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HARTING Automatisierungstechnik

Ethernet-Connectivity - Fit für die Industrie

Ethernet bewegt die industrielle Automatisierungstechnik und hat sich zum Synonym für Innovation entwickelt. Schlagworte wie „Vertikale Integration“, „Konvergenz der Netze“, „PC-basierte Steuerung“ oder „Homepage für jedes Feldgerät“ kennzeichnen die Diskussion. Dahinter steckt die Idee, erfolgreiche Technologien aus der Bürowelt auch für die Fabrik nutzbar zu machen. Motor dieser Innovation ist einerseits der Kostendruck und andererseits die Forderung, der Fertigung den Zugang zu weltumspannenden Netzwerken zu ermöglichen.

Konvergenz der Netze führt aber nicht automatisch zur Konvergenz der Umgebungsbedingungen! Konvergenz darf nicht einseitig sein, sie muss den Anforderungen der industriellen Automatisierung Rechnung tragen. Wirtschaftlicher Nutzen neuer Technologien stellt sich auch hier nur mit technisch passenden Lösungen ein.

Im industriellen Umfeld werden die meisten Neuentwicklungen auf Basis von Gigabit Ethernet gestartet. Die Verkabelung für Fast Ethernet basiert auf einer Kat. 6-Installation nach DIN EN 50 173. Erkennungszeichen ist der RJ 45-Steckverbinder. Die Kabel besitzen 4 Adernpaare mit optionaler Schirmung. Für Fast Ethernet werden zwei Paare benötigt. Es wird unterschieden zwischen UTP- und STP-Kabeln, je nachdem, ob das Kabel keinen oder einen Gesamtschirm besitzt. Das Büro wird standardmäßig in einer so genannten Sternverkabelung installiert: Von einem zentralen Etagenverteiler geht jeweils separat eine Leitung zu den Arbeitsplätzen. Dieses Verkabelungssystem ist optimal an Bürogebäude angepasst.

Übertragung auf Industriebedingungen

Übertragung auf Industriebedingungen

Spiegelt man jedoch die Situation im Büro an den Bedingungen in industrieller Umgebung, sind die Schwächen eines Büronetzwerkes schnell ausgemacht: Sterntopologie ist der absolute Außenseiter in der Feldverkabelung. Feldbussysteme wie AS-Interface sind auf Linientopologie aufgebaut. Fragen werfen auch Themen wie mechanische Robustheit, EMV-Schutz sowie Handling und Konfektionierbarkeit auf. Die Idee Ethernet bleibt gut, wird aber ohne Berücksichtigung der besonderen Anforderungen im rauen Industrieumfeld kaum erfolgreich sein.

Ethernet fit für die Industrie machen

Ethernet fit für die Industrie machen

HARTING hat – basierend auf seiner Kompetenz für industrielle Connectivity – aus der Applikation heraus ein Anforderungsprofil für industrietaugliche Netzwerke erstellt, das sich streng an den erprobten Lösungen für Feldbussysteme orientiert.

Was die modernen weltweiten Netze zusammenhält, ist Kompatibilität. Erst wenn der ungehinderte Datenaustausch sichergestellt ist, funktioniert unsere Kommunikationsgesellschaft. Ist durchgängige Kommunikation gefragt, so darf diese nicht an der Schnittstelle Steckverbinder scheitern. Der heutige RJ 45 ist zweifellos der Standard für Kommunikation. Es geht damit an ihm kein Weg vorbei. Mit dieser Erkenntnis war bei HARTING der Startschuss zur Entwicklung eines neuen Industrie-Ethernet-Steckverbindersystems gefallen.

Betrachtet man den RJ 45 nicht als Steckverbinder sondern nur als Steckgeometrie, so eröffnet sich eine Chance. HARTING hat den RJ 45-Industrie quasi neu erfunden. Entwicklungsziel der neuen Produktfamilie war die komplette Abdeckung der Bedürfnisse des industrietauglichen Einsatzes von 100 Mbit Fast Ethernet, die gleichzeitig mit einfachster Anschlusstechnik Ethernet in die Feldebene bringt.

Im Gegensatz zum Büro benötigen dezentrale Peripheriegeräte in IP 67-Umgebung für die Versorgung der

24 V-Aktorik eine hybride Verkabelung, d.h. neben der Verbindung der Signalleitungen ist auch die Spannungsübertragung zu gewährleisten.

