Kabel sind quasi die ‚Nervenbahnen‘, die Industrie 4.0 erst möglich machen. Im Zeitalter der Digitalisierung müssen enorme Mengen an Daten übertragen werden; und das zunehmend unter schwierigen Bedingungen, wie zum Beispiel in Robotern, wo die Kabel ständig um enge Radien gebogen und dazu tordiert werden. Das bedeutet enorme Belastungen für Leiter und Schirmgeflecht, die für die Übertragungseigenschaften von Datenleitungen essenziell sind.

Bislang sind in der Industrie überwiegend Kommunikationssysteme mit 100 Mbit/s Datenübertragungsrate im Einsatz. Bei Neuinstallationen dagegen werden vermehrt Netzwerke mit Gigabit-Performance installiert, denn wenn zum Beispiel hochauflösende Kameras für die Qualitätskontrolle zum Einsatz kommen, reichen 100 Mbit/s möglicherweise nicht mehr aus. Selbst wenn das heute in vielen Anwendungen noch nicht notwendig sein sollte, so ist es oft eine Frage des Investitionsschutzes: Datennetzwerke mit mehr Reserve erlauben auch eine spätere Erweiterung der Anlage.

Eine effektive Schirmung ist für hohe Datenraten essenziell. Dazu werden feine verzinnte Kupferdrähte um die Adern der Leitung geflochten.

© U.I. Lapp

Aufgrund der hohen Frequenzen reicht die Reduktion der Störeinflüsse durch die Verdrillung der Aderpaare für die Datenübertragung nicht aus; vielmehr müssen die einzelnen Adernpaare zusätzlich mit einer metallisierten Folie geschirmt werden. Damit wird das Nebensprechen zwischen den Paaren, also gegenseitige Störungen, reduziert. Für höchste Datenraten und Frequenzen spielt zudem die Isolation eine wichtige Rolle.  Deshalb verfügt die Hochgeschwindigkeitsleitung über eine sogenannte Skin-Foam-Skin-Isolierung der einzelnen Adern. Dabei tragen drei Extruder drei Isolationsschichten auf die Kupferlitze auf. Die Extruder 1 und 3 erzeugen innen an der Litze sowie außen auf dem Isolator eine glatte Haut, die dazwischen liegende Schicht wird im Moment des Extrudierens unter hohem Druck mit Stickstoffgas aufgeschäumt. Das reduziert die Dielektrizitätszahl der Isolation. 

Neben dieser physikalischen Methode gibt es noch einen anderen, kostengünstigeren Weg, um die Skin-Foam-Skin-Isolation zu erzeugen: eine chemische Methode, bei der dem Rohmaterial chemische Additive beigemischt werden und die ausgasen, wenn man sie während des Extrusionsvorgangs erhitzt. Allerdings lassen sich dabei Größe und Verteilung der Blasen nicht so gut kontrollieren wie bei der physikalischen Methode. Für den dauerhaften Erhalt der Funktion ist es aber essenziell, die richtige Größe und die gleichmäßige Verteilung der Stickstoffblasen zu erzielen.

Wozu überhaupt Cat. 7?

Doch wozu sollen Anwender überhaupt auf Cat.-7- Leitungen setzen? Schneller sind sie auf den ersten Blick ja nicht. Vorteile bieten sie jedoch durch bessere Werte bei der Nebensprechdämpfung (NEXT) und dem zulässigen Frequenzbereich. Ein höherer Frequenzbereich bringt für den Anwender den praktischen Vorteil, dass bei einer faktischen Übertragungsfrequenz von 417 MHz für eine 10-GBit/s-Übertragung mehr Puffer vorhanden ist – eine Cat. 7 Verbindung mit einem Frequenzbereich bis 600 MHz ist deswegen unempfindlicher als eine Cat.-6A-Verbindung mit 500 MHz bei der gleichen maximalen Datenrate von 10 Mbit/s. Der NEXT-Grenzwert für Cat. 7 liegt bei 500 MHz bei 61,9 dB und bei 600 MHz bei 60,7 dB. Für Cat. 6A liegt der Grenzwert bei 500 MHz bei 34,8 dB und bei einem normativ nicht festgelegten Frequenzbereich von 600 MHz bei 33,6 dB.

Damit verzeihen sie zum Beispiel Installationsfehler eher als Cat.-6A-Leitungen. Auch Beschädigungen oder Alterung der Leitungen wirken sich weniger stark aus. Die volle Bandbreite ist trotzdem erreichbar und die Applikationen können mit höherer Zuverlässigkeit betrieben werden.

