Industrienetzwerke Hybride liegen im Trend

In der Automatisierungsindustrie wachsen die verschiedenen Ebenen immer weiter zusammen. Neben dem Trend zu Ethernet-basierten Vernetzungslösungen bis hinunter in die Feldebene ist auch ein Trend hin zu Hybridleitungen zu beobachten, über die sowohl die Kommunikation als auch die Stromversorgung läuft. Dafür sind besondere Steckverbinder nötig.

Vor allem im Bereich der Vernetzung wachsen die verschiedenen Ebenen der Automatisierung immer weiter zusammen.

Die unterschiedlichen Ebenen in der industriellen Fertigung lassen sich anhand der Automatisierungspyramide (Bild 1) verdeutlichen.

Die Grenzen der Ebenen können dabei durchaus fließend sein. In der traditionellen Produktionslinie wurden die verschiedenen Geräte bisher mit fünf unterschiedlichen Netzwerksystemen gesteuert: Ethernet, Feldbus, Sicherheit, Stromversorgung 24 V und Stromversorgung 400 V.

Für die einzelnen Ebenen haben sich hierbei verschiedene Techniken der Datenübertragung und -verarbeitung entwickelt, die mit unterschiedlichen Verkabelungs- und Steckverbindersystemen ausgestattet wurden. Neben Festverdrahtung finden für die Signalübertragung die Steckverbindersysteme RJ45 sowie M8 und M12 Anwendung.

Für die Stromversorgung kommen zum Beispiel M12, 7/8“, M16, M23 sowie verschiedene Rechteck-Steckverbindersysteme zum Einsatz. Derzeit ist eine Technologiewende zu beobachten, und man strebt an, alle Baugruppen des Feldbus- und Sicherheitsnetzwerks im Ethernet unterzubringen. Molex unterstützt diese Entwicklung durch Produkte zum Beispiel für Ethernet, Ethernet-IP, Profinet und CIP Safety.

Darüber hinaus geht der Kurs im Ethernet-Bereich mehr und mehr zur drahtlosen Übertragung, um einerseits Installationskosten zu sparen und andererseits flexibler und mobiler zu werden. Dies ist allerdings nur möglich, wenn keine zusätzliche Stromversorgung notwendig ist.

Ist dem nicht so und ist eine hohe Übertragungssicherheit erforderlich, zeichnet sich der Trend ab, die Vielzahl von verschiedenen Signal- und Stromversorgungsverkabelungen durch Hybridlösungen zu ersetzen. Dabei sind verschiedene Leitungen zur Signal- und Stromversorgung in einem Kabelstrang zusammengefasst und werden mit Hybrid-Steckverbindersystemen verbunden (Bild 2).

Für Ethernet-Anwendungen gibt es seit vielen Jahren die traditionellen RJ45-Stecker und -Buchsen, die über Cat5E und Cat6A zu Power-over-Ethernet (PoE) weiterentwickelt wurden. Hier sind Datenübertragungen im 10-Gigabit/s-Ethernet und eine Leistungsübertragung bis 30 W pro Port möglich. In Büroanwendungen wie zum Beispiel Netzwerk-Routern, Telefonen oder Webcams werden diese bereits seit Jahren eingesetzt.

RJ45 oder M12?

In der Netzwerkverteilung kommen heute bereits PoE-Komponenten mit bis zu 16 Ports zur Datenverteilung zum Einsatz. Bei Industrieverkabelungen ist man zunächst dazu übergegangen, die Einzelverdrahtung durch Stecksysteme zu ersetzen, um Umbauten flexibler und schneller zu gestalten sowie die Verdrahtungssicherheit zu erhöhen.

Mit steigendem Einsatz von Ethernet-basierten industriellen Netzwerken (Profibus, Profinet) werden Industrieverteilerfelder mit Stamm- und Stichleitungen eingesetzt. RJ45-Stecksysteme, die bisher ausschließlich im Innenbereich und Büroumfeld eingesetzt wurden, werden durch zusätzliche Rund- oder Rechteckgehäuse industrietauglicher. Gleichzeitig entwickeln die Hersteller auch hier Hybridlösungen, mit denen zusätzlich Stromversorgung in einem Kabelstrang angeboten werden kann.

Diese kostenintensiven Lösungen werden allerdings zunehmend durch das wesentlich robustere und zuverlässigere M12-Stecksystem ersetzt, das zudem noch eine wesentlich kleinere Bauform bietet. So lassen sich in der M12-Hybrid-Baureihe »CHT« (Circular Hybrid Technology) von Molex (siehe Bild 2) in der Standard-M12-Baugröße zwei geschirmte Signalkontaktpaare sowie zusätzlich zwei oder vier Stromversorgungskontakte unterbringen.

Dies ermöglicht eine Signalübertragung mit Cat5E bis 100 MHz sowie Stromversorgung bis 10 A bei zwei Leistungskontakten beziehungsweise 6 A bei vier Leistungskontakten.

Damit lassen sich mit nur einer Leitung zum Beispiel Überwachungskameras, Impulsgeber und Automatisierungskomponenten für Sensoren auch in sehr rauen Umgebungen versorgen. Gleichzeitig laufen Entwicklungen, die nach IP67 geschützten Industrieverteilerfelder mit M12-Hybridsystemen zu erweitern (Bild 3).

Nicht nur für die Automatisierung

Außerhalb von industriellen Applikationen finden M12-Hybrid-Stecksysteme zunehmend Einsatz in der Automobilindustrie, im Nutzfahrzeug- und im Schiffbau sowie bei Bergbau- und Offshore-Anwendungen. Beispielhaft sei hier eine Applikation aus der Beleuchtungsindustrie genannt. Im genannten Beispiel wurde in einer europäischen Großstadt zu Weihnachten 2010 eine neue und einheitliche Weihnachtsbeleuchtung eingerichtet.

Neben gestalterischen und städtebaulichen Aspekten wurde besonderen Wert auf Ökonomie und Nachhaltigkeit gelegt. Die Beleuchtung wurde mit zahlreichen Sternen realisiert (Bild 4). Jeder Stern besteht aus 14 Strahlen und ist jeweils mit genauso vielen LEDs der neuesten Generation bestückt. Die 9800 Sternstrahlen lassen sich alle einzeln von einer Zentraleinheit ansteuern und mit warmweißem Licht beleuchten.

Eine Zentraleinheit mit DMX/ACN-Protokoll leitet die Signale übers Intranet an Unterverteiler weiter, wo sie in ein EtherCAT-Signal umgewandelt und über weitere Verteilerboxen an die Sterne weitergeleitet werden. Das System hat etwa eintausend EtherCAT-Knoten. So lassen sich beispielsweise Videosignale übertragen, um dann über die Sternstrahlen monochrome Videobilder erzeugen zu können.

Da für die Befestigung der Sterne Tragseile in den Altstadtgassen erforderlich sind, wollte man nicht noch zusätzlich zwei verschiedene Leitungen für die Signalübertragung und Stromversorgung anbringen, deshalb kam das M12-Hybridstecksystem »CHT 4+2« von Molex zum Einsatz. Neben ästhetischen Vorteilen (weniger Kabel über den Gassen) bringt die Ausstattung mit einem Hybrid-Stecksystem auch Kosten- und Zeitvorteile, da nur halb so viele Kabel zu montieren sind wie bei konventioneller Verkabelung.

Die fest montierten Wandverteiler enthalten Hybrid-Gerätedosen, auf die jeweils die entsprechenden Hybrid-Kabelstecker aufgeschraubt werden. Dadurch lässt sich die Beleuchtung schnell montieren beziehungsweise demontieren, und die dichte, gegen Feuchtigkeit geschützte Verbindung arbeitet über viele Jahre zuverlässig.