Industrial Ethernet Smart Factory braucht eine potente PROFINET-Verkabelung

Autor / Redakteur: Rainer Schmidt * / Kristin Rinortner

PROFINET-Verkabelung und Strukturierte Verkabelung müssen für die Smart Factory zu einer Smart Factory Infrastructure verknüpft werden. Der Beitrag gibt einen Überblick zum Stand der Technik.

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Eine intelligente Produktion benötigt ein durchgängiges und intelligentes Netz mit Teilnehmern/Komponenten, die untereinander einfach und dennoch in Echtzeit und absolut verlässlich – also gesichert – kommunizieren können. Netzwerke für die Industriekommunikation, die schnell, sicher und zuverlässig arbeiten gibt es – z.B. PROFINET. Aber PROFINET ist ein eigenständiges, propritäres System, bei dem sich primär PROFINET Komponenten miteinander unterhalten.

Um gleichzeitig die Anforderungen der Smart Factory nach einer offenen, barrierefreien Kommunikation zu erfüllen, muss sich PROFINET öffnen. Es muss kompatibel zu anderen Netzwerkphilosophien werden. Und zwar ohne seine spezifischen Eigenschaften wie die Echtzeitkommunikation in Conformance Class C zu verlieren.

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PROFINET nutzt Ethernet nach IEEE 802.3 als Kommunikationsplattform. Gegenüber der PROFIBUS-Philosophie hat PROFINET grundsätzlich alle Möglichkeiten auch in einer offenen Netzwerkarchitektur zu arbeiten.

Somit kann PROFINET schon heute eine Reihe von Funktionen für die Smart Factory abbilden. Weitere Funktionen werden dazu kommen. Das ist primär ein Thema der Systemdesigner (Hard- und Softwareentwicklung), die zunehmend einen erweiterten Rahmen der PROFINET-Spezifikation vorfinden. Diese Spezifikationen werden in den PROFINET-Richtlinien der PNO (PROFINET Nutzerorganisation) entwickelt und dokumentiert.

Ein ganz wichtiger Baustein fehlt allerdings noch. Die passive Infrastruktur oder einfach die Verkabelung: PROFINET wurde immer als ein Lösungspaket für seine Anwender verstanden. Da hört der Systemgedanke nicht bei der SPS auf. Bei PROFINET werden alle notwendigen Komponenten des Systems umfassend betrachtet und kontrolliert – auch die Verkabelung. Strenge Vorgaben an Kabel, Steckverbinder und Installation führen zu einer verlässlichen, hoch verfügbaren Netzwerkinfrastruktur.

Die Herausforderung PROFINET GigaBit Ethernet

PROFINET hat zur Sicherung der Qualität des Netzes jedoch sehr enge Grenzen gesetzt. Diese wurden maßgeblich durch das Automatisierungsprotokoll PROFINET selbst definiert. Für die Verkabelung hieß das: PROFINET = Fast Ethernet mit 100 MBit/s plus spezielle Festlegungen an Kabel und Steckverbinder, z.B. Sternvierkonstruktion in Kategorie 5 und vierpolige RJ45 (IP20) bzw. M12 D-kodierte (IP65/67) Steckkomponenten – feldkonfektionierbar.

Soll PROFINET aber in Zukunft barrierefrei bis in die SAP-Ebene eines Industrieunternehmens hinein kommunizieren, stößt es auf die Strukturierte Verkabelung, die die IT-Infrastruktur des Unternehmens mitbringt. Bei der Strukturierten Verkabelung wird eine andere Philosophie als bei der PROFINET-Verkabelung vertreten. Sie ist nicht mit einer Anwendung verknüpft, sondern ist anwendungsneutral und liefert damit Übertragungswege für unterschiedliche Dienste (Telefonie, Daten, Video, Steuerungen usw.).

Auch das ist noch kein unlösbarer Widerspruch. PROFINET mit Fast Ethernet läuft auch auf einer Strukturierten Verkabelung dank Abwärtskompatibilität, die in Verkabelungsstandards festgelegt ist (ISO/IEC 11801, EN 50173-1 und 3).

Allerdings arbeiten die meisten IT Systeme heute mit GigaBit Ethernet. Viele Geräte, Kameras zu Produktionsüberwachung oder Steuerungen besitzen nur noch Schnittstellen mit GigaBit-Funktionalität oder höher. Selbst kleinere Netzknoten oder Sensor-/Aktoreinheiten arbeiten schon mit Gigabit Ethernet und POE oder POE+ zur Spannungsversorgung über das gleiche Kabel. Somit heißt die eigentliche Herausforderung für PROFINET GigaBit Ethernet. Und das bedeutet für die PROFINET Verkabelung acht Adern in Kupferkabeln und acht Kontakte in Steckverbindern.

Und damit gibt es Strukturierte Verkabelung für PROFINET? Noch nicht ganz. Die PNO hat PROFINET in der heutigen Form und nach Conformance Class A bereits für die Strukturierte Verkabelung zertifiziert. D.h., es ist heute möglich, eine vieradrige PROFINET-Verkabelung mit einer achtadrigen Strukturierten Verkabelung zu koppeln. Zumindest bei Nutzung der RJ45-Technik (IP20) geht das auch stecktechnisch gesehen völlig problemlos.

Untersuchungen haben ergeben, dass die ungenutzten Paare 4/5 und 7/8 der strukturierten Verkabelung dabei wellenwiderstandsmäßig nicht zusätzlich durch 100-Ω-Widerstände abgeschlossen werden müssen. Somit ist die Migration der PROFINET-Verkabelung zur strukturierten Verkabelung bereits in vollem Gange.

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Aber wie sieht es umgekehrt aus? Was machen Geräte und Einrichtungen, die sich an PROFINET ankoppeln wollen und GigaBit Ethernet mitbringen? Dieses Problem hat auch die PNO erkannt – neben Herstellerfirmen vor allem die PROFINET-Anwender. Diese werden immer öfter damit konfrontiert, Gigabit-Geräte in eine PROFINET-Landschaft einzubinden. Deshalb sind die Zeichen der Zukunft bei PROFINET ganz klar in Richtung GigaBit Ethernet und kompatible Verkabelungsinfrastruktur gestellt.

Interessanterweise sind es wieder die Verkabeler, die sich zuerst mit der Thematik auseinandersetzen und Lösungen zum Thema Fast Ethernet vs. GigaBit Ethernet also vieradrig vs. achtadrig vorantreiben.

Auswirkungen auf die PROFINET-Verkabelung

Die PROFINET Verkabelung, wie wir sie heute kennen, wird nicht über Bord geschmissen nur weil wir über Smart Factory nachdenken. Aber sie wird in diese Richtung weiterentwickelt. Dazu erweitert die PNO ihre Verkabelungsrichtlinie um achtadrige Lösungen. Immer unter der Maßgabe, die Installation weiterhin einfach, robust und sicher zu halten.

Somit wird weiter auf industrietaugliche Verkabelungskomponenten gesetzt – nur eben auch übertragungstechnisch für Gigabit Ethernet geeignet, also achtadrig und mindestens Kategorie 5 (100 MHz), besser Kategorie 6 (250 MHz) oder 6A (500 MHz). Kategorie 6A ist erforderlich bei 10 Gigabit Ethernet Übertragungen.

Als Verkabelungsprodukte hat PROFINET neue achtadrige Kabel mit PVC- und PUR-Mantel (Bild 1) definiert. Diese Kabel sind wie bisher für feste und flexible Installation sowie für Sonderanwendungen z.B. Schleppkettenausführung oder Hybridkabel (mit zusätzlichen Powerleitungen im selben Kabel) nach Typ A, B und C klassifiziert. Der Sternvierer hat dabei allerdings ausgedient. Die geschirmten Kabel werden mit AWG24 Adern (Vollader oder Litze) in einer Konstruktion mit Trennstern oder als PIMF (Pair In Metal Foil) angeboten. Die Variante mit Trennstern lässt sich etwas besser verarbeiten, da die Einzelfolien wegfallen.

Allerdings führt diese Konstruktion zu einem größeren Außendurchmesser, der sich wiederum nicht mit den Kabeleinführungen und Verschraubungen der meisten Steckverbinder verträgt, so dass viele Anwender die PIMF-Varianten bevorzugen.

Steckverbinder: Migration nach oben

Im Bereich der Steckverbinder wird eine Migration nach oben angestrebt d.h., der PROFINET-RJ45-Stecker wird zukünftig achtpolig ausgeführt und alle acht Kontakte werden konform zur strukturierten Verkabelung belegt mit ½, 3/6, 4/5 und 7/8 (s.a. Steckverbindernorm IEC 60603-7-x)

Dabei werden besondere Eigenschaften wie Stecktiefe, Vibrationssicherheit und Kontaktgüte (Goldauflage, Porenfreiheit nach DMG, erhöhte Korrosionsfestigkeit usw.) von der vieradrigen Variante übernommen (Bild 2). Für die IP65/67 tauglichen Steckverbinder wird der RJ45 in PROFINET-Gehäusetypen wie den Han 3A oder Han PushPull (AIDA Schnittstelle) integriert. Der vierpolige M12-Stecker D-kodiert wird ersetzt durch den neuen achtpoligen M12-Stecker X-kodiert in Cat.-6A (s.a. Steckverbindernorm nach IEC 61076-2-109).

Zusätzlich hat PROFINET neue Verkabelungskomponenten wie das Schaltschrankcord (Bild 3) definiert (cabinet cord). Diese IP20-Komponente wird fertig konfektioniert und geprüft angeboten (wird also nicht mehr vor Ort konfektioniert) und trägt den Anforderungen nach Platzersparnis und guter Handhabung besonders im Schaltschrank Rechnung. Aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen an eingesetztem Stecker und Kabel und an die Verarbeitung, garantiert das Schaltschrankcord die von PROFINET geforderte Betriebssicherheit über die volle Lebensdauer der Anlage.

Das Unternehmen aus Espelkamp nutzt hierzu seine Umspritzung DualBoot, die einen engen Biegeradius bei guter Handhabung der Entriegelungslasche zulässt (geringes Platzangebot im Schrank oder im Verteiler ist kein Problem).

Smart Factory wird propritäre Lösungen, so wie wir sie bisher gerade auch aus Automatisierungsinseln kennen, mehr und mehr aufbrechen und über eine einheitlich Infrastruktur neu zusammenfügen. Die einheitliche Kommunikationsinfrastruktur ist dazu ein elementarer Baustein.

Auch wenn PROFINET-Verkabelung und Strukturierte Verkabelung ursprünglich unterschiedliche Ansätze verfolgt haben, lassen sich beide Philosophien gut miteinander verknüpfen. Smart Factory braucht eine „Smart Network Infrastructure“, SNI.

* Rainer Schmidt arbeitet als Business Development Manager Structured Cabling bei HARTING Electronics in Espelkamp.

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