Darüber hinaus besitzt die Etherline Torsion Cat. 7 einen robusten und halogenfreien PUR-Außenmantel. PUR ist besonders abriebfest und stellt so eine lange Lebensdauer sicher. Um für den Einsatz in der Robotik in Frage zu kommen, muss eine Leitung zudem torsionsfähig sein, das heißt sie darf bei Verdrillung um die eigene Achse keinen Schaden nehmen. Besonders gefährdet ist hier die Schirmung: Die feinen Kupferdrähte, aus denen das Schirmgeflecht besteht, wie auch die Folienschirmung der einzelnen Adernpaare reißen bei zu starker Torsion – mit dem Ergebnis, dass die vorgesehenen Datenraten nicht mehr realisierbar sind.

Entscheidend für die Torsionsfähigkeit der Schirmung sind die Einlaufwinkel von Geflecht wie auch Folie: Für bewegte Anwendungen dürfen sie nicht zu flach sein. Bei der besagten Leitung wurden diese Winkel nach ausführlichen Tests so optimiert, dass sie auf einer Länge von einem Meter um 180° in beide Richtungen tordiert werden kann, und das mindestens fünf Millionen Mal, ohne dass die Schirmung ihre Wirkung verliert. Dabei kommt die Leitung ohne Füller aus. Füllschnüre werden oft verwendet, um eine gleichmäßig runde Form der Leitung zu erreichen, oder um eine stabile Anordnung der Adernpaare im Kabel zu unterstützen. Füller bedeuten jedoch auch zusätzlichen Aufwand bei der Konfektionierung, da sie einzeln abzuschneiden sind. Bei der neuen Torsionsleitung übernimmt diese Aufgabe ein Trennkreuz aus Polyethylen, das mit einem einzigen Schnitt entfernt werden kann. Das erleichtert die Konfektion marktgängiger Steckverbinder, wie M12 X-codiert oder RJ45 im Feld.

Besonders hervorzuheben ist auch der niedrige charakteristische Wellenwiderstand mit ±5 % – erlaubt sind laut Norm etwa ±15 %. Das verbessert die Übertragungseigenschaften auf kurzen Distanzen, sichert eine erfolgreiche Zertifizierung des Übertragungskanals mittels Kabeltester und senkt das Risiko, dass Nacharbeit an der installierten Kabelverbindung nötig werden könnte. Nicht zuletzt ist die Leitung nach UL CMX gelistet, kann also in Nordamerika für Anwendungen innerhalb und außerhalb von Schaltschränken, in bewegten Maschinenteilen sowie im Roboter zur Medienverkabelung eingesetzt werden.

Insbesondere in Branchen wie dem Maschinenbau, der Robotik aber auch der Bahntechnik oder der Lebensmittelindustrie ist daneben das Thema Langlebigkeit der Leitungen von essenzieller Bedeutung. Die Standards, die man zum Beispiel von Ethernet-Leitungen aus dem Büro kennt, reichen in der Fabrik nicht aus – dort kommen sie mit Ölen und Reinigungsmitteln in Berührung und werden millionenfach hin und her bewegt. Außerdem ist die EMV-Belastung durch Antriebssysteme sehr hoch. Kurzum: Die Anwender erwarten, dass verbaute Kabel auch nach zehn Jahren noch einwandfrei funktionieren und im Falle der oben genannten Datenkabel auch dann noch die Cat.-7-Spezifikation erfüllen. Weniger robuste Leitungen können dagegen mit der Zeit ihre Eigenschaften verlieren. Es muss dann zwar nicht unbedingt zu Kurzschlüssen kommen; möglicherweise bilden sich aber feine Risse in der Isolation oder in der Schirmung, was zu vermehrten Störungen bei der Übertragung und damit zu einem Absinken der Datenrate führt.

Ein lückenloses Qualitätsmanagement ist daher für industriell eingesetzte Datenkabel ein Muss. Bei Lapp etwa werden daher bei jedem Schritt der Kabelherstellung – vom Verlitzen über das Verseilen und Umflechten bis zum Ummanteln und Kennzeichnen – Qualitätstests ausgeführt, entweder automatisch über Sensoren oder manuell durch entsprechend ausgebildete Mitarbeiter. Die Daten aus den Qualitätsprüfungen werden schließlich im Computer gesammelt und lassen sich jederzeit nachvollziehen.

Autorin:
Irmgard Nille ist freie Journalistin in Hamburg.