Bisher hatten die meisten Wartungstechniker nur zwei Alternativen: Entweder handeln sie nach einem reaktiven Wartungsansatz, bei dem Teile erst ausgetauscht werden, wenn die Maschine bereits stillsteht, oder sie setzen auf den Ansatz der präventiven Wartung, bei der noch funktionsfähige Teile vorsorglich in bestimmten Zeitintervallen ersetzt werden. Dank Industrie 4.0 und Digitalisierung gibt es als dritte Variante das Konzept der vorausschauenden Wartung: Es basiert auf Sensordaten, die während des Prozesses erfasst und ausgewertet werden und dabei Rückschlüsse auf die tatsächliche Alterung eines Teils zulassen.

Dies ist auch bei Verbindungssystemen wie Leitungen oder Steckverbindern möglich. Zwar halten Leitungen üblicherweise viele Jahre, doch bei hoch-dynamischen, anspruchsvollen Bewegungen mit hohen Geschwindigkeiten und starker Torsion ist es vorteilhaft (und kostensparend), wenn auch die Verbindungssysteme überwacht werden.

Diese Aufgabe kann beispielsweise der ‚Etherline Guard‘ von Lapp übernehmen. Dieses stationäre Überwachungsgerät wertet die aktuelle Leistungsfähigkeit einer Datenleitung aus und gibt sie in Prozent an. Indem er wichtige Leistungsprognosen einer Datenleitung zur Verfügung stellt, liefert das Gerät einen Beitrag zur Realisierung eines ‚Digitalen Zwillings‘ innerhalb von Produktionsanlagen – bis dato wurden Leitungen in solchen Modellen nicht berücksichtigt.

Datenbasis Sensorik

Grundlage dafür sind Daten, die über eine Sensorik aus den physikalischen Eigenschaften der Datenübertragung ermittelt werden. Die Realzeit-Zustandsanzeige des ‚Datenleitungs-Wächters‘ macht es möglich, die Verschleißgrenze einer Leitung zu erkennen und den optimalen Austauschzeitpunkt im Voraus zu planen. Lapp empfiehlt den ‚Etherline Guard‘ vor allem für Datenleitungen gemäß Übertragungsstandard 100BASE-TX (bis zu 100 Mbit/s) nach IEEE 802.3, ebenso aber auch für Ethercat-, Ethernet/IP- und 2-paarige Profinet-Anwendungen. Beispiele sind die Leitungen ‚Etherline Torsion Cat. 5‘ oder ‚Etherline PN Cat. 5 FD‘, die häufig Teil von Schleppketten oder torsionsbehafteten Kabelführungen sind, wie sie etwa in Roboterarmen vorkommen. An der Tagesordnung sind hier Bewegungen mit hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, wechselnde Bewegungsabläufe, Rotationen mit axial sehr hohen Verdrehungswinkeln, schnelle Taktzeiten und kleine Biegeradien.

Zwei kompakte Varianten

Der ‚Etherline Guard‘ ist für die Hutschienenmontage vorbereitet und mit Schutzart IP20 für die Schaltschrank-Montage vorgesehen. Er ist etwas größer als eine Streichholzschachtel, wird mit 24 V(DC) betrieben, arbeitet im Temperaturbereich von –40 bis +75 °C und ist gemäß DIN EN 60529 vibrations- und schockfest. Eine einfach zu bedienende SET-Taste ist für das Aufrufen verschiedenster Funktionen, wie beispielsweise dem Teach-in, oder dem Aktivieren des Accesspoints vorgesehen.

Ein externer SMA-Antennenanschluss ermöglicht eine sichere Funkstrecke, wenn sich das Gerät beispielsweise im Schaltschrank befindet - die Antenne wird dann einfach außerhalb montiert. Der Kabelstatus orientiert sich an einem Ampelsystem. Die Anzeige leuchtet dauerhaft grün, wenn die Leitung perfekt funktioniert und sich innerhalb der Spezifikationen befindet.

© Lapp

Das Gerät wird zwischen die kritische Anwendung beziehungsweise die zu überwachende Leitung und die Steuerungsseite in einen Datenleitungsknoten gesteckt. Dafür verfügt es über einen ‚Guard‘-/Data-Port für die zu überwachende Datenleitung mit RJ45-Stecker, die von der kritischen Anwendung zum Gerät führt, sowie einen DATA-Port für die Datenleitung mit RJ45-Stecker, die vom Gerät zur Steuerung führt. Über den Anschluss einer dritten Datenleitung an der LAN-Buchse oder über die Verwendung des Antennenanschlusses für WiFi können die Wartungsdaten an eine übergeordnete Steuerung übertragen werden. Beide Geräte-Varianten lassen sich für die Cloud-Kommunikation mit MQTT konfigurieren. Ein externer SMA-Antennenanschluss ermöglicht eine sichere Funkstrecke, wenn sich das Gerät beispielsweise im Schaltschrank befindet – die Antenne wird dann einfach außerhalb montiert.

Neben den üblichen LEDs an jedem RJ45-Port befinden sich drei zentral angeordnete mehrfarben Diagnose-LEDs am Gerät: PWR für Betriebsbereitschaft, STATUS für den Zustand der zu überwachenden Datenleitung und COM für Connect (LAN-Version) oder WiFi (WiFi-Version). Das Konzept setzt auf einfach gehaltene Diagnose- und Einstellmöglichkeiten am Gerät – möchte ein Nutzer auf darüberhinausgehende Einstellungen oder Funktionsparameter zugreifen oder sich über die grafische Verlaufshistorie des Kabelstatus informieren, kann er das Webinterface des ‚Wächters‘ nutzen. Hier finden sich auch die Einstellungen für die Einbindung des Geräts in eine Steuerungsebene via MQTT.

Die Inbetriebnahme erfolgt mittels einer automatisierten und selbstlernenden Parametrisierung (Teach-In) in wenigen Minuten. Gestartet wird per Tastendruck oder über das Webinterface. Für die Anwendung werden keine fabrikneuen Datenleitungen oder Änderungen am Kabeldesign benötigt. So ist ein Retrofit in eine bestehende Netzstruktur jederzeit möglich.

Der Kabelstatus lässt sich an einer der rundum sichtbaren LED erkennen. Die Art der Anzeige orientiert sich an einem Ampelsystem. Sie leuchtet dauerhaft grün, wenn die Leitung perfekt funktioniert und sich innerhalb der Spezifikationen befindet. Meldet das Webinterface den gelben Bereich beziehungsweise blinkt die Status-LED rot, sind bereits erste Verschleißerscheinungen eingetreten und es besteht Handlungsbedarf. Die Leitung sollte also zumindest geprüft werden und gegebenenfalls ein baldiger Austausch erfolgen. Leuchtet die LED dauerhaft rot, ist das Ende der Lebensdauer erreicht, spätestens jetzt ist die Datenübertragung eingeschränkt.

Verlässliche IIoT-Kommunikation

Mit den patentierten Predictive Maintenance-Algorithmen von Lapp lassen sich Unregelmäßigkeiten in den analysierten Daten leicht erkennen. Die beiden digitalen Ausgänge Q1 und Q2 ermöglichen die Ausgabe des Kabelstatus als Schaltsignal oder als PWM-moduliertes analoges Signal, wobei die Alarmschwelle für den Schaltausgang Q1 vom Anwender vorgegeben werden kann. Sowohl die LAN- als auch die WiFi-Variante können den Kabelstatus via MQTT ausgeben. Dazu gibt es in der LAN-Variante den LAN-RJ45-Anschluss, in der WiFi-Variante funktioniert die Kommunikation drahtlos. Die Daten können ebenso per Nutzung des Accesspoints beispielsweise mit einem mobilen Endgerät ausgelesen werden. Sämtliche Daten können zudem über mehrere Jahre hinweg auf einer (micro) SD-Karte gespeichert werden.
 

Lapp empfiehlt den ‚Etherline Guard‘ vor allem für Datenleitungen gemäß Übertragungsstandard 100BASE-TX (bis zu 100 Mbit/s) nach IEEE 802.3. Der ‚Etherline Guard‘ ist nur etwas größer als eine Streichholzschachtel.

© Lapp

Die aktuelle Leistung der Datenleitung wird bei beiden Varianten in Prozent angegeben. Der ‚Wächter‘ berechnet kontinuierlich den Kabelzustand und schlägt Alarm, wenn die Leistung beziehungsweise die Übertragungseigenschaften einer Leitung nachlassen und ein Ausfall drohen könnte. Die  Alarmauslöseschwelle ist werkseitig auf 80 % eingestellt, kann aber individuell zwischen 99 und 21 % angepasst werden.

Erkenntnisse aus Pilotprojekten

Im Zuge von Pilotprojekten konnte das Entwicklerteam von Lapp einige wichtige neue Erkenntnisse gewinnen – beispielsweise in Bezug auf den Alterungsprozess von Ethernet-Leitungen. Im Gegensatz zur allgemeinen Meinung, dass ein auftretender Drahtbruch im Kupferleiter das Ende der Lebensdauer einer dynamisch bewegten Datenleitung verursacht, kam heraus, dass in den meisten Fällen die Abnutzung und Veränderung in der Isolationsschicht schuld an der Verschlechterung der Übertragungseigenschaften von Datenleitungen ist. Der Grund: Nicht das Kupfer, sondern hauptsächlich die Isolation bestimmt die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen.

Stefan Hilsenbeck ist Senior Engineer Advanced Technology in der Lapp Holding in Stuttgart.

© Lapp

Die Aufbringung der Isolationsschicht auf den Leiter erfolgt in einem dreistufigen Extrusions-Prozess, bei dem unterschiedliche Funktionsschichten erzeugt werden. Mit diesem hohen technischen Aufwand lässt sich ein sehr niedriger Permittivitätswert erreichen. Vereinfacht lässt sich sagen: je niedriger die Permittivität (oder auch dielektrische Leitfähigkeit genannt), desto weniger Störeinwirkung auf das elektrische Feld des Leiters und desto höher ist dadurch die Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle in einer Ader. Bei Datenleitungen werden daher Polyethylen oder Polypropylen mit niedrigen relativen Permittivitätswerten als Isolierwerkstoff eingesetzt. Durch spezielle Verfahren wie ‚Foaming‘ werden zudem Lufteinschlüsse in das Isolationsmaterial eingebracht, um die effektive Permittivität weiter zu senken. Wird nun eine Datenleitung dauerhaft hoher mechanischer und dynamischer Belastung ausgesetzt, bewirkt das eine Veränderung dieser Isolierschicht. Dies hat beispielsweise eine örtliche Kapazitätsänderung zur Folge, was wiederum den lokalen Wellenwiderstand der Leitung ändert. An diesen Störstellen kommt es dann zu unerwünschten Reflexionseffekten oder es treten unzulässige Signallaufzeitunterschiede auf, was wiederum die Datenübertragungseigenschaften vermindert. Dieser Effekt tritt einige Zeit vor dem eigentlichen Kupferdrahtbruch auf.