Ethernet-Leitungen: Für jede Lösung das passende Kabel

In der intelligenten Fabrik von morgen sind alle Bereiche vernetzt: Von Firmen- und Geschäftsprozessen in Softwaresystemen wie Enterprise-Resource-Planning (ERP) bis in die Sensor- und Aktor-Ebene. Noch fehlen dafür nach wie vor praktikable Konzepte und einheitliche Standards sowohl für Kommunikationsprotokolle als auch auf physikalischer Ebene, also bei Datenleitungen und Steckverbindern.

Als einheitliche Technik für Leitungen hat sich Ethernet durchgesetzt. Die Anforderungen an Ethernet-Kabel sind im Produktionsumfeld aber höher als beispielsweise im Büro. Sie müssen je nach Anwendung unterschiedliche Anforderungen vor allem bezüglich der mechanischen und chemischen Robustheit, Flexibilität, Platzbedarf und der Datenraten erfüllen.

Damit Maschinen und Anlagenteile miteinander und zur ERP-Ebene kommunizieren können, eignet sich eine Verkabelung gemäß des Standards Cat. 6A. Diese Kategorisierung sagt aus, dass die Ethernet-Netzwerkkabel für Übertragungsraten bis zu 10 Gbit/s ausgelegt sind. Solche Leitungen werden in der Regel auf Kabelpritschen oder in Kabelkanälen fest verlegt. Der Standard sichert auch die Erweiterbarkeit, etwa wenn hochauflösende Kameras in die Qualitätskontrolle einbezogen werden sollen. Immer öfter werden Datenraten von 10 Gbit/s auch bei beweglichen Anlagenteilen verlangt, bei denen die Leitungen in Schleppketten geführt werden. Solche schleppkettentauglichen Leitungen müssen mehrere Millionen Biegezyklen überdauern und dabei eine zuverlässige Datenübertragung gewährleisten, so die Anforderungen der Anwender.

Eine Schlüsselrolle kommt dabei der Schirmung zu: Eine effektive Abschirmung gegen elektromagnetische Einflüsse ist eine Grundvoraussetzung. Herkömmliche Schirmungen sind nicht auf ständige Bewegung ausgelegt: Die Schirmung würde nach kurzer Zeit in der Schleppkette brüchig und die geforderte Datenrate könnte nicht mehr gewährleistet werden. Lapp bietet hierfür als Hersteller von Kabel- und Verbindungstechnik flexible Leitungen wie die Etherline FD Cat. 6A, die die hohe Anzahl von Biegezyklen laut Unternehmensangaben mithilfe eines speziellen Bewicklungsverfahrens leisten können. Optimierte Flecht- und Einlaufwinkel des Kupfergeflechts und des alukaschierten Vlieses dienen hier zur besseren Schirmung.

Auf der diesjährigen Hannover Messe stellte das Unternehmen die Leitung Etherline Torsion Cat. 7 vor. Diese ist laut Herstellerangaben die erste torsionsfähige Leitung gemäß der Kategorisierung 7, die mit dem offenen Industrial-Ethernet-Standard Profinet konform ist. Auch sie erreicht eine Datenrate von 10 Gbit/s mit einer Betriebsfrequenz von 600 MHz (anstelle von 500 MHz bei Cat. 6A). Damit werden Fehler in der Übertragung – auch bei größeren Distanzen – minimiert, heißt es. Außerdem haben die Lapp-Ingenieure auf eine geringe Toleranz beim Wellenwiderstand von etwa +/- 5 % geachtet. Die Leitung lässt sich auf der Länge von einem Meter um 180 Grad in beide Richtungen tordieren, und das mindestens fünf Millionen Mal laut Hersteller. Zudem stellt eine besondere Konstruktion der Schirmung die lange Lebensdauer der Kabel sicher. Das Kabel kommt ohne zusätzliche Gleitelemente aus, was die Konfektion erleichtert. Die einzeln abgeschirmten Adern werden nur von einem Trennkreuz aus Polyethylen am Platz gehalten. Die Leitung ist gemäß UL CMX gelistet, das heißt sie kann in Nordamerika für Anwendungen außerhalb von Schaltschränken eingesetzt werden.

Innerhalb der Maschine oder Fertigungszelle reichen meist Datenraten von 100 Mbit/s aus, wie Erfahrungswerte zeigen. Deshalb werden dort häufig 4-adrige Cat.-5-Leitungen verwendet – meist für industrielle Ethernet-Systeme wie Profinet, Ethernet/IP oder Ethercat. Allerdings ist auf der Sensor-/Aktor-Ebene für die Verkabelung nur wenig Platz. Das kann die Integration von Sensoren und kleinen dezentralen Ein- und Ausgabe-Systemen in das Ethernet-Netzwerk schwierig machen. Die heute üblichen industriellen Cat.-5-Ethernet-Leitungen sind dafür oft zu dick. Für solche Anwendungsfälle bieten sich Leitungen mit einer sogenannten „Sternvierer“ Konstruktion an: Hier werden alle vier Adern direkt miteinander verseilt, anstatt zunächst zwei Adern zu Paaren und dann die Paare miteinander zu verseilen. Der Durchmesser einer Sternvierer Leitung ist dadurch um etwa 40 % geringer als bei einer herkömmlichen paarweisen Verseilung – was sich auch in einem kleinen Mindestbiegeradius niederschlägt. Auch Schleppketten können damit sehr klein dimensioniert werden.

Was für die Kabel gilt, gilt ebenso für die Stecker: Auch sie müssen kompakter werden und viel aushalten. Standard für Ethernet im Feld ist heute der M12-Stecker. Für manche Anwendungen ist er allerdings zu groß. Dann kommt der kompaktere M8-Stecker zum Einsatz, der ursprünglich für einfache Signale von kleinen Sensoren eingeführt wurde. Für Ethernet ist der M8-Stecker jedoch Neuland. Er bringt kompakte Bauform, Robustheit und hohe Datenübertragungsraten in die intelligente Fabrik. Der Kabelhersteller bietet auch für Ethernet kompakte Leitungen, die bereits vorkonfektioniert mit M8-Stecker geliefert werden können.

Seine Ethernet-Leitungen fasst Lapp unter der Marke Etherline zusammen. Dazu zählen beispielsweise: