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Durchblick im Datensteckverbinder-Dschungel

Ob Kupfer oder Lichtwellenleiter, Schaltschrank oder Gerät, Schweißbereich oder Chemieanlage – industrielle Kommunikationssysteme lassen sich in der Automatisierungstechnik einsetzen. Mit einem angepassten Installationskonzept und durchdachten Lösungen für die schnelle Installation im Feld lassen sich flexible und zuverlässige Strukturen im Maschinen- und Anlagenbau leicht realisieren.

Mit der zunehmenden Dezentralisierung der Automatisierungstechnik steigt der Kommunikationsbedarf zwischen den Geräten, die sich sowohl in der geschützten Umgebung eines Schaltschrankes wie auch immer häufiger im rauhen „Feld“ befinden. Bei der Entscheidung für ein industrielles Kommunikationssystem stehen heute Feldbus-Systeme – etwa Interbus – sowie Systeme des Industrial Ethernet – etwa Profinet – im Fokus. Maßgebend für den Erfolg eines Systems ist auch das Verkabelungskonzept mit seiner an das Fertigungsumfeld angepassten Topologie, seinen Auslegungsregeln und seinen Komponenten. Phoenix Contact bietet hier ein breites Produktspektrum an Steckverbindern – je nach Typ, Anwendungsgebiet, Übertragungsmedium und Schutzart.

Übertragen mit Strom und Licht

Als Medien ermöglichen die relevanten Systeme eine elektrische Datenübertragung mit symmetrischen Leitungen sowie eine optische Datenübertragung mittels Lichtwellenleiter. Daneben spielen weitere Rahmenbedingungen im Industriebereich eine Rolle: Das System muss sich einfach installieren, in Betrieb nehmen, warten, diagnostizieren und im Fehlerfall reparieren lassen. Wichtige Komponenten, mit denen sich diese Ziele verwirklichen lassen, sind die eingesetzten Steckverbinder.

 

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Bild 1. Im Industrial Ethernet bilden die unterschiedlichen Netzwerke eine Hierarchie.

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Bild 1. Im Industrial Ethernet bilden die unterschiedlichen Netzwerke eine Hierarchie.

Innerhalb der Kommunikationsnetzwerke eines Unternehmens werden heute neben den anwendungsneutralen generischen Netzwerken im Fertigungsbereich nach IEC 11801/24702 auch anwendungsspezifische Netzwerke innerhalb der so genannten Automation Islands nach IEC 61918 betrieben. Bei Ethernet-basierten Lösungen reichen die Ansätze von der generischen Kommunikationsverkabelung in den Industriebereich bis hin zu speziellen Komponenten und Topologien. Etablierte Feldbus-Systeme basieren meist auf RS 485 oder CAN und bedienen sich immer spezieller Komponenten. Normativ ist dies vom IEC in mehreren Standards beschrieben (Bild 1).

Feldbus-Organisationen haben eigene Definitionen

Der Anwender muss bei der Komponentenauswahl neben den übertragungstechnischen Eigenschaften zusätzlich die Umgebungsbedingungen beachten. Eine systematische Beschreibung der Umweltbedingungen erfolgt mit dem MICE-Konzept nach IEC TR 29106 für die Belastungen Mechanik, Fremdstoffe, Klima und EMV sowie den Schärfegraden 1, 2 und 3 für Büro, leichter und schwerer Industriebereich. Feldbus-Organisationen haben oft eigene Definitionen, etwa für inner- und außerhalb des Schaltschranks. Darüber hinaus haben geschirmte Leitungen sowie das Erdungsund Potentialausgleichssystem erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Netzwerks. Der Schirmanschluss der symmetrischen Leitungen ist allseitig mit dem – vorzugsweise vermaschten – Potentialausgleichssystem zu verbinden. Potentialdifferenzen zwischen den Erdungspunkten erzeugen Ausgleichsströme, und diese wiederum Störungen in der Verkabelung. Falls kein ordnungsgemäßes Potentialausgleichssystem besteht, sollten optische Verbindungen genutzt werden.

 

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Bild 2. Bei den Devicenet-Steckverbindern können die ankommende sowie die abgehende Leitung bequem mittels Federkrafttechnik angeschlossen werden.

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Bild 2. Bei den Devicenet-Steckverbindern können die ankommende sowie die abgehende Leitung bequem mittels Federkrafttechnik angeschlossen werden.

Steckverbinder mit Schnellanschlusstechnik

Feldbus-Systeme sind physikalisch bei der elektrischen Datenübertragung so gestaltet, dass ein Signal nur einmal eingespeist wird und dann an jeder Position der Übertragungsstrecke zur Verfügung steht. Somit kann jeder Teilnehmer das Signal an einem beliebigen Ort nahezu rückwirkungsfrei durch eine rein passive Parallelschaltung seines Empfängers „anzapfen“. Genauso verhält es sich mit dem Sendesignal. Dabei regelt das Software-Protokoll, dass immer nur ein Sender aktiv ist. Zur Vermeidung von Reflexionen ist die Leitung beidseitig mit der Impedanz der Leitung abzuschließen, außerdem sind Stichleitungen kurz zu halten. Durch diese Physik ist eine Linientopologie vorgegeben. Bei der Planung sind die Abschluss-Widerstände zu berücksichtigen, die entweder in den Geräten integriert oder als externe Komponenten vorzusehen sind. Durch die Parallelschaltung der Signale werden Steckverbinder am Gerät benötigt, in denen die ankommende und die abgehende Leitung vor Ort angeschlossen werden (Bild 2).

Vorteilhaft sind hierbei Steckverbinder, die auf den jeweiligen Feldbus ausgelegt sind und über eine Schnellanschlusstechnik verfügen. Oft werden die Abschlusswiderstände auch schon im Steckverbinder zuschaltbar integriert, wobei gleichzeitig die abgehende Leitung abgeschaltet wird. So muss bei einer Anlagenänderung anstelle einer Neuinstallation nur ein Schalter betätigt werden. Auch bei der Inbetriebnahme und der Fehlersuche lässt sich der Bus systematisch und schrittweise auf- und abschalten. Hier können besonders einfach anzuwendende vorkonfektionierte Leitungen genutzt werden – sofern am Gerät ein T-Verteiler ist, in dem die ankommende und die abgehende Leitung eingesteckt werden.

1. Teil: Durchblick im Datensteckverbinder-Dschungel
2. Teil: Anwendungsneutrale Verkabelungsstruktur
3. Teil: Der Steckverbinder muss sich für unterschiedliche Fasertypen eignen