Industrie 4.0, Cyber Physical Systems (CPS), Internet of Things (IoT), Big Data und Cloud Computing – all diese Schlagwörter weisen auf fundamentale Veränderungsprozesse in Industrie und Gesellschaft hin. Kontrovers wird derzeit über Ziele, Vorteile sowie neue Geschäftsmodelle dieser vierten industriellen Revolution diskutiert. Einigkeit besteht darin, dass Daten, die Produkte und Prozesse beschreiben, die Basis aller neuen Prozesse und Geschäftsmodelle sind. Kurz: Daten sind das neue Öl. Und diese Daten müssen fließen, um immer und überall je nach den Erfordernissen verfügbar zu sein. Die auf den Ethernet-Protokollen basierende Dateninfrastruktur muss dazu die notwendige Bandbreite bereitstellen sowie robust und störsicher aufgebaut sein, damit allzeit freie Fahrt auf unseren Datenautobahnen herrscht. Viele derzeit installierte Datennetze werden dem in absehbarer Zeit nicht mehr gerecht und müssen erweitert, überholt oder ausgetauscht werden. Immer mehr Sensoren und Komponenten bis hinunter in die Feldebene, ja sogar bis auf die Produkte selbst, werden intelligent und müssen mit Daten versorgt werden. So wird die Vernetzung in der Automation immer feiner und weiter verzweigt.
Die Verwendung vorkonfektionierter und einsatzbereiter Verkabelung ist ein möglicher Lösungsansatz. Sie spart Zeit und Kosten in der Montage und schließt das Fehlerpotenzial einer Feldkonfektionierung aus. Will man ein System aber anpassen und ändern, muss man Steckverbinder und Kabel bis jetzt immer gemeinsam wechseln. So sind nicht nur Kabel und Steckverbinder neu zu beschaffen, sondern die alte Verkabelung muss unter Umständen auch noch vollständig und zeitaufwändig entfernt werden. Bisher sind fertig konfektionierte Kabel über eine feste Umspritzung oder eine Vercrimpung angeschlossen. Diese Verfahren lassen ein getrenntes Tauschen von Kabel und Steckverbinder nur schwer oder gar nicht zu. Ein getrennter Wechsel ist in jedem Fall schwierig und mit bisherigen Anschlussmethoden von Kabel und Steckverbinder nicht völlig prozesssicher. In den Szenarien der Industrie von morgen spielen Flexibilität und ein modularer Aufbau von Produktionsstraßen eine zentrale Rolle. Produzierende Maschinen nehmen in der Industrie 4.0 mehr die Rolle von Modulen ein, die auch regelmäßig getauscht und neu zusammengestellt werden, um sich auf individuelle Kundenanforderungen einzustellen. Dazu bedarf es neuer Lösungsansätze.
Mit Kabel oder ohne?
Auf den ersten Blick erscheinen hier drahtlose Lösungen per Funk vielversprechend. Es ist nicht nötig, Kabel aufwändig zu verlegen, und die zu überbrückenden Distanzen stellen normalerweise auch kein Problem dar. Im industriellen Umfeld weisen sie jedoch einige Schwächen auf. So unterliegen die nutzbaren Frequenzbereiche staatlicher Regulierung, und die Erweiterung der Bandbreite ist nur über Komprimierung und neue Kodierungsverfahren zu bewerkstelligen. Des Weiteren kommt es in der Automation, gerade im Umfeld von Antrieben und Leistungselektronik, zu Störungen durch EMV. Äußere Störquellen, die die Übertragung mit WLAN Access Points beeinträchtigen, mal ganz außer Acht gelassen. Im industriellen Umfeld sind feste Datenleitungen über Kabel und Steckverbinder eine solide und erprobte Lösung. Das Modell Kupfer scheint zwar etwas altmodisch, bietet aber Vorteile gegenüber funkbasierten Lösungen. So lässt sich die Datenrate quasi beliebig durch Installation neuer Kabel erhöhen. Eine gute Schirmung von Kabeln und Steckverbindern macht das System unempfindlich gegenüber EMV-Einflüssen. Für Anwendungen, in denen besonders starke Störfelder vorliegen, sind LWL-Kabel-Steckverbinder-Lösungen das Mittel der Wahl.
Modular und schnell
Um das Übertragungsmedium Kupferkabel flexibel und modular zu machen, bedurfte es eines neuen Denkansatzes. Den hat das Unternehmen Harting mit seinem PreLink-System umgesetzt. Erstmals wurden Kabel und Steckverbinder in zwei unabhängige Komponenten getrennt. Der PreLink-Abschlussblock wird fest auf ein Leiterende verpresst und kann flexibel und immer wieder verwendbar an einen PreLink-Steckverbinder oder eine Buchse angeschlossen werden. Benötigt man ein neues Steckgesicht, wird die alte Schnittstelle einfach abgenommen und ein neues Steckgesicht auf den Würfel geklippt. Vorhandene Kabel kann man unverändert weiter nutzen. Gleichermaßen lassen sich auch Kabel unabhängig von Steckverbindern wechseln und wesentlich günstiger einer Reparatur oder Leistungssteigerung unterziehen.
Das System gewährleistet eine schnelle, einfache und vor allem prozesssichere Installation. Kabel können mit der entsprechenden Montagezange sicher und in nur einem Arbeitsschritt im Feld mit dem Abschlussblock konfektioniert und einsatzbereit gemacht werden. Dazu muss man die einzelnen Adern nur gemäß dem Beschaltungsschema in die entsprechende Öffnung im Abschlussblock schieben. Die Montagezange verbindet die Einzeladern über Schneidklemmen und kürzt die überstehenden Enden bündig ab. Schon hat der Anwender ein fertig hochfrequenzgerecht konfektioniertes Kabel, das er je nach Einsatzzweck auch durch engste Räume oder Installationsrohre verlegen kann.
Auf diese Weise bleibt dem Nutzer die Wahl, welchen Steckverbinder er später anschließen möchte. Er hat die Wahl zwischen klassischen Netzwerkkomponenten wie den marktüblichen Keystone-Bauformen und für industrielle Anwendungen angepassten Einsätzen. Modularer Aufbau heißt hier im Detail: Die IP20-Basiskomponten wie Steckverbinder und Buchsen lassen sich durch normierte Schnittstellen (PushPull-Variante 4 und Variante 14 oder Han 3 A Variante 5 nach IEC 61076-3-106) den industriellen Anforderungen anpassen. Das System erfüllt die Übertragungskategorie 6A sowie Übertragungsklasse EA und ist damit 10-GBit/s-Ethernet fähig. Damit bietet es genügend Kapazität, um die Aufgaben als Datenautobahn zu bewältigen. Damit diese auch die harten Anforderungen der Industrie widersteht, erfüllt das modulare System die Bahn-Norm DIN EN 50155. Damit ist es vibrationssicher und einsetzbar für alle Industrial-Ethernet-Varianten wie Profinet, EtherCAT oder Ethernet IP. So ist der Anwender nicht auf ein bestimmtes Protokoll festgelegt und kann sein System ganz individuell nutzen.
Kompatibilität mit Standards
Industrie 4.0 verlangt einen hohen Grad an Kompatibilität. Das betrifft die Datenautobahn mit Ethernet nach IEEE 802.3 genauso wie das Zusammenspiel unterschiedlicher Automatisierungsprofile nach ISO/IEC 61784-5-x bis hin zur System-Kompatibilität der Verkabelung.
Wer entwickelt Industrie-4.0-Standards und stellt damit ein reibungsloses Zusammenspiel von Hard- und Software für diese hochkomplexen Netzwerke sicher? Standards auf der Ebene Ethernet, Automatisierungsprofile und Verkabelung gibt es bereits. Sie müssen also nicht neu erfunden werden, sondern lediglich in Richtung I4.0-Anforderungen weiterentwickelt und stärker vernetzt werden. Diesen Prozess treiben Herstellerfirmen, Anwender und Nutzergruppen voran. Gebündelt wird er im Wesentlichen in der ISO/IEC, die unter ihrem Dach alle Aspekte der des I4.0-Netzwerkes der Zukunft abdeckt.
Im Bereich der Verkabelung, einschließlich der Sicherstellung der Kompatibilität von Steckverbindungen, sind zwei Normenreihen besonders hervorzuheben. Zum einen ist es die gerade in einer neuen Fassung entstehende ISO/IEC 11801 Ed.3 Generische Verkabelung, die besonders in den Teilen -1 (General), -2 (Office Cabling) und -3 (Industrial Cabling) das Thema durchgängige Vernetzung vom Enterprise bis zur Maschine aufnimmt. Zum zweiten ist es die ISO/IEC 61918, die die Verkabelung in der einzelnen Produktionszelle (Automation Island) bis hinein in die Maschine oder in den Roboter beschreibt.
Auch Harting ist stark in die Entwicklung dieser Standards involviert und führt dabei die beiden Welten der IT und der Automatisierung zusammen. So sind in der Edition 3 der ISO/IEC 11801 jetzt neben der Push-Pull-Schnittstelle auf Basis RJ45 auch der M12 D-kodiert (4polig) und – zukunftsweisend – der M12 X-kodiert (8-polig) verankert.
Nutzen für den Anwender
Zur Zielgruppe gehören alle Anwender, die von einer Kabellösung profitieren, die man fertig konfektioniert auch durch engste Räume verlegen und in Sekundenschnelle anschließen kann. Ebenso erhält man eine neue Anschlusstechnik, die zukünftige Upgrades schneller und einfacher macht. Variabel anpassbare Schnittstellen garantieren dabei die Zukunftsfähigkeit und einfache Wartung für eine investitionssichere Dateninfrastruktur. Vorteile, die sowohl für Entwickler als auch für Monteure und Wartungspersonal interessant sind. Beim Ha-VIS-PreLink-System treffen Kostenersparnis, Prozesssicherheit und Flexibilität aufeinander. Leistungsfähige Datennetzwerke, die modular und tief bis in die Feldebene verzweigt sind, sind die Grundvoraussetzung für das Gelingen von Industrie 4.0.
