Steckverbinder aus dem Bürobereich deutlich unterscheidet, sind die Anforderungen an die mechanische und chemische Belastbarkeit sowie die Montagefreundlichkeit.

Die Umgebungen, in denen die Komponenten eingesetzt werden sollen, sind je nach Applikation sehr unterschiedlich und werden von dieser auch definiert. Jeder Anwender muss daher vor der Installation genau analysieren, in welchem Einsatzumfeld die Leitung und der Steckverbinder zukünftig eingesetzt werden sollen. Denn hiernach richtet sich die Auswahl des geeigneten Leitungstyps oder die Schutzart des Steckverbinders, um einen störungsfreien und vor allem einen nachhaltigen Betrieb des industriellen Datennetzes zu gewährleisten.

Leitungen für industrielle Netzwerke

Als Allround-Werkstoff hat sich für Leitungen mit starren oder flexiblen Adern in Standardapplikationen PVC (Polyvinylchlorid) herauskristallisiert. Dieser Mantelwerkstoff zeichnet sich durch seine guten mechanischen Eigenschaften und seine chemische Beständigkeit aus. Durch den Zusatz von UV-Stabilisatoren kann der Werkstoff auch für Leitungsmäntel zum freien Verlegen im Außenbereich (z.B. Kabelpritsche) genutzt werden.

Nicht nur im Außenbereich, sondern auch in Applikationen der Nahrungs- und Genussmittelindustrie kann die Resistenz der Leitung gegen Wasser ein wichtiger Punkt sein. Für diesen Einsatzfall hat sich PE (Polyethylen) bewährt. Dieser Mantelwerkstoff hat gegenüber den anderen Kunststoffen eine bessere Resistenz gegen dauerhaft auf die Leitung einwirkende Feuchtigkeit, wie dies bei Leitungen, die z.B. direkt im Erdreich verlegt werden, auftreten kann.

Neben dem Verhalten einer Leitung gegenüber Wasser kann auch das Verhalten eines Mantelwerkstoffs bei Feuer ein wichtiges Auswahlkriterium sein. Für diesen Einsatzfall werden bei den Mantelwerkstoffen sogenannte FRNC Werkstoffe eingesetzt (Flame Retardant Non Corrosive). Die Materialien sind meist selbstverlöschend und erzeugen im Brandfall keine aggressiven Gase. Durch Vermeiden dieser Gase lassen sich die oftmals größeren Sekundärschäden verhindern.

Bewegte Applikationen

Der am häufigsten eingesetzte Mantelwerkstoff für alle bewegten Industrieapplikationen ist PUR (Polyurethan). Dieser halogenfreie Werkstoff weist eine sehr gute mechanische Belastbarkeit und chemische Beständigkeit auf (z.B. Abriebfestigkeit in Schleppketten). Seine Elastizität bleibt auch in einem großen Temperaturbereich (-20 bis 80 °C) bestehen. In Sonderapplikationen wie bei Schweißrobotern im Automobilbau kann die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schweißfunken durch Strahlenvernetzung des Werkstoffs noch erhöht werden.

Somit lässt sich erkennen, dass die Auswahl des richtigen Mantelwerkstoffs und folglich der richtigen Leitung sehr applikationsspezifisch ist.

Anschlusstechnik für industrielle Applikationen

Das gleiche gilt natürlich auch für die Anschlusstechnik. Diese richtet sich nach dem entsprechenden Anlagenkonzept. Werden bei einer Anlageinstallation alle aktiven Geräte in Schaltschränken untergebracht, kann auch die eingesetzte Anschlusstechnik dementsprechend gewählt werden. Für diese Installation sind entsprechende industrietaugliche RJ45-Stecker in Schutzart IP20 ausreichend. Aber auch hier zeigt sich ein deutlicher Unterschied zu den Steckverbindern aus dem Bürobereich. Robuste Metallgehäuse schützen die Datensignale gerade im Anschlussbereich vor Verfälschung durch elektromagnetische Einflüsse. Zusätzlich gewähren diese Metallgehäuse eine sichere Zugentlastung und Befestigung der Installationsleitung am Stecker.

Durch den Wegfall der im Bürobereich üblichen Patchtechnik (Umsetzen von Installationsleitung auf dünne Anschlussleitung) müssen diese Stecker für die dickeren Adern und Leitungsdurchmesser ausgelegt sein. Durch die im Industrieumfeld üblichen Punkt-zu-Punkt-Verbindung muss man die Stecker entsprechend an den Geräten befestigen. Zusätzliche Haltekrägen am Gerät und metallisch ausgeführte Rasthaken gewährleisten eine sichere Kontaktierung des Steckverbinders am Gerät, auch bei hohen Zug- und Vibrationsbelastungen.

Komponenten direkt an der Maschine

Anlagenkonzepte, bei denen die Vernetzungskomponenten nicht in Schaltschränken sondern direkt an der Maschine installiert werden, stellen noch höhere Anforderungen an die Anschlusskomponenten. Hier muss neben den vorab beschriebenen erhöhten mechanischen Belastungen auch ein erhöhter Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit sichergestellt werden.

Meistens sind Geräte und Anschlusstechnik in Schutzart IP65/67 ausgeführt. Die bei Profinet festgeschriebenen und zur Bürowelt kompatiblen Schnittstellen werden zum Schutz in entsprechenden Umgehäusen verpackt. Somit ist eine sichere Kontaktierung auch unter widrigen Umgebungsbedingungen möglich.

Schutzgehäuse aus unterschiedlichen Materialien und mechanische Sicherungssysteme zur sicheren Kontaktierung sind nur ein Aspekt, der einen Profinet konformen Industriesteckverbinder von einem Bürosteckverbinder unterscheidet. Wichtig für einen Industriesteckverbinder ist die einfache Montage.

Feldkonfektionierbare Steckverbinder gefragt

Bei vielen Anwendern ist der Einsatz von vorkonfektionierten Leitungen auf Grund der Anlage mit einem sehr großen Aufwand verbunden. Deshalb werden in Industrieapplikationen heute immer noch sehr viele feldkonfektionierbare Steckverbinder eingesetzt. Bei der Konfektion möchte der Anwender einen Steckverbinder nutzen, der ohne Spezialwerkzeug einfach anzuschließen ist. Steckverbinder, die aus vielen Einzelteilen bestehen, sind hier wenig hilfreich. Bei oft schlechten Lichtverhältnissen an Anlagen oder Maschinenteilen bedeutet der Verlust eines Einzelteils oft erhöhte Montagezeiten und einem erhöhten Kostenaufwand für den Anwender, der heutige nicht mehr akzeptabel ist.

*Michael Kasper arbeitet als Produktmanagen für passive Netzkomponenten und SCALANCE X-200 bei Siemens A&D in Nürnberg.

(ID:270337)