Verkabelungskonzept für Profinet-Netzwerke

Der Kommunikationsbedarf im Produktionsumfeld mit Leitrechnern, Steuerungen sowie intelligenten Feldgeräten ist heutzutage deutlich höher als früher. Das Vordringen von Ethernet in den Produktionsbereich sorgt für eine transparentere Durchgängigkeit. Von der Profibus Nutzerorganisation PNO wurde daher das Ethernet-basierte Kommunikationssystem Profinet entwickelt, das mit einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s dem Fertigungsumfeld optimal angepasst ist.

Der Kommunikationsbedarf im Produktionsumfeld mit Leitrechnern, Steuerungen sowie intelligenten Feldgeräten ist heutzutage deutlich höher als früher. Das Vordringen von Ethernet in den Produktionsbereich sorgt für eine transparentere Durchgängigkeit. Von der Profibus Nutzerorganisation PNO wurde daher das Ethernet-basierte Kommunikationssystem Profinet entwickelt, das mit einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s dem Fertigungsumfeld optimal angepasst ist.

Im Gegensatz zu dem wenig belastenden Einsatz in einem Büro hat ein Ethernet-Netzwerk im industriellen Einsatz häufig mit „harten“ äußeren Bedingungen zu kämpfen.

SchaltschrankFeldeinsatz
Schock (Beschleunigung)20 g20 g
Vibration10 bis 500 Hz: 5 g10 bis 500 Hz: 5 g
IP-SchutzklasseIP 20IP 65 und IP 67
Umgebungs-
temperatur
0oC bis +60oC-20oC bis +70oC

Die aus dem Bürobereich bekannte generische Gebäudeverkabelung gemäß den Normen IEC 11801/EN 50173 sowie die für den Industriebereich entwickelte generische Verkabelung gemäß der Norm IEC 24702 erfüllen nicht die Anforderungen des Maschinen- und Anlagenbaus hinsichtlich Flexibilität und Anpassungsmöglichkeiten an spezifische Anforderungen. Das Verkabelungskonzept für Profinet geht neue Wege: Es erlaubt auf Systemebene flexible Topologien, eine vereinfachte Auslegung der Verkabelung zwischen aktiven Geräten sowie den Einsatz symmetrischer Kupferkabel und Lichtwellenleiter als Übertragungsmedium.

Innerhalb der Kommunikationsnetzwerke eines Unternehmens werden heutzutage neben den generischen Netzwerken gemäß der Normen IEC 11801/ 24702 im Fertigungsbereich Netzwerke innerhalb von so genannten Automation Islands gemäß IEC 61918 realisiert. Genau in diesem Bereich kommen Profinet- Netzwerke zum Einsatz (Bild 1).

Im Fall einer Maschine mit kurzen Leitungslängen ist eine sternförmige Verkabelung sinnvoll. Von einer zentralen Stelle – beispielsweise dem Schaltschrank – führt jeweils eine Leitung für die Datenübertragung zu den dezentralen Geräten. Dabei können durchaus verschiedene Datenübertragungstechniken eingesetzt werden.

Bei verketteten Anlagen ist die bei Feldbussystemen übliche lineare Verkabelung von Vorteil. Mit Geräten, die über eine interne Weiche (Switch) verfügen, lässt sich dies problemlos realisieren, indem die ankommende und weiterführende Leitung jeweils an einen Ethernet-Port gesteckt werden. Um eine höhere Verfügbarkeit des Netzwerks zu erreichen, zum Beispiel in sicherheitsrelevanten Anwendungen, wird oft eine Ringstruktur genutzt (Bild 2).

Die Verbindung zwischen zwei aktiven Geräten mit ihren passiven Komponenten wird als Kanal (Channel) definiert. Je nach Leistungsfähigkeit ihrer Komponenten werden die Kanäle in verschiedene Klassen eingeteilt. Bei der Definition des Kanals sind die Steckverbindungen an den aktiven Geräten ausgenommen. Dies ist bei der Ermittlung der Steckverbindungen im Kanal zu berücksichtigen.

Die Profinet-Steckverbinder-Suite von Phoenix Contact (Bild 5) unterstützt das Push- Pull-Steckverbinderkonzept für die elektrische und optische Datenübertragung sowie die Energieversorgung gemäß den Richtlinien der Profibus Nutzerorganisation PNO. Im Bereich der Schutzart IP 20, also im Umfeld des Schaltschranks, wird der aus der Bürowelt bekannte RJ-45-Steckverbinder für die elektrische Datenübertragung mit symmetrischen Kabeln eingesetzt. Es können aber auch geschirmte AWG-22-Leitungen angeschlossen werden. Der Steckverbinder Variosub RJ-45-Quickon weist eine Schnellanschlusstechnik gemäß PNO-Vorgabe auf. Darüber hinaus hat der RJ-45-Standard den Vorteil, dass sich beispielsweise ein Notebook im Servicefall schnell und unkompliziert anschließen lässt. Für eine dezentrale Automatisierung im Feld ist die Einhaltung der Schutzart IP 67 notwendig. Beim Push- Pull-Steckverbinderkonzept erfolgt die Datenübertragung über die gleichen RJ-45- Kontaktsysteme wie bei der Installation in Schutzart IP 20. Das zusätzliche Schutzgehäuse stellt hier die Einhaltung der Schutzart IP 67 sicher. Somit sind die neuen Push-Pull-Steckverbinder kompatibel zur Lösung in Schutzart IP 20 und ermöglichen ein durchgängiges Installationssystem.

Optische Signale über Multimode-, Singlemode-, HCS- oder Kunststofffasern (POF) werden mit dem SCRJ-Steckverbinder übertragen, der als SFF-Steckverbinder (Small- Form-Factor) ausgeführt ist. Für Lichtwellenleiter (LWL) aller Fasertypen wird ebenfalls eine Schnellanschlusstechnik angeboten. Beispielsweise braucht bei der POF-Faser lediglich die Faser geschnitten und in einer Schnellspannhülse fixiert werden. Bei der Inbetriebnahme und Diagnose ist außerdem die Kompatibilität des SCRJ-Steckers zum weit verbreiteten SC-Standard von Vorteil. Analog zur elektrischen Datenübertragung unterscheiden sich ebenfalls die LWL-Steckverbinder für Bereiche der Schutzart IP 20 und IP 67 lediglich durch ihr Gehäuse, so dass auch hier ein durchgängiges System gegeben ist.