Industrielle Kommunikation Gigabit Ethernet im Automatisierungs-Netzwerk

In der Automatisierungstechnik wird für künftige Maschinen- und Anlagenkonzepte die Kommunikation über Gigabit Ethernet populär. Wir legen die Herausforderungen bei den Lösungsansätzen dar.

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In der Automatisierungstechnik wird heute zur Kommunikation der Geräte untereinander Industrial Ethernet mit großem Erfolg eingesetzt. Moderne Automatisierungslösungen wachsen über die klassischen Geräte und Steuerungen hinaus.

So werden beispielsweise Kameras zur Qualitätsinspektion, Server zur Dokumentation von Qualitätsdaten sowie Scanner zur Identifizierung von Bauteilen eingesetzt. Meist benötigen diese Geräte höhere Datenübertragungsraten. Eine weitere Aufgabenstellung ist häufig die Kommunikation der Automatisierungstechnik mit den Systemen der Fabriksteuerung und der Leittechnik zur Übermittlung der Aufträge und des Bearbeitungsstandes. Hierfür sind oftmals Datenübertragungsraten von mindestens 1 GBit/s erforderlich.

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Populäre Industrial-Ethernet-Systeme mit 100 MBit/s basieren heute auf dem Fast-Ethernet-Standard 100Base-T gemäß IEEE 802.3. Dieser beschreibt eine Vollduplex-Übertragung auf zwei Aderpaaren oder einem Sternvierer. Gigabit Ethernet nach 1000Base-T benötigt jedoch vier Aderpaare.

Für beide Übertragungsverfahren werden Komponenten mit mindestens der Qualität Cat.5 benötigt. Ethernet erlaubt bereits heute eine Datenübertragung mit 10 GBit/s nach dem Standard 10GBase-T, wofür ebenfalls vier Aderpaare – jedoch mit der Qualität
Cat.6_A – benötigt werden.

Generische oder applikationsspezifische Verkabelung

Um die industrielle Kommunikationsverkabelung nun für Gigabit Ethernet zu ertüchtigen, gibt es zwei prinzipielle Ansätze. Entweder kann man die generische Verkabelung nach ISO/IEC 24702 einsetzen, oder die applikationsspezifische Verkabelung der Feldbusorganisationen erweitern. Die für den Industriebereich entwickelte Variante der generischen Verkabelung nutzt das Modell der Referenzinstallation, das aufgrund seiner leichten Planbarkeit in der Regel in der Gebäudeinstallation verwendet wird und bis 10 GBit/s vollständig definiert ist.

Das Modell besagt, dass beim Einsatz bestimmter Komponenten sowie bei der Einhaltung von definierten Längenverhältnissen und deren Anordnung eine bestimmte Übertragungsgüte erreicht wird. Zum Beispiel erhält man mit Cat.5-Komponenten einen Class-D-Channel, der sich für die Übertragung von Fast- und Gigabit-Ethernet eignet (Bild 1). Abweichungen von diesem Modell, wie sie in der industriellen Praxis häufig auftreten, sind zwar theoretisch möglich, aber nur mühsam zu berechnen. Daher eignet sich diese Verkabelungsart lediglich für die Bereitstellung einer Basisinfrastruktur in einer Fertigungshalle – nicht aber für die Kommunikationsverkabelung innerhalb von Maschinen und Anlagen.

Mit einer erweiterten applikationsspezifischen Verkabelung lassen sich die obigen Einschränkungen aufheben. Feldbus-Organisationen erlauben auf Systemebene flexible Topologien und eine vereinfachte Auslegung der Verkabelung zwischen den aktiven Geräten mit einfachen Regeln.

Möglich wird dies durch ein durchdachtes System aufeinander abgestimmter Komponenten und Auslegungsregeln, das genau zu den übertragungstechnischen Anforderungen und Umweltbelastungen des jeweiligen Systems passt.

High-Speed-Steckverbinder

Feldkonfektion ist ein Muss

Dieses Vorgehen ist für anwendungsspezifische Netzwerke sinnvoll, da die Applikation festliegt und während der Nutzungsdauer des Systems nicht geändert wird.

Bislang galt dies für die Industrial-Ethernet-Systeme mit 100 MBit/s nach 100Base-T, die eine 2-paarige oder eine mit einem Sternvierer aufgebaute Leitung benötigen. Aktuelle Richtlinien der Feldbuskonsortien berücksichtigen jedoch zunehmend auch eine für Gigabit Ethernet geeignete Verkabelungsinfrastruktur.

Hierbei versucht man, die Vorzüge der bisherigen Verkabelungstechnik – aufeinander abgestimmte Komponenten, einfache Installation im Feld, hohe Immunität gegenüber EMV-Einflüssen – weiterhin zu unterstützen. Dazu muss man sich die Unterschiede zwischen Fast- und Gigabit Ethernet vergegenwärtigen.

Anforderungen an die Steckverbinder RJ45 und M12

Die Anzahl der Aderpaare ist offensichtlich und bedingt eine 4-paarige Leitung – statt zwei Paare oder einem Sternvierer. Theoretisch ist auch eine Leitung mit zwei Sternvierern denkbar, welche aber nicht in einem runden Außenmantel unterzubringen ist und daher ausscheidet.

Für 4-paarige Verkabelungen hat sich heute die Farbcodierung nach TIA 568 in den Varianten A oder B durchgesetzt, so dass spezifische Farbcodierungen der Konsortien hier nicht mehr notwendig sind.

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