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Die Vernetzung aller Komponenten in der smarten Fabrik ist hoch komplex. Lesen Sie, welche Verbindungs- und Übertragungstechniken sich eignen. Bild: TE Connectivity
Infrastruktur für smarte Fabrik

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Wie verdrahte ich richtig?

Text: Andreas Wöber, TE Connectivity
Die Vernetzung aller Komponenten in der smarten Fabrik erfordert eine flexible Infrastruktur mit hohen Bandbreiten. Lesen Sie, welche Verbindungs- und Übertragungstechniken sich eignen.

Betreiber denken oft zu spät über die Konnektivität nach. Dabei ist es zwingend erforderlich, die Vernetzung so wenig aufwendig, wie möglich zu gestalten, was eine frühzeitige Planung voraussetzt. Zwar werden sowohl drahtlose Datenverbindungen als auch kontaktlose Energieübertragungen genutzt, aber die herkömmlichen Steckverbindungen machen einen mindestens genauso großen Anteil aus. Doch wie muss eine hocheffiziente Infrastruktur aussehen?

Da dem Anlagenbetreiber durch die immer größer werdende Zahl von Ethernetknoten ein immer größerer Pool an Planungsoptionen zur Verfügung steht, geht der Trend zweifellos zur Dezentralisierung. Das Problem: eine immer umfangreichere, komplexere Infrastruktur. Um hier den Überblick zu behalten, müssen Voraussetzungen geschaffen werden, alle Elemente, die für das Funktionieren der Anlagen bereitzuhalten sind, möglichst einfach zu bedienen, zu warten, zu reparieren und umzurüsten, und das alles in Miniaturgröße. Im IoT sind alle Dinge miteinander verbunden. Dabei geht der Trend Richtung Ethernet. Dieser wird verstärkt durch neue Entwicklungen im Bereich Time Sensitive Networking (TSN) in IEEE 802.1 auf der Maschinenkontrollebene und dem Bereich twisted pair Ethernet (IEEE 802.3bp) auf der Physical Layer Seite. Auch steigen die Anforderungen hinsichtlich Stabilität und Ausfallsicherheit bei den Steckverbinder. Diese müssen unter extremen Bedingungen zuverlässig ihre Performance zeigen, gleichzeitig einfach konfektionierbar sein, und somit sicher Daten wie auch Signale und Energie übertragen.

Verbindungskategorien

Industrielle Verbindungen lassen sich in vier Bereiche kategorisieren: verdrahtete Verbindungen, drahtlose Verbindungen (WLAN, Bluetooth, 6LoWPAN), Wellenleiter oder optische Verbindungen (Fibre Optic, Plastic Fibre) und kontaktlose Verbindungen (NFC / Ariso Contactless Connectivity). Die verdrahtete Verbindungstechnik ermöglicht dabei die beste Performance bei der Energieübertragung. Drahtlose Verbindungen sind reine Datenverbindungen ohne Signal- und Energieübertragung. Die drahtlose Energieübertragung findet derzeit in der Industrie kaum Anwendung. Bei optischen Verbindungen beziehungsweise Wellenleiterverbindungen werden auch reine Datenübertragungsverbindungen hergestellt. Hier gibt es proprietäre Hybridlösungen, die auch Energie übertragen. Vielversprechender ist der Weg bei der kontaktlosen Verbindung. Dazu werden Koppler mit einer Antenne und einer Leistungsspule ausgestattet, die beispielsweise im 2,4 GHz Band Daten und Signale übertragen. Hierbei handelt es sich um eine reine Nahfeld-Übertragung (near field), um Störungen durch WLAN oder ähnliches bei gleicher Frequenz zu vermeiden. Die Energieübertragung über die Spulen erfolgt durch eine induktive Kopplung auf Basis der magnetischen Resonanz. Damit werden zuverlässige Verbindungen aufgebaut, trotz eines Abstandes von mehreren Millimetern zwischen den beiden Kopplern. Datenraten für Fast Ethernet (100 Mbit/s) sind in Zukunft ebenso möglich wie bis zu 100 W an Leistung und das auch durch Flüssigkeiten, Verunreinigungen oder Gehäusewände.

