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Bild: YiuCheung, iStock
Datenübertragung

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Freie Bahn für Profinet

Text: Dirk Bunzel, Phoenix Contact
Wie werden künftig möglichst viele Daten schnell und zuverlässig innerhalb einer Anlage übertragen? Eine wichtige Frage, da die Menge der anfallenden Informationen stetig steigt. Die im Ethernet-Umfeld etablierte M12-Schnittstelle mit X-Kodierung bietet – in Verbindung mit neuen 4-paarigen Profinet-Leitungen – genug Reserven für eine zukunftssichere Datenübertragung.

Aktuelle Profinet-Installationen verwenden meist eine 4-adrige Installation mit geschirmten Sternvierer-Leitungen (S/TQ). Zusammen mit den in industriellen Umgebungen bevorzugten 4-poligen M12-Steckverbindern mit D-Kodierung wird mit dem Standard CAT5 eine Übertragungsrate von 100 Mbit/s erreicht. Dies scheint zunächst ausreichend, gerade da sich die übertragenen Informationen in vielen Fällen auf Zustandsabfragen für IO-Punkte beschränken. Allerdings gibt es auch immer mehr Applikationen, bei denen die Fast-Ethernet-Geschwindigkeit zum Flaschenhals werden kann.

Mehr Bandbreite nötig

Bei einer niedrigauflösenden Kamera, die alle zehn Sekunden das Kontrollfoto eines Produkts anfertigt und zum Auswerten weiterleitet, werden keine großen Übertragungsraten benötigt. In vielen Hightech-Applikationen werden jedoch bei teils extremen Prozessgeschwindigkeiten mehrere Fotos aus verschiedenen Winkeln mit einer Multikameralösung gleichzeitig aufgenommen und entfernt ausgewertet. Bei einer Auflösung von 640 x 480 px und 8 Bit Farbtiefe entstehen Bilder mit einer Dateigröße von jeweils 300 kB. Arbeitet die Kamera mit einer Bildrate von 60 fps erzeugt sie einen Datenstrom von 17,6 MB/s. Eine Verkabelungsinfrastruktur mit einfachen CAT5-Produkten bis 100 Mbit/s wäre dann mit einer Auslastung von 140 Prozent überfordert. Statt der sinnvollen Einbindung in ein vorhandenes Netzwerk müsste eine zusätzliche Übertragungsstrecke eingerichtet werden – was weitere Kosten, zusätzliche Fehlerquellen sowie eine geringere Übersichtlichkeit mit sich bringt.

Ein ähnliches Datenwachstum ist im Hinblick auf Indus­trie 4.0 zu erwarten. Auftragsdaten, Informationen zum Entstehungsprozess, unter Umständen sogar 3D- und CAD-Daten, die das Werkstück begleiten, lassen das Datenvolumen anschwellen. Weiterer Bandbreiten-Bedarf kommt durch einen dritten Faktor hinzu: Redundanz und Ausfallsicherheit. Damit bei Ausfall einzelner Steuerungskomponenten nicht eine gesamte Anlage zum Stillstand kommt, werden zentrale Elemente in doppelter oder sogar dreifacher Ausführung verwendet, was zusätzliche Datenströme nach sich zieht. Bedeutet dies also das Aus für herkömmliche CAT5-Infrastruktur-Komponenten? Muss ab sofort auf das nächste Level CAT6A umgestiegen werden? Derzeit kann diese Frage noch mit Nein beantwortet werden. In den meisten Anlagen stellen CAT5-Komponenten nach wie vor eine ausreichende Bandbreite bereit, da nicht alle oben beschriebenen Faktoren aufeinandertreffen. Gleiches gilt für kleinere Teil­anlagen.

Bis 100 Gbit/s

Bei neuen Projekten empfiehlt sich jedoch eine im Vorfeld großzügig ausgelegte Netzwerk-Infrastruktur. Selbst wenn die aktiven Steuerungs- und Netzwerkkomponenten zunächst auf CAT5-Level verwendet werden, ist ein nachträglicher Tausch dieser Bauteile vergleichsweise schnell und kostengünstig umsetzbar. In einer Maschine oder Anlage sämtliche Netzwerkleitungen und Steckverbinder nachträglich auszutauschen ist dagegen wesentlich teurer als die höheren Beschaffungskosten bei Projektbeginn. Das Steckverbinder-Produktprogramm von Phoenix Contact umfasst zahlreiche Komponenten für die CAT6A-Verkabelung. Als Kupfer­leitungen kommen dabei 4-paarige Konstruktionen zum Einsatz, also Shielded Twisted Pair wie S/FTP, die über eine eigene Abschirmung jedes Adernpaares und über einen zusätzlichen Gesamtschirm verfügen. Die Paarschirmung wird im Steckverbinder bis ins X-kodierte Steckgesicht hinein aufrechterhalten. Das dämpft das Nahnebensprechen und sorgt für hohe Übertragungsqualität.

Falls aus Konstruktionsgründen keine vorkonfektionierten Leitungen mit robustem, angespritztem M12-Steckverbinder verwendet werden können, müssen die Installationskosten nicht mehr zwangsläufig steigen. Mit geschirmten, konfektionierbaren Leitungs- und Steckverbindern mit der IDC-Anschlusstechnik können 10Gbit-Netzwerkleitungen mit wenig Aufwand angeschlossen werden. IDC steht für Insulation Displacement Connection (isolationsverdrängende Anschlusstechnik). Die Leitungen werden lediglich abgemantelt, der Schirm abgesetzt, die Einzeladern in farblich kodierten Klemmfächern fixiert und bündig abgeschnitten. Mit dem anschließenden Verschrauben der Steckverbinderhälften kontaktieren die Schneidklemmen. Genauso einfach lassen sich die Leitungsverbinder anschließen, um Netzwerkleitungen zu verlängern oder bei punktueller Beschädigung zu reparieren. Für den Anschluss von Geräten schließlich stehen Einbausteckverbinder mit Lötanschluss zum Design-In sowie Wanddurchführungen mit angeschlossener Leitung für den Schaltschrankbau zur Verfügung.

Warum M12-Steckverbinder in IP67 nutzen?

Auch wenn Montagemaschinen in sauberen Industriehallen mit gleichbleibendem Klima und ohne Witterungseinflüsse stehen, kann sich die Verwendung robuster M12-Steckverbinder nach Schutzart IP67 lohnen. Selbst in diesem Umfeld kommt es zu mechanischen Belastungen, die den RJ45-Steckverbinder zum Beispiel seinen Rasthaken kosten können. Auch Schmiermittel und Öle können die Funktion beeinträchtigen. Zudem besteht beim Transport von Maschinen und Geräten die Gefahr von Feuchtigkeit durch Kondenswasserbildung oder auch durch direkte Witterungseinflüsse. Durch diese Belastungen kann es bei dem ursprünglich für den Büroeinsatz ausgelegten RJ45-Steckverbinder schnell zu Kontaktunterbrechungen und damit zu Ausfällen in der Maschine kommen. Da der M12-Steckverbinder kaum Angriffsfläche bietet und ihm derartige Widrigkeiten kaum etwas ausmachen, ist er die bessere Wahl.

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