Für die Verkabelung industrieller Kommunikations-Systeme wirken unterschiedliche Standards gemeinsam.

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Meist stehen bei automatisierungstechnischen Aufgabenstellungen die Auswahl der Geräte sowie die Implementierung der Software im Vordergrund. Bei der Inbetriebnahme oder spätestens bei einem unerwarteten Anlagenausfall werden Versäumnisse in der Verkabelung dann offensichtlich. Dabei kann man noch von Glück sprechen, wenn der Ausfall stabil und damit einfach lokalisierbar ist.

Häufiger kommt es jedoch zu einem sporadischen Ausfall, der nur unter bestimmten Bedingungen auftritt. Bei der anschließenden Fehlersuche sind die Bedingungen oft schon wieder ganz andere, und der Fehler ist nicht reproduzierbar. Die Folge: Meist kommen hier nur versierte Fachkräfte zum Erfolg - und dies nicht selten auch nur mit beträchtlichem Aufwand und Zeitbedarf.

Eine typische Fehlerquelle in automatisierungstechnischen Netzwerken ist ein fehlender oder falsch dimensionierter Abschluss-Widerstand. Reflexionen auf den Signalleitungen „korrumpieren" das Nutzsignal, welches dann vom Empfänger eventuell nicht richtig interpretiert wird. Minimieren lassen sich externe EMV-Einflüsse mittels einer geeigneten Schirmung. Erfolgt diese allerdings nur mit Komponenten, deren Schirmwirkung nicht ausreichend ist, oder umschließt die Kontaktierung des Leitungsschirms am Steckverbinder nicht 360°, so werden durch nahe Magnetfelder von Motoren, Leitungen und ähnlichen Quellen Spannungen auf den Signalleitungen induziert, die das Nutzsignal beeinträchtigen können - bis hin zur falschen Interpretation. Ergo muss der Schirm beidseitig mit dem Potenzialausgleich-System verbunden sein, da sich die eingekoppelten Felder sonst nicht ableiten lassen.

Wo weitere Fehlerquellen lauern

Allerdings liegt auch in der Schirmung eine typische Fehlerquelle: Potenzialunterschiede zwischen beiden Enden können durch ein Stromversorgungssystem entstehen, bei dem dieser Leiter auch als Neutralleiter benutzt wird - das so genannte TN-C-System. Verbraucher mit hohen Strömen in der Anlage verursachen ein Spannungsgefälle auf dem Potenzialausgleich, wodurch es zu Ausgleichsströmen auf dem Schirm kommt. Das dadurch erzeugte Magnetfeld stört - wie bereits beschrieben - ebenfalls die Nutzsignale.

Auch bei optischen Netzwerken gibt es einige Sachverhalte, die in der Praxis zu Problemen führen. So ist aus physikalischen Gründen die passende Zuordnung von Wellenlänge, Fasertyp und Transceiver zwingend notwendig. Nur für den jeweiligen Fasertyp geeignete Steckverbinder und Kupplungen sind weiterhin in der Lage, die Datenübertragung optisch korrekt sicherzustellen. Werden hier in der Planung falsche Zuordnungen getroffen, wird dieser Fehler bei der Inbetriebnahme augenfällig und teure Geräte sind aufwendig auszutauschen.

Umgebungsbedingungen im industriellen Umfeld mit Einflussgrößen wie Flüssigkeiten, Staub, Chemikalien, Bewegung, Schock oder Vibrationen tun ein Übriges, um dem Netzwerk-Errichter seine Arbeit zu erschweren. Sind die eingesetzten Komponenten von ihrer Bauart her nicht dafür ausgelegt, resultiert dies früher oder später zwangsläufig in einem Ausfall. Ist der Störungsfall erst einmal eingetreten, kommt es auf die schnelle Beseitigung an. Auch die noch so kompetente Fachkraft ist überfordert, wenn sich ihr nicht erschließt, wie das Netzwerk aufgebaut ist und welche Bestandteile wo zu finden sind. Nur eine sorgfältige Markierung der Komponenten und Dokumentation des Netzwerks schaffen hier eine effiziente Abhilfe.

Für alle gilt dieselbe Physik

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Alle im industriellen Umfeld eingesetzten Systeme unterliegen der gleichen Physik - viele der hier geltenden Definitionen und Regeln weisen daher Ähnlichkeiten auf. So war es naheliegend, unter der Führung der IEC im Rahmen der Standardisierung von industriellen Kommunikationssystemen auch deren Verkabelung zu normieren.

Allgemeingültig beschrieben wird dies in der IEC 61918. Hinzu kommt noch die Serie IEC 61784-5, in der spezifische Aspekte einzelner Kommunikationssysteme - der so genannten Profile - durch Referenzierung, Ergänzung oder Modifikation von Festlegungen aus der IEC 61918 definiert sind. Für die Verkabelung jedes Kommunikationssystems gilt die Installationsnorm des Profils zusammen mit der IEC 61918. Ziel dieser Normen ist es, allen Beteiligten für alle Phasen des Projektes Definitionen zu liefern, sodass eine rationelle Ausführung der Netzwerk-Installation möglich ist.

Der Betreiber einer industriellen Anlage kann durch Bezug auf diese Normen und durch die gezielte Auswahl von Optionen dafür sorgen, dass die Kommunikationsverkabelung seinen Gütekriterien entspricht und er damit die Wahrscheinlichkeit von Kommunikationsproblemen beziehungsweise von damit einher gehenden Produktionsausfällen minimiert. Verantwortlich für die detaillierten Spezifikationen der Verkabelungsstrecken ist hingegen der Planer der Kommunikationsverkabelung. Neben der geforderten Datenübertragungsleistung muss er auch die elektrische und optische Sicherheit, die Umweltbedingungen, die EMV-Einflüsse sowie Potenzialausgleichs-Maßnahmen beachten. Zu all diesen Punkten findet er heute in den aufgeführten Normen entsprechende Richtlinien, sodass er die geeigneten Komponenten und Installationsmaßnahmen wählen kann.

Zur Etablierung einer definierten Schnittstelle zwischen den industriellen Kommunikationssystemen und der kommerziellen Kommunikation wurde das Konzept des „Automation Island" eingeführt, welches alle Feldbus- und Industrial-Ethernet-Verkabelungen der Anlage als Container beinhaltet. Aus Sicht der kommerziellen Netzwerk- Verkabelung ist das Automation Island damit ein an dieses Netzwerk angeschlossener „Kasten", um den man sich keine weiteren Gedanken macht. Alles, was sich in diesem Kasten befindet, ist in der Verantwortung der Automatisierungstechnik. Umgekehrt bedeutet dies für die Automatisierer aber auch, dass sie ohne Rücksicht auf die generische Verkabelung innerhalb des Automation Island die Bedürfnisse des Maschinen- und Anlagenbaus flexibel mit ihren Netzwerken erfüllen können. Damit besteht eine klare Trennung in den Verantwortlichkeiten für die anwendungsneutrale generische Verkabelung der Unternehmenskommunikation sowie für die anwendungsspezifische industrielle Verkabelung der Automatisierungstechnik.

Sorgfältige Dokumentation ein Muss

Normen definieren heute eine deutliche Schnittstelle zwischen kommerziellen und industriellen Netzwerken.

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Bebilderte Regeln und Hinweise ermöglichen dem Installateur eine hochwertige Verkabelung gemäß den Anforderungen des Planers, der Komponenten- Hersteller und der spezifischen Umweltbedingungen. Unproduktive Nacharbeit ist so von Beginn an vermeidbar. Mit den Angaben zu den Messmethoden der Abnahmeprüfung, die für das jeweilige Netzwerk spezifisch sind, sowie mittels einer Checkliste lässt sich die Konformität mit den Planungsunterlagen zudem effizient ermitteln und dokumentieren.

Ein Aspekt, der nach wie vor häufig recht stiefmütterlich behandelt wird, ist eine sorgfältige Beschriftung sowie eine Netzwerk-Dokumentation mit Änderungs-Organisation. Dabei bilden diese die Basis für ein Verwaltungssystem, dessen Aufbau in den Normen ebenfalls beschrieben ist. Zusammen mit dem empfohlenen Prinzip der vorbeugenden Instandhaltung kann der Anlagenbetreiber so den laufenden Betrieb möglichst lange aufrecht erhalten und die schnelle Fehlerbeseitigung unterstützen. Und sollte trotz aller Vorsichtsmaßnahmen während des Betriebs die Kommunikation doch einmal gestört werden, liefern die Normen ebenfalls hilfreiche Tipps zur Störungsbehebung. Sie beinhalten umfangreiche Checklisten, Ablaufpläne und Lösungsvorschläge zur Fehlersuche, die auf die unterschiedlichen Systeme abgestimmt sind. So kann auch weniger versiertes Personal schnell die Ursache ermitteln und Abhilfe schaffen.

Kurzum: Diese aktuellen Normen zur Verkabelung industrieller Kommunikationssysteme bilden ein mächtiges Werkzeug für alle Instanzen, die an der Planung, Errichtung und dem Betrieb sowie an der Störungsbeseitigung einer Anlage beteiligt sind - man muss es nur nutzen! Zudem unterstützen sie die Interoperabilität und Zuständigkeitszuordnung zwischen Netzwerken der regulären Informationstechnik und der Industrie-Automation. Für die mit industriellen Netzwerken befassten Personen ist mit diesen Normen ein weißer Fleck beseitigt worden. Die weitere Entwicklung, wie beispielsweise der Trend zu höheren Datenraten, lässt sich somit nun auf einem soliden Fundament aufbauen.

Autor: Bernd Horrmeyer

ist Fachreferent für Industrielle Netzwerk-Verkabelung bei Phoenix Contact in Blomberg.