Robuste Steckverbinder

Im Vergleich zur konventionellen, kontaktbasierten Verbindungstechnologie sind das neue Ansätze im Industriebereich. Die Vielzahl der bereits existierenden Steckverbinderlösungen haben ihre Vorteile im Industrieumfeld. So gibt es Kommunikations- und Signalsteckverbinder oder Steckverbinder zur ausschließlichen Energieübertragung bis hin zu hybriden Varianten. Die Stärke dieser Produktvielfalt ist im IIoT-Bereich ihre Schwäche. Mit so vielen Varianten und Typen sind modulare und herstellerübergreifende Lösungen für Infrastruktursysteme schwer realisierbar. Auch wurden viele Kommunikations-Steckverbinder nicht für die Industrie konzipiert.

Doch um sich für den Industrieeinsatz zu eigenen, müssen sie rauen Bedingungen gewachsen sein, starken elektromagnetischen Feldern standhalten und klein und kostengünstig sein. Schlüsselkriterien für einen industriellen Einsatz sind ein unterbrechungsfreier Kontakt bei Schock und Vibration, eine einfache Installation und Inbetriebnahme und Varianten für unterschiedliche industrielle Umgebungen. Das wiederum hat Auswirkungen an die Geometrien der einzusetzenden Geräte. Hier geht es um Millimeter, insbesondere im Schaltschrank.

Kompakte Ethernetstecker

Eine Ausprägung des IIoT ist die IP-Adressierungsfähigkeit im Feld bis hinunter zum Sensor. Dies ist nur mit Ethernet-fähigen Komponenten möglich, Verbindungen mit der klassischen Ethernet-Technologie über vier oder acht Adern haben eine recht große Bauform, so dass sie Probleme im Installationsbereich verursachen. Dies könnte zum Beispiel mit dem twisted pair Ethernet (IEEE 802.3bp) gelöst werden, das 100 Mbit/s und 1 Gbit/s Übertragungsgeschwindigkeit bietet, über gerade zwei Adern pro Leitungen. Als Vorteile sind hier vor allem Platzbedarf, Biegeradius und Schleppketteneignung zu nennen, bei vier Inline-Steckverbinderpaare in einer Verbindung und Kabellängen bis zu 40 Meter bei voller Geschwindigkeit. Der dazugehörige TE One-Pair Ethernet Steckverbinder wurde speziell für das IIoT designed. Er kann an ein zweiadriges Kabel angeschlossen werden, sodass eine Größe um mehr als 60 Prozent gegenüber herkömmlichen Verbindern reduziert ist. Dadurch ist er auch preiswerter. Indirekte Kostenvorteile ergeben sich zudem durch seine einfache Installation und durch den modularen Aufbau der sich an die unterschiedlichen Kundenanforderungen anpasst. So ergeben sich bei dem in der Entwicklung befindlichen Lösungen verschiedene Optionen für zum Beispiel eine hybride Steckverbindervariante: Datenkommunikation als Basisfunktion, Insert für Energieübertragung in separaten Leitungen, Energieübertragung auf den Datenleitungen und geschirmte oder ungeschirmte Varianten für den Einsatz im oder außerhalb des Schaltschranks.

PMF-Technologie

Eine weitere industriell robuste Übertragungsmöglichkeit von Daten für das IIoT ermöglicht die Technologie Polymere Microwave Fiber (PMF). Hier lassen sich per Mikrowellen Daten über ein Kunststoff-/Polymerfaserkabel übertragen. Die Übertragungen werden weder durch elektromagnetische Störungen noch durch übersprechen beeinflusst. Das Konfektionieren ist durch die Unempfindlichkeit gegen Schmutz auch einfacher als bei Lichtwellenleiter.

Für alle Anwendungen gilt, die Verbindung muss zuverlässig funktionieren. TE hat mit seinen Studien One-Pair Ethernet und PMF bewiesen, dass dies möglich ist. Beide unterstützen Datenraten von 100 Mbit/s und 1 Gbit/s.

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