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Bild: urfinguss, iStock
Fit für die digitale Fabrik

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Kabelfolter 4.0

Text: Helukabel
Ohne das feinmaschige Verbindungsnetz zwischen den unzähligen Komponenten geht in einer automatisierten Fabrik gar nichts. Das Kabel wird so zum Rückgrat der Industrie 4.0 - wenn es den erforderlichen Belastungen standhält und das richtige Know-how im Produkt steckt.

Das Konzept „Industrie 4.0“ zu etablieren, war ein geschickter Schachzug der deutschen Industrie. In einem Hochlohnland wie Deutschland müssen Industrieunternehmen clever automatisieren und Prozesse optimieren, um langfristig im globalen Wettbewerb zu bestehen. Immer höhere Taktzahlen und minimale Nebenzeiten benötigen horizontal und vertikal vernetzte Produktionsstrukturen, intelligente Waren und Werkzeuge. Auch die Mensch-Maschine-Kommunikation sowie die Interaktion zwischen den Maschinen selbst müssen funktionieren. Damit alle am Produktionsprozess Beteiligten zielgerichtet kommunizieren, braucht es Verbindungsglieder – intelligente Kabel, die diese neue Welt erst möglich machen. Horst Messerer, Produktmanager Daten-, Netzwerk- & Bustechnik beim Hersteller Helukabel, hält das Wort „Revolution“ im Zusammenhang mit Industrie 4.0 für überzogen. Dennoch denkt er, „dass sich die Fertigung nachhaltig verändern wird.“

Die Entwicklung der Kabelbranche auf dem Weg zur Industrie 4.0 lässt sich in drei Phasen einteilen: Vor mehr als dreißig Jahren benötigten kapazitätsarme Steuerleitungen für jede Funktion eine eigene Leitung. Sprich: Wer 20 Sensoren adressierte, brauchte ein 20-paariges Kabel. Seit gut 25 Jahren haben sich Bussysteme etabliert, über die ein Kabel viele Teilnehmer ansprechen kann, weil Adressen hinterlegt sind. Heute, mit der Industrie 4.0, stößt der Feldbus an seine Grenzen. „Keineswegs aber ist der Feldbus am Ende“, so Messerer. Ihm würden nur seine Grenzen aufgezeigt. In der Buswelt sind Datenraten im Bereich von 1 bis 20 Mbit gängig, Reaktionszeiten von 20 ms stellen bereits einen Optimalfall dar. Echtzeitkommunikation aber braucht ein reaktionsfreudigeres Medium mit Antwortzeiten kleiner 100 μs sowie Datenraten im Bereich von 100 Mbit und mehr. Bezogen auf die Kabeltechnologie ist das Industrial Ethernet den hohen Anforderungen gewachsen. Egal ob Profinet, Ethernet/IP, EtherCAT, Powerlink oder SERCOS: Die in der IT längst etablierten Protokolle halten in der Fabrik Einzug. Leider zeichnet sich dabei, wie im „Feldbuskrieg“ der Achtzigerjahre, kein allgemein gültiger Standard ab.

Von Kabelsalat zu Echtzeitkommunikation

„In manchen Fällen lösen die Protokolle den Feldbus ab, aber nicht unbedingt und auch nicht künftig“, so Messerer. „Wer braucht schon in einer Raffinerie mit lang andauernden Prozessen Millisekunden genaue Echtzeitkommunikation?“, gibt Messerer zu bedenken. In vielen Anwendungen hat der Feldbus nach wie vor eine Zukunft und diverse Bussysteme werden noch weitere Zuwächse verzeichnen. Das Industrial Ethernet gilt als Antwort auf die Anforderungen der Echtzeitkommunikation, auch wenn es nicht ganz neu ist. Erst seit 2014 wächst das Industrial Ethernet überproportional. Messerer: „Wir brauchen bei Helukabel für jedes Protokoll das passende Kabel. Leider sind Kabel im Blickwinkel des Anwenders ein C-Teil, von der Funktion in der Automatisierungstechnik her allerdings ein A-Teil.“

Zwei Beispiele verdeutlichen diese Disparität: Ethernet-Hybridleitungen wie die „HM-CB500S“ transportieren in zwei separaten Adern Strom und Daten. Das stellt sehr hohe Anforderungen an Schirmung, elektromagnetische Verträglichkeit und Konfektionierung. Schließlich darf der Datenfluss in keinem Fall gestört werden. In der Konsequenz kommen immer höhere Anforderungen auf die Kabelhersteller zu. Das Ganze wird tangiert durch Themen wie Rückflussdämpfung als Qualitätsmerkmal oder das Verhältnis von Kabeldämpfung zur Nebensprechdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz. „Wir Kabelhersteller bewegen uns im Bereich der Hochfrequenztechnik. Das fordert insbesondere unsere Produktion“, erläutert Horst Messerer. Immer genauer und feinjustierter müssten Produkte werden. „Ethernet-Hybridleitungen markieren derzeit die Spitze der Entwicklung“, so Messerer.

Ein zweites Beispiel sind Kabelsysteme für die neuen Digitalgebersysteme mit der Schnittstelle Hyperface DSL. Bisher wurden Servomotoren und Umrichter mit je einer Leitung für die Leistungsübertragung und für die Übertragung der Lageinformationen verbunden. Die neuen Gebersysteme ermöglichen künftig Einkabellösungen. Die Servoleitung „Topserv Hybrid“ in den Ausführungen PUR für hochdynamische Schleppkettenanwendungen und PVC für bedingt schleppkettenfähige Anwendungen sind dafür ausgelegt. „Da das Paar für die Datenübertragung in die Servoleitung integriert wird, ist die Haltbarkeit des Datenschirms von besonderer Bedeutung“, sagt Messerer. Tests an neuen Leitungen seien nur bedingt aussagekräftig, da die Qualität des Schirms im Laufe des Einsatzes in einer Schleppkette nachlasse. „Besonderes Augenmerk haben wir deshalb auf Qualität und Lebensdauer des Kupferschirms gelegt, der das Datenpaar vor den Störungen der Leistungsadern schützt“, erklärt Messerer.

Sicherheit durch „Kabelfolter“

Um sicherzustellen, dass Kabel dauerhaft Belastungen standhalten, steht am mittelfränkischen Standort Windsbach die sogenannte „Folterkammer“. In diesem Testzentrum mit Schleppketten- und Torsionsprüfanlagen erfolgt die Stressbelastung. Beispielsweise werden dort Hybridleitungen in einem hochdynamischen Schleppkettentest mit über fünf Mio. Zyklen auf die Probe gestellt. Weil die Beanspruchung der Leitungen von Parametern wie Verfahrweg, Biegeradius, Geschwindigkeit und Beschleunigung abhängt, werden entsprechende Daten vom Kunden benötigt. Je präziser die Angaben sind, desto detaillierter lässt sich die maßgeschneiderte Leitung gestalten. „Berechnen lässt sich das nicht, sondern nur empirisch ermitteln. Auch wenn wir umfangreiche Erfahrungswerte in einer Datenbank haben, braucht es immer den Test“, so Messerer.

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