Die Automobilindustrie setzt seit Jahren Roboter mit hohen Tragkräften und hoher Wiederholgenauigkeit zum Punktschweißen im Karosserierohbau ein. Diese Präzisionsroboter verfügen über eine umfangreiche Sensorik und Aktorik, um mit kurzen Taktzeiten und hohen Bahngenauigkeiten zum Beispiel einen Schweißpunkt exakt setzen zu können. Das Werkzeug – in diesem Fall die Schweißzange – ist je nach Ausführung mit elektrischer Energie, Signalen, Kühlwasser oder Pneumatik zu versorgen.

Für eine separate Energie-, Signal- und Datenübertragung bieten die Roboter allerdings nur wenig Platz, weshalb man alle drei „Lebensadern“ des Roboters in einer Multibus-Leitung vereinte und diese an jedem Ende mit einem M23-Steckverbinder versah. Damit umgeht man, dass die jeweilige Feldbus-Leitung kunden- beziehungsweise auftragsbezogen im Roboter montiert werden muss. Die Auswahl der Leitungen richtet sich danach, welcher Feldbus in der Anlage vorhanden oder dafür vorgesehen ist.

Mit einer Leitung für die gebräuchlichsten Feldbus-Systeme kann der Roboterhersteller Schlauchpaketvarianten reduzieren, das heißt nur eine Leitung und ein Steckverbinder übertragen Energie, Signale und Daten. Somit ist die Verbindungstechnik im Roboter einheitlich und unabhängig vom Feldbus-System, der in der Fertigung zum Einsatz kommt. Erst die „verbauten“ Feldbus-Komponenten definieren, mit welchem Bussystem der Roboter arbeitet. Roboterhersteller sind so in der Lage, die Varianten zu reduzieren. Die einfache Handhabung bei der Montage am Roboter sowie die reduzierte Lagerhaltung tragen zudem zur Kostensenkung bei. Der etwas höhere Preis einer Multibus-Leitung wird durch die Vorteile der Standardisierung schnell aufgefangen.

So weit so gut: Neben den Vorteilen hat die beschriebene Verdrahtung aber auch Nachteile. Das Konfektionieren der M23-Steckverbinder mit ihren drei Gehäusebauformen (A1, D6, F6) und ihren vier unterschiedlichen Polbildern (9, 12, 16, 17) ist zeitintensiv und entsprechend teuer. Auch ist eine Konfek­tionierung im Feld sehr problematisch, ebenfalls zeitaufwendig und nicht immer fehlerfrei. Darüber hinaus sind in letzter Zeit zusätzliche neue Anforderungen – unter anderem im Zusammenhang mit Diagnose und Qualitätsicherungsmaßnahmen – entstanden. Diese führen zu höheren Datenraten, welche zuverlässig zu übertragen sind.

Vor diesem Hintergrund und aufgrund der speziellen Anforderungen, die mit der Ethernet-basierten Kommunikation auf die Automatisierungstechnik zukommen, schlossen sich führende deutsche Automobilhersteller zusammen und bildeten die „Automatisierungsinitiative Deutscher Automobilhersteller“ – kurz AIDA. Ihr gehören Volkswagen, Audi, BMW, Daimler und Porsche an. Auf Basis von Profinet – dem von der Profibus Nutzerorganisation definierten Ethernet-Kommunikationsstandard – hat die AIDA schließlich ein Verkabelungskonzept für ihre Fertigungsstraßen festgelegt, nachdem die Roboterverkabelung durchzuführen ist. Die Anforderungen an das Installationssystem sind hier klar definiert:

■ Es muss robust und auf den industriellen Einsatz abgestimmt sein.
■ Es muss durchgängig konzipiert sein und der Verkabelungsrichtlinie für Profinet entsprechen.
■ Es soll den Montage-Aufwand deutlich reduzieren.
■ Es soll die Übertragung von Energie, Signalen und Daten ermöglichen.
■ Es soll in Kupfer- oder LWL-Technik ausführbar sein.
■ Steckverbinder sollen intuitiv bedienbar (Hören/Sehen/Fühlen der Verrastung) und möglichst einfach zu konfektionieren sein – auch im Feld.
■ Schmutz und Schweißspritzer dürfen die Funktion und Betätigung der Schnittstelle nicht beeinträchtigen.
■ Daten-/Powerstecker sollen über eine einheitliche Verriegelung verfügen, damit sich die Schlauchpakete schnell austauschen lassen.

Gemäß diesen Forderungen ist ein durchgängiges Installationssystem bestehend aus drei Schlauchpaketen entstanden, in denen die Übertragung von Energie, Signalen und Daten realisiert wird. Dabei reduziert das Installationssystem den Montage-Aufwand um rund 50 %, da es aus aufeinander abgestimmten Einzelsteckkomponenten für die Verdrahtung der Schlauchpakete besteht, die sich per „Plug&Play“ zu einer ganzheitlichen Lösung zusammenstecken lassen.

Bei diesem System stellt Schlauchpaket 1 die Verbindung vom Schaltschrank zum Roboterfuß her. Schlauchpaket 2 verbindet den Roboterfuß mit Achse 3 und Schlauchpaket 3 verbindet schließlich Achse 3 mit dem Roboterkopf. Dieses Installationskonzept hat mehrere Vorteile: Bei der Installation ergibt sich ein minimaler Montage-Aufwand und im Servicefall ist ein schneller Austausch der Schlauchpakete möglich. So lässt sich mit den „PushPull“-Steckverbindern mit wenigen Handgriffen der Energie-, Signal- und Datenstrang austauschen.

Der so genannte FreeCon-Active-Repeater überprüft in Echtzeit die gesamte Übertrag­ungsstrecke hinsichtlich ihres optischen Budgets – beispielsweise vom Schaltschrank bis zum Roboterkopf.

© Weidmüller

In Kombination mit neuartigen Anschlussdosen bilden die PushPull-Steckverbinder die Basis des neuen Verkabelungsstandards bei Profinet-Installationen in der Automobilindustrie. Bei den Steckverbindern handelt es sich um die Variante 14 gemäß IEC 61076-3-117, ausgestattet mit zwei verschiedenen Einsätzen für Daten und Signale und dem Power-Steckverbinder für die Energie. Das System komplettiert eine Doppelanschlussdose für die Energie (24 V) und Daten (Ethernet), sowie eine Einfachanschlussdose für Signale. Steckverbinder und Anschlussdosen besitzen RJ45-Einsätze: Dank RJ45-Modulen mit Steadytec-Technologie (siehe Kasten) reduziert sich die Anzahl der Steckstellen in einem Channel (gesamte Übertragungsstrecke zwischen zwei Geräten) – und zwar von sechs auf vier Steckstellen (Steckstellen der Schlauchpakete) beziehungsweise von acht auf sechs Steckstellen, wenn man die Leitung im Schaltschrank in das Konzept mit einbezieht.

Die Profinet-Spezifikation sieht maximal sechs Steckstellen vor. Jede zusätz­liche Steckstelle in einem „Category-5“-Channel erhöht allerdings die elektrischen Verluste und beeinträchtigt die gesamte Übertragungsstrecke. Weidmüller beispielsweise setzt daher auf RJ45-Komponenten der Kategorie 6A, da diese gegenüber Cat5-Komponenten eine deutlich höhere Systemreserve bei der Datenübertragung bieten. Der PushPull-Steckverbinder für die Energieleitungen ist in diesem Fall mit einem fünfpoligen Einsatz für 16 A ausgestattet, der PushPull-Signalsteckverbinder besitzt einen zehnpoligen Hybrideinsatz.

Weiterer Vorteil von CAT 6A ist die vollständige Kompatibilität zu Be­stands­installationen, also zu allen gängigen Switches und Netzwerkkarten von 10 Mbit/s bis 10 Gbit/s. 10-Gbit-Ethernet (10 GbE) ist in den Standards der IEEE 802.3 definiert und gilt speziell für die physikalische Übertragung über Twisted-Pair-Kabel in Kupfer. Die Vorschrift wurde 2006 verabschiedet und beschreibt die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über alle vier Leiterpaare eines Datenkabels im Vollduplex-Betrieb über eine Strecke von 100 Metern (10GBase-T). Soll die Strecke weiter als 100 Meter reichen, kommen Lichtwellenleiter (LWL) zum Einsatz. Der große Vorteil des Steady­tec-Baukastens: Der Anwender kann hier wahlweise RJ45- oder LWL-Steckereinsätze verwenden.

Aktive und passive Komponenten

Dieses Multifunk­tionswerkzeug vereint die Arbeitsschritte Schneiden, Abisolieren und Crimpen. Das rotierende Messer schneidet exakt die POF-Faser an der „Ferrule“, ein nachträgliches Polieren der Schnittfläche entfällt.

© Weidmüller

Das AIDA-Installationssystem lässt sich also sowohl in Kupfer- als auch LWL-Technik ausführen. Durchgängig für die Roboterverkabelung konzipiert, besteht es aus aktiven und passiven Steckkomponenten sowie Zubehör, welches die Verbindung vom Schaltschrank bis in den Roboterkopf gestattet. Bislang setzten Anwender hierbei vorrangig auf Kupferleitungen. Doch die Automationsanforderungen verlangen nach immer höheren Datenmengen bei gleichzeitiger Immunität gegenüber elektromagnetischen Einflüssen, was dazu führt, dass vermehrt Lichtwellenleiter auf Basis von polymeroptischen Fasern (POF) Verwendung finden. Mit dem „FreeCon-Active-Repeater“ kann der Anwender in diesem Fall seine LWL-Verkabelung in Echtzeit diagnostizieren.

Generell unterliegen Lichtwellenleiter auf Basis von polymeroptischen Fasern (POF) einem natürlichen Alterungsprozess, der die Dämpfung der Faser sukzessive erhöht. Um stets die sichere Übertragung der Ethernet-Daten zu gewährleisten, überprüft der „Repeater“ den taktsynchronen Datenaustausch für die gesamte Übertragungsstrecke hinsichtlich des optischen Budgets, so etwa vom Schaltschrank bis zum Roboterkopf. Die übergeordnete Steuerung wird über Profinet vom Gerät alarmiert, sobald die Dämpfung einen kritischen Wert erreicht hat. Hierbei ermittelt der Repeater erstmals exakt, zu welchem Zeitpunkt welches Schlauchpaket ausgetauscht werden muss. Zudem liefert das Gerät bei der Inbetriebnahme einer Anlage auf Knopfdruck präzise Informationen über die Dämpfung und Länge der Verkabelung. Das spart langwieriges Messen, Dokumentieren und Zertifizieren. Ferner integrieren FreeCon-Active-Repeater in einem Modul die Daten- und Energie-Übertragung, was die Anlagenverfügbarkeit erhöht und Vorteile bei der Installa­tion bietet.

Für die schnelle und reproduzierbare Konfektionierung von SC-RJ-Steckverbindern mit POF-Lichtwellenleitern existiert mit dem so genannten „HTX-IE-POF“ schließlich ein Multifunktionswerkzeug, mit dem der Anwender mit einem Tool das Abisolieren und Crimpen von 1 mm dicken polymeroptischen Fasern speziell für den Profinet- und Ethernet/IP-SC-RJ-Steckverbinder erledigen kann. Das exakte Schneiden der Faser an der Ferrule erfolgt hier durch ein rotierendes Messer, ein nachträgliches Polieren ist somit nicht notwendig. Zudem erzielt der Anwender über das Multifunktionswerkzeug eine gleichbleibend geringe Dämpfung.

Autor: Klaus Leuchs ist bei Weidmüller verantwortlich für Industrial-Ethernet-Komponenten.

Die Steadytec-Technologie

Steadytec ist eine Kooperation der drei Unternehmen BTR Netcom, Telegärtner und Weidmüller. Gemeinsam haben diese drei Unternehmen ein Plattform-Konzept entwickelt, auf dessen Basis durchgängige, nach prEN 50173-1 und -3, ISO/IEC 24702, IEC 61918, IEC 61784-5 sowie IEC 61076-3-106 genormte Steckverbinder entstanden sind.

Einfache Handhabung und Modularität waren bei der Entwicklung der IE-Line-Steckverbinder mit Steadytec-Technologie die zwei wesentlichen Anforderungen an die RJ45-basierte Steckverbinderfamilie. In dem modularen Plattformkonzept kommen sowohl RJ45-Crimp- als auch feldkonfektionierbare RJ45-Steckverbinder beziehungsweise 2xSC- oder LC-Duplex-Lichtwellenleiter zum Einsatz. Der Anwender kann somit Steckverbindereinsätze und Kupplungen applikationsgerecht mit den verschiedenen Gehäusevarianten V5, V14, V1 und V4 kombinieren.

Das industrietaugliche RJ45/LWL-System wurde mit einer einfach handhabbaren Schnellanschlusstechnik für Leiterstärken von AWG 27/7 bis AWG 22/7 und Massiv­leiter von AWG 27/1 bis 22/1 sowie Übertragungseigenschaften bis einschließlich Kategorie 6A entwickelt. Der 8-adrige feldkonfektionierbare RJ45-Steckverbindereinsatz erfüllt die Anforderungen bis 10-GBit-Ethernet nach IEEE 802.3 bis 500 MHz (Cat. 6A/Class EA). Die Steck­verbinder (Stecker- und Flanschgehäuse)
sind im robusten Zink-Druckguss und auch in Kunststoff PA UL94 VO erhältlich. Eine spezielle Abdicht-Technologie stellt die Schutzart IP67 sicher.