Basis des Erfolges von Industrial Ethernet im Automatisierungsumfeld ist zum einen die übertragungstechnische Leistungsfähigkeit von Ethernet gemäß IEEE 802.3. Zum anderen ist es die an Industrie-Applikationen angepasste robuste Verkabelungstechnik, die sich auf die Erfahrungen aus dem Feldbusbereich stützt. Eine wichtige Anforderung dabei ist es, die Verkabelungstechnik optimal auf eine einfache Installation vor Ort abzustimmen. Leiterquerschnitte, Leiteranzahl und Farbcodierungen gehören zu den bestimmenden Merkmalen bei Feldbussen und Industrial Ethernet.

Wie die meisten anderen Systeme des Industrial Ethernet basiert auch Profinet auf dem Standard 100Base-TX gemäß IEEE 802.3 – mit einer Datenübertragungsrate von 100 MBit/s. Verwendet werden vier Adern, die in zwei Paaren oder einem Sternvierer organisiert sind. Spezielle Protokoll- oder Hardware-Erweiterungen – wie etwa die Profinet-Variante IRT (Isochronous Real-Time) – sind zusätzlich implementiert, um die in der Automationstechnik geforderten Echtzeit-Eigenschaften zu ermöglichen. Für dieses System gibt es keinen Grund, auf Ethernet mit höheren Übertragungsraten als 100 MBit/s zu setzen – es wäre teilweise sogar hinderlich. In der Profinet-Richt­linie 2713 werden daher auch Kompon­enten nach Cat5 beschrieben – wie vier­ad­rige Leitungen und vierpolige Steckverbinder. Diese Komponenten bieten die erforder­liche technische Leistungsfähigkeit sowie eine einfache Installationstechnik. Rationelle Installation, schnelle In­betriebnahme und hohe Zuverlässigkeit im laufenden Betrieb sind somit kein Problem.

Andererseits wachsen moderne Automatisierungslösungen über klassische Geräte hinaus. So kommen zunehmend Kameras zur Qualitätsinspektion, Server zur Dokumentation von Qualitätsdaten sowie Scanner zur Identifizierung von Bauteilen zum Einsatz. Meist be­nötigen diese Geräte höhere Datenübertragungsraten. Eine weitere Aufgabenstellung ist die Kommunikation der Automatisierungstechnik mit den Systemen der Fabriksteuerung und der Leittechnik zur Übermittlung der Aufträge und deren Bearbeitungsstand. Auch dafür sind oftmals Datenübertragungsraten von mindestens 1 GBit/s erforderlich. Geräte und Kommunikationsstrukturen lassen sich hier nicht separat betreiben – sie müssen logisch und physikalisch als integraler Bestandteil der gesamten Automatisierungslösung funktionieren.

Klassische Netzwerkstrukturen ungeeignet

Zwischen dem 2-paarigen Profinet und dem Gebäudenetzwerk wird das 4-paarige Profinet installiert – zur Einbindung weiterer Geräte mit hoher Datenübertragungsrate.

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Mit den klassischen Netzwerkstrukturen des Industrial Ethernet und der generischen Verkabelung aus der Bürowelt lässt sich diese Aufgabe nicht erfüllen. Profinet erreicht nicht die geforderte Datenübertragungsrate und ein generisches Verkabelungssystem zielt auf eine Gebäude-Infrastruktur und nicht auf eine flexible Anpassung im Maschinen- und Anlagenbau. Ergo muss hier eine weitere Verkabelungsinfrastruktur-Ebene zwischen Profinet und der generischen Verkabelung installiert werden. Diese Ebene muss alle klassischen Netzwerke einer automatisierungstechnischen Applikation untereinander verbinden, weitere Teilnehmer in die Automationsaufgaben einbinden sowie die Kommunikation zum Unternehmensnetzwerk sicherstellen.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Profibus Nutzerorganisation (PNO) entschlossen, das Verkabelungssystem für Profinet zu erweitern. Die Herausforderung für die Experten lag in einem Verkabelungssystem, welches mindestens Ethernet nach 1000Base-T mit 1 GBit/s überträgt und dabei die für den Industriebereich geeignete robuste Technik mit ihren einfachen Installationsbedingungen adaptiert. Ergebnis ist eine 4-paarige In­stallationstechnik, die vollständig kompatibel zu Profinet nach 100Base-T ist. Dies wird erreicht, indem wichtige Parameter der 2-paarigen Verkabelung – etwa der geringe Delay Skew (Sig­nal-Laufzeit-Unterschied) zur Garantie der Echtzeit-Übertragung IRT – auch bei der 4-paarigen Verkabelung gelten. Das heißt: Alle Anwendungen, die bislang mit einer 2-paarigen Verkabelung betrieben wurden, sind jetzt bei der 4-paarigen Verkabelung möglich.

Ebenso übernommen wurde die robuste Ausführung der Komponenten, so dass beide Verkabelungssysteme gleichberechtigt in der rauen industriellen Umgebung einsetzbar sind. Leiterquerschnitte, die eine umständliche Berechnung der Übertragungslängen überflüssig machen, Farbcodierungen nach dem populären Standard TIA568 sowie aufeinander abgestimmte Leitungen und Steckverbinder erleichtern dem Planer und Installateur die Arbeit. So sind künftig anspruchsvollere Anlagen ohne Systembruch mit einer Profinet-Verkabelung ausrüstbar. Dabei kann – abhängig vom jeweiligen Teil der Anlage – eine 2- oder 4-paarige Verkabelung im Channel eingesetzt werden.

Steckverbinder in RJ45/M12

Bei den Steckverbindern ist zu beachten, dass diese auch bei der Polzahl und der Signalintegrität die Anforderungen erfüllen. Der RJ45 ist heute in Cat5- bis Cat6_A-Ausführungen erhältlich – und damit zukunftssicher. Anders verhält es sich beim M12.

Der 4-polige, nach IEC 61076-2-101 D-codierte M12-Steckverbinder, welcher heute in vielen Automatisierungssystemen zum Einsatz kommt, ist nur für 100Base-TX geeignet, da er lediglich vier Kontakte hat. Für 1000Base-T und 10GBase-T eignet sich hingegen der 8-polige M12 mit X-Codierung gemäß IEC 61076-2-109. Er erfüllt Cat6_A und stellt somit ebenso eine zukunftssichere Lösung für die 4-paarige Profinet-Verkabelung dar.

Autor: Bernd Horrmeyer ist Fachreferent für die industrielle Netzwerk-Verkabelung bei Phoenix Contact, Blomberg.

Gigabit-Ethernet im Industrieumfeld

Spannungscodierung bei Ethernet: Geringere Signalabstände bei Gigabit- Ethernet mit PAM (Pulse Amplitude Modulation) erhöhen die Gefahr einer Störung gegenüber Fast-Ethernet mit MLT (Multi Link Trunk).

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Elektrisch wird Gigabit-Ethernet im Standard IEEE 802.3 beschrieben. Hier ist auch die Signalcodierung niedergelegt, die nach den Verfahren PAM 5 und PAM 16 verläuft (PAM = Pulse Amplitude Modulation). Im Gegensatz zu Binärsignalen, bei denen nur der untere und obere Spannungspegel die Information tragen, wird der Spannungs­bereich bei PAM von –1 V bis +1 V in 5 oder 16 Pegel aufgeteilt, die die Informationen tragen. Dies bedeutet, dass der Spannungsunterschied zwischen zwei Informationspegeln bis auf 133 mV sinken kann.

Schon leichte Beeinträchtigungen können daher eine Spannung induzieren, die den ursprünglichen Informationsgehalt zerstört. Bei IEEE geht man von standardmäßig definierten Störungen aus, die für das Büro-Umfeld zutreffen können und die Identifizierung des korrekten Signal-Inhalts noch ermöglichen. Störungen im Industrieumfeld sind meist stärker, und Echtzeit-Anforderungen akzeptieren keine Paketwiederholungen. Dies hat zur Folge, dass zur Übertragung von Gigabit-Ethernet im Industriebereich deutlich höhere Schutzmaßnahmen erforderlich sind, als sie von der IEEE für das Büro-Umfeld definiert sind.

Dabei kommt es auf die Qualität der Komponenten an, die eine möglichst geringe Dämpfung des Signals über den ganzen Frequenzbereich sicherstellen sollen.Zum Schutz gegen Einkopplung von äußeren Störungen ist zudem eine qualitativ hochwertige Schirmung erforderlich. Umso wichtiger ist es, geschirmte Komponenten einzusetzen und eine möglichst hohe Systemreserve vorzuhalten. Maßstab für die Schirmqualität ist die Kopplungsdämpfung, die einen Wert von 80 dB erreichen sollte. So wird auch die Trennklasse d nach EN 50174-2 erreicht, so dass Kommunikationsleitungen direkt neben Leistungsleitungen verlegbar sind. Dies ist ein wichtiges Kriterium bei engen Platzverhältnissen und Leitungspaketen – etwa an Robotern. Die Kombination dieser Maßnahmen stellt ein solides Fundament für die Übertragung von Gigabit-Ethernet im Industriebereich dar.