Mit dieser Schnittstellenlösung für hybride Netzwerke können Ethernet und Spannungsversorgung, sauber voneinander getrennt, gleichzeitig steckbar gemacht werden, was die Installationskosten drastisch reduziert. Für unterschiedliche Einsatzfälle und -orte wurden zwei Verriegelungsmechanismen entwickelt. Der nach IEC 60603-7 genormte Standardverriegelungsmechanismus des RJ 45 ist für max. 50 N Zugkraft ausgelegt. Für Applikationen im industriellen Umfeld, welche eine höhere Anforderung an die Verriegelung stellen, bietet HARTING eine zusätzliche 4-Punkt-Verriegelung über die Gehäusekontur. Die IP 67-Varianten werden mit der als Industriestandard bekannten Han® 3A-Bügelverriegelung realisiert. Der modulare Aufbau des Datensteckverbinders dieser Familie erlaubt den Einsatz des gleichen Isolierkörpers in IP 20 ebenso wie in hybriden und nichthybriden IP 67-Steckverbindern.

Ethernet fit für die Industrie machen

Das Datenmodul verfügt über vier HARAX-Schnellanschlusskontakte, die flexible industrietaugliche CAT 5-Kabel (AWG 22 - 24) und massive Kabel bis AWG 22 - 23 gasdicht kontaktieren. Die bis 16 Ampere belastbaren vier Kontakte der hybriden Variante sind ebenfalls in Schnellanschlusstechnik realisiert und erlauben den Anschluss von flexiblen Leitern bis zu einem Durchmesser von 1,5 mm².

Die Durchgängigkeit des Schnellanschlusskonzeptes zeigt sich auch bei der industrietauglichen Schirmung des Steckverbinders, welche ohne die bekannte Vercrimpung des Kabelgeflechtes mit dem Schirmblech auskommt. Ein einfaches Zusammenstecken der beiden Schirmbleche mit einem hörbaren „Klick“ reicht, um die 360°-Schirmung zu realisieren. Die Geräteseite des Steckverbinders kann entweder als Wanddurchführung aufgebaut oder direkt in das Gerät implementiert werden. Eine durchgängige SMD-Anschlusstechnik für den Datensteckverbinder RJ 45 und die hybriden Kontakte sorgt auch auf der Geräteseite für niedrige Herstellkosten.

Schnellanschlusstechnik minimiert die Installationskosten

Ethernet hat enorme Rationalisierungspotenziale. Erfolg kann dieser Ansatz nur als die Symbiose von Kommunikations- und Installationsvorteilen haben. Durch eine zu kurzsichtige Portierung von Bürolösungen in die Maschine ergibt sich für den Anwender ein erheblicher Installationsmehraufwand. Ein Industriesteckverbinder muss konfektioniert werden, egal ob es ein Energiesteckverbinder oder ein Kommunikationssteckverbinder ist. HARTING setzt deswegen auf Schnellanschlusstechnik, die ohne Spezialwerkzeug vor Ort darstellbar ist und sich in Industrieapplikationen bewährt hat.

Die wenigen, einfachen Arbeitschritte zur Konfektionierung eines hybriden Kabels lassen sich wie folgt beschreiben:

  • Kabelmäntel abisolieren und Datenkabel in das Spleißelement einlegen
  • Zusammendrücken des Spleißelementes mit dem Isolierkörper
  • Anlegen und verrasten der Schirmbleche mit Isolierkörper und kontaktieren des Kabelschirmes
  • Einführen des Powerkabels und zusammendrücken der Führungstaschen zur Terminierung
  • Verrasten des Gehäuses mit den Isolierkörpern

Die IP 20-Varianten für Daten können im Rastermaß von 21 mm eingebaut werden, was höchste Packungsdichte auf der Geräteseite garantiert. Bei der hybriden IP 67-Variante konnte die Einbaulänge gegenüber dem Industriestandardgehäuse Han 3A um 30% reduziert werden. Das von HARTING entwickelte RJ 45-kompatible Steckgesicht wurde durch die Erweiterungen der Kriechstrecken so ausgelegt, das es die in IEEE 802.3 AF geforderte Isolationskoordination auch im Industrieumfeld erfüllt. Mit dieser Modifikation wird „Power over MDI“, d.h. die 48 Volt-Spannungsversorgung über die Datenschnittstelle, beherrschbar.

Kompatibilität fordert Standards

Kompatibilität fordert Standards

Nach einem Jahrzehnt des Streitens um das Thema Feldbus wurde eine Lösung erst durch die Macht des Marktes erreicht. Die Anzahl der eingesetzten Bussysteme ist inzwischen überschaubar. Jedoch wurden weder beim Protokoll noch bei der Übertragungstechnik gemeinsame Standards gefunden. Jede Feldbusorganisation hat ihre eigene Standardisierung betrieben. Dies hat dazu geführt, dass heute besonders in dezentralisierten Systemen mit vielen IP 67-Geräten die unterschiedlichen Steckverbinder immer noch eine Barriere darstellen, die nur aufwändig überwunden werden kann. Ein Resultat ist die geringe Verbreitung von dezentralen IP 67-Baugruppen. Die schaltschranklose Automatisierung hat sich noch nicht durchgesetzt.

HARTING hat sich die Aufgabe gestellt, bei Ethernet im Industrieumfeld ab der ersten Stunde mit einer durchgängigen Steckverbinderlösung einen breiten Standard zu setzen. Durch Mitarbeit in der PNO (PROFIBUS Nutzerorganisation e.V), der IAONA (Industrial Automation Open Networking Alliance e.V.), dem DKE (Deutsche Elektrotechnische Kommission im DIN und VDE) aber auch der IEC (International Electrotechnical Commission) ist es möglich, auf breiter Basis einem Wildwuchs, wie im Bereich der Feldbusse, vorzubeugen. Anfang des Jahres hat sich z.B. die PNO entschlossen, die HARTING-Lösung als durchgängiges Konzept für ProfiNet einzusetzen. Darüber hinaus wurde eine internationale Normung angestoßen, denn beim HARTING-Ansatz handelt es sich um kein proprietäres System, sondern um eine offene Lösung.

Kompatibilität fordert Standards

Vom Steckverbinder zu einer Ethernet-Systemkomponente

Vom Steckverbinder zu einer Ethernet-Systemkomponente

Der Steckverbinder als Anfang und Ende des Kabels erfüllt die klassische Funktion der elektrischen Verbindung. Bei HARTING hört aber die Überlegung nicht mit der klassischen Verbindungsfunktion auf. Schließlich müssen unterschiedliche Netzwerktopologien realisiert werden, der Übergang zwischen IP 20 und IP 67 muss ermöglicht werden. Mit InduNet, der HARTING-System-Familie für Connectivity im Automatisierungs-Netz, wird der Schritt ins Ethernetzeitalter erleichtert. Der Anwender kann flexibel beliebige Verbindungen im Netzwerk herstellen: die Installation folgt der Applikation.

Andreas Huhmann

Market Manager Industry



 

HARTING Deutschland GmbH & Co. KG

STANDPUNKT SIEMENS: Industrial Ethernet aktueller denn je

Neue, auf Modularität bauende Konzepte in der Automatisierung begleitet von zunehmenden Rationalisierungsmaßnahmen erfordern in der Industrie ausgefeilte Vernetzungslösungen, die besonderen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Robustheit genügen.

Bereits seit 1985 hat Industrial Ethernet bei Siemens einen festen Platz in der industriellen Kommunikation. Seitdem hat es sich als zuverlässiges Netz zur Übertragung größerer Datenmengen zwischen Steuerungen, PC, Workstations usw. in einer Fabrikationsanlage etabliert. Heute ist Ethernet mit 80 % Anteil die Nummer eins bei den lokalen industrietauglichen Netzwerken (LAN).

Die Grundidee von Industrial Ethernet ist es, die vorhandenen Standards von Ethernet zu nutzen und um notwendige und nutzbringende Details für die industrielle Kommunikation zu ergänzen. So entstehen Produkte für die speziellen Gegebenheiten in der Fertigungs- bzw. Prozessumgebung. Diese sind voll kompatibel zu bestehenden Ethernet-Produkten, entsprechen jedoch z. B. hinsichtlich zulässigem Temperaturbereich, mechanischem Aufbau und EMV-Festigkeit den erhöhten Anforderungen im industriellen Umfeld. Spezielle, für den Einsatz in rauer Umgebung konzipierte Komponenten – angefangen von der speziellen, robusten Elektronik, optimal geschirmten Twisted-Pair-Kabeln bis hin zu robust ausgeführten Steckern – erlauben den Aufbau sicherer Netzverbindungen auch bei starken Störungen.

Kein Wunder also, wenn Industrial Ethernet in einer Zeit der Dezentralisierung von Steuerungsintelligenz nicht nur Basis für die IT-Welt ist, sondern auch immer mehr IT-Funktionen in den Feldbereich bringt. Denn dieser wird immer mehr von intelligenten Feldgeräten geprägt, die umfangreiche Daten austauschen müssen. Industrie taugliche kleine Switch-Module erlauben z.B. einen linienförmigen Netzaufbau, wie er bei Feldbussystemen gefordert ist, mit entsprechend hohem Datendurchsatz.

Mit dieser Dynamik wird Industrial Ethernet auch in den nächsten Jahren top aktuell bleiben und für einige positive und kundengerechte Veränderungen in der Automatisierungslandschaft sorgen.Die Electrical Lean Switches von Siemens ermöglichen den direkten Anschluss von robusten Twisted-Pair-Kabeln mit der Zeit und Kosten sparenden Fast-Connect-Technik.