Industrie 4.0 - leistungsfähige
PROFINET-Verkabelung für Smart Factory

Industrie 4.0 - leistungsfähige PROFINET-Verkabelung für Smart Factory
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Industrie 4.0 - Die Smart Factory braucht eine leistungsfähige PROFINET-Verkabelung
13.11.2014 | Was genau hat das Protokoll für Prozessautomatisierung mit der intelligenten Produktion zu tun? Gibt es hier wirklich etwas Neues oder handelt es sich doch nur um eine Schlacht der Marketingstrategen?

Klare Antwort: Die Smart Factory braucht PROFINET. Und PROFINET gehört auch in die Smart Factory, hilft also, Prozesse intelligenter zu steuern, die Produktion flexibler und gleichzeitig effizienter zu gestalten. Nur das passiert nicht von allein. PROFINET muss sich bewegen – und das tut es!


Die Smart Factory oder auch Industrie 4.0 ist in aller Munde. Das ist gut so, da diese Begriffe helfen, ein sehr komplexes Thema einfach zu benennen. In der weiteren Diskussion ist man allerdings gut beraten, genauer darauf zu achten, was der jeweilige Gesprächspartner unter diesen Begriffen versteht. Eine intelligente Produktion benötigt ein durchgängiges und intelligentes Netz mit Teilnehmern/Komponenten, die untereinander einfach und dennoch in Echtzeit und absolut verlässlich – also gesichert – kommunizieren können.  Und da liegt die Herausforderung.


Netzwerke für die Industriekommunikation mit Eigenschaften wie schnell, sicher und zuverlässig gibt es – z.B. PROFINET. Aber PROFINET ist ein eigenständiges, propritäres System, bei dem sich primär PROFINET Komponenten miteinander unterhalten. Um gleichzeitig die Anforderungen der Smart Factory nach einer offenen, barrierefreien Kommunikation zu erfüllen, muss sich PROFINET öffnen. Es muss kompatibel zu anderen Netzwerkphilosophien werden. Und zwar ohne seine spezifischen Eigenschaften wie die Echtzeitkommunikation in Conformance Class C zu verlieren. Wie soll das gehen?


Einen entscheidenden Schritt hat PROFINET ja bereits vollzogen. PROFINET nutzt Ethernet nach IEEE 802.3 als Kommunikationsplattform. Gegenüber der PROFIBUS-Philosophie hat PROFINET grundsätzlich alle Möglichkeiten auch in einer offenen Netzwerkarchitektur zu arbeiten. Somit kann PROFINET schone heute eine Reihe von Funktionen für die Smart Factory abbilden. Weitere Funktionen werden dazukommen. Das ist primär ein Thema der Systemdesigner (Hard- und Softwareentwicklung), die zunehmend einen erweiterten Rahmen der PROFINET-Spezifikation vorfinden. Diese Spezifikationen werden in den PROFINET Richtlinien der PNO (PROFINET Nutzerorganisation) entwickelt und dokumentiert.
 

Ist damit alles im Lot? Nein! Ein ganz wichtiger Baustein fehlt noch. Die passive Infrastruktur oder einfach - die Verkabelung. Ohne Verkabelung keine Netzwerkinfrastruktur.
PROFINET hat sich immer als ein Lösungspaket für seine Anwender verstanden. Da hört der Systemgedanke nicht bei der SPS auf. PROFINET hat es wie kein anderer verstanden, alle notwendigen Komponenten des Systems umfassend zu betrachten und unter Kontrolle zu halten – auch die Verkabelung. Strenge Vorgaben an Kabel, Steckverbinder und Installation führen zu einer verlässlichen, hoch verfügbaren Netzwerkinfrastruktur, auf die der Anwender sich jederzeit verlassen kann.
 

Das hört sich doch gut an. Wo ist das Problem? PROFINET hat zur Sicherung der Qualität des Netzes sehr enge Grenzen gesetzt. Diese Grenzen wurden maßgeblich durch das Automatisierungsprotokoll PROFINET selbst gesetzt. Für die Verkabelung hieß das: PROFINET = Fast Ethernet mit 100MBit/s + spezielle Festlegungen an Kabel und Steckverbinder z.B. Sternvierkonstruktion in Kategorie 5 und  4polige RJ45 (IP20) bzw. M12 D-kodierte (IP65/67) Steckkomponenten – feldkonfektionierbar.
 

Soll PROFINET aber in Zukunft barrierefrei bis in die SAP Ebene eines Industrieunternehmens hinein kommunizieren, stößt es auf die Strukturierte Verkabelung, die die IT Infrastruktur des Unternehmens mitbringt. Die Strukturierte Verkabelung vertritt seit jeher eine andere Philosophie als die PROFINET Verkabelung. Sie ist nicht mit EINER Anwendung verknüpft, sondern ist anwendungsneutral und liefert damit übertragungswege für eine Vielzahl unterschiedlichster Dienste (Telefonie, Daten, Video, Steuerungen usw.). Auch das ist noch kein unlösbarer Widerspruch. PROFINET mit Fast Ethernet läuft auch auf einer Strukturierten Verkabelung dank Abwärtskompatibilität, die in Verkabelungsstandards festgelegt ist (ISO/IEC 11801, EN 50173-1 und 3).
 

Allerdings arbeiten die meisten IT Systeme heute mit GigaBit Ethernet. Viele Geräte, Kameras zu Produktionsüberwachung oder Steuerungen besitzen nur noch Schnittstellen mit GigaBit Funktionalität oder höher. Selbst kleinere Netzknoten oder Sensor-/Aktoreinheiten arbeiten schon mit Gigabit Ethernet und POE oder POE+ zur Spannungsversorgung über das gleiche Kabel. Somit heißt die eigentliche Herausforderung für PROFINET GigaBit Ethernet. Und das bedeutet für die PROFINET Verkabelung acht Adern in Kupferkabeln und acht Kontakte in Steckverbindern.


Und damit Strukturierte Verkabelung für PROFINET? Noch nicht ganz. Die PNO hat PROFINET in der heutigen Form und nach Conformance Class A bereits für die Strukturierte Verkabelung zertifiziert. D.h., es ist heute möglich eine 4-adrige PROFINET Verkabelung mit einer 8-adrigen Strukturierten Verkabelung zu koppeln. Zumindest bei Nutzung der RJ45 Technik (IP20) geht das auch stecktechnisch gesehen völlig problemlos. Untersuchungen haben ergeben, dass die ungenutzten Paare 4/5 und 7/8 der strukturierten Verkabelung dabei wellenwiderstandsmäßig nicht zusätzlich durch 100? Widerstände abgeschlossen werden müssen! Somit ist die Migration der PROFINET Verkabelung zur strukturierten Verkabelung bereits in vollem Gange.
 

Aber wie sieht es umgekehrt aus? Was machen Geräte und Einrichtungen, die sich an PROFINET ankoppeln wollen und GigaBit Ethernet mitbringen? Dieses Problem hat auch die PNO erkannt vielmehr deren Mitglieder – also neben Herstellerfirmen vor allem die PROFINET Anwender. Diese werden immer öfter damit konfrontiert, Gigabit Geräte in eine PROFINET Landschaft einbinden zu müssen. Deshalb sind die Zeichen der Zukunft bei PROFINET ganz klar in Richtung GigaBit Ethernet und kompatible Verkabelungsinfrastruktur gestellt. Interessanterweise sind es wieder die Verkabler, die sich zuerst mit der Thematik auseinandersetzen und Lösungen zum Thema Fast Ethernet vs. GigaBit Ethernet also 4adrig vs. 8adrig vorantreiben.


Was heißt das jetzt konkret für die PROFINET Verkabelung? Die PROFINET Verkabelung, wie wir sie heute kennen wird nicht über Bord geschmissen nur weil wir über Smart Factory nachdenken. Aber sie wird in diese Richtung weiterentwickelt. Dazu erweitert die