Cat5e-Ethernet-Kabel Konzept für die Fabrik der Zukunft

Über die Realisierung von Industrie 4.0 wird in der Öffentlichkeit seit mehr als vier Jahren diskutiert. Ziel ist es, durch die sogenannte intelligente Fabrik (Smart Factory) Produktionsvorteile zu erlangen. Nach so viel Diskussion sind klare, realisierbare Konzepte gefragt.

Dass die Fertigung der Zukunft noch in viel höherem Maße als heute vernetzt sein wird, zeigen mehrere Forschungsprojekte wie die Smart FactoryKL, an der auch Lapp beteiligt ist. Das bedeutet, dass zukünftig jede noch so kleine Komponente Daten im Firmennetz oder sogar im Internet bereitstellen kann. Industrie 4.0 basiert überwiegend auf der durchgängigen Vernetzung von der ERP-Ebene bis in die Sensor/Aktor-Ebene. Nur dadurch können Daten aus den Produktionsanlagen direkt den Material-, Planungs- oder Fertigungs-Leitsystemen zur Verfügung gestellt werden. Durch die Kommunikation von Maschinen- und Anlagen wird eine selbststeuernde und sich selbst verbessernde Fertigung realisierbar.

Um Systeme nahtlos und vollständig im Fertigungsumfeld zu vernetzen, sind einheitliche Standards gefragt. Dabei zeigt sich, dass neben einheitlichen Kommunikationsprotokollen insbesondere eine Standardisierung auf physikalischer Ebene, also Datenleitungen und Steckverbinder, eine Rolle spielt. Eine vernetzte Fertigung über alle Ebenen ist nur mit einem durchgängigen Verkabelungs- und Anschlusskonzept möglich, das eine einheitliche Installation erlaubt. Auch wenn sich Ethernet durchgesetzt hat, sind, je nach Anwendung, unterschiedliche Anforderungen bezüglich Datenrate, mechanischer Robustheit oder auch systemspezifischen Spezifikationen zu berücksichtigen. Generell gilt für Ethernet-Leitungen, die im Produktionsumfeld eingesetzt werden, dass sie robuster als LAN-Leitungen für den Einsatz im Büroumfeld sein müssen.

Anlagen modular aufbauen

Wo komplette Maschinen und Anlagenteile miteinander und zur ERP-Ebene kommunizieren, muss auf ausreichende Datenrate im Back­bone, dem Rückgrat oder verbindenden Bereich der Anlage, geachtet werden. Deshalb sollten Anlagen nach der Industrie4.0-Vision auch viel konsequenter modular aufgebaut sein. Mit einer Verkabelung nach Cat.6_A ist der Anlagen-Back­bone zukunftssicher auf bis zu 10 Gbit/s ausgelegt. Üblicherweise werden diese Backbone-Leitungen auf Kabelpritschen oder in Kabelkanälen fest verlegt.

Bei größeren, beweglichen Anlagenteilen muss der Backbone über Schleppketten geführt werden. Hierfür hat Lapp die schleppkettentauglichen Etherline-
Cat.6_A-FD-Leitungen entwickelt, die über viele Millionen Biegezyklen eine zuverlässige Datenübertragung gewährleisten. Cat.6_A ist nicht nur dem Backbone vorbehalten. Auch bei komplexen Sensoren, wie industriellen Kameras, braucht man solche Netzwerk­anschlüsse, da sie hohe Datenraten übertragen müssen. Für den Anschluss sind Steckverbinder nach Cat.6_A-Standard gefragt. Wenn zusätzlich Wasserdichtigkeit und Schmutzresistenz nach IP67 gefordert ist, sind M12-Steckverbinder die geeignete Lösung. Um die Cat.6_A-Anforderungen zu erfüllen, wurde der bekannte D-kodierte M12-Stecker zuletzt durch eine X-codierte Variante ergänzt.

Vier Adern statt acht

Innerhalb der Maschine oder Fertigungszelle nutzen Anwender meistens 4-adrige Cat5-Leitungen. Sie haben eine maximale Datenrate von 100 MBit/s. Das reicht in der Regel aus, um Steuerungen mit dezentralen I/O-Systemen oder maschinennahe Visualisierungen miteinander zu vernetzen. Auf dieser Ebene werden industrielle Ethernet Systeme wie Profinet, Ethernet/IP, oder Ethercat eingesetzt. Der Vorteil bei 100 Mbit/s ist, dass vier Adern anstatt der bei Giga­bit notwendigen acht Adern ausreichen. Dadurch wird der Anschlussaufwand geringer und die Leitungen sind kompakter.

Platzsparende Lösungen

In den gängigen Maschinen ist auf der Sensor/Aktor-Ebene meist nur wenig Platz verfügbar. Will man Sensoren und kleine dezentrale I/O-Systeme unter diesen beengten Platzverhältnissen, wie in Handling-Maschinen, in das Ethernet-Netzwerk integrieren, kann es Probleme geben. Die heute üblichen industriellen Cat.5-Ethernet-Leitungen benötigen aufgrund großer Außendurchmesser und großer Biegeradien oft zu viel Platz. So muss entweder die Maschine größer gebaut werden, oder die Leitung wird nicht nach Installationsvorschrift mit dem notwendigen Biegeradius eingebaut. Das kann die Leitung beschädigen und zum Ausfall führen.

Lapp hat für diesen Anwendungsfall die Etherline-EC-Leitungen entwickelt. Die 4-adrigen Cat5e-Ethernet-Leitungen sind nur 5 mm dick und erlauben einen kleinen Mindestbiegeradius von nur 16 mm. Auch Schleppketten können damit sehr klein dimensioniert werden, hier beträgt der kleinste Biegeradius 40 mm. Dies wird durch einen kompakten Sternvierer Aufbau und dünne AWG26-Litzen erreicht. Beim Sternvierer sind die Adern nicht paarweise verseilt, wie sonst bei Datenleitungen üblich. Alle vier Adern sind gemeinsam miteinander verseilt. Durch den robusten PUR-Außenmantel lässt sich die Leitung auch bei hohen mechanischen Belastungen oder in öliger Umgebung einsetzen. Des Weiteren sparen M8-Steckverbinder Platz. Diese sind kleiner als der bei Industrial Ethernet übliche M12-Stecker. Die Etherline-EC-Leitungen und den M8-Stecker gibt es als Konfektion, die robust und nach der Norm IP67 dicht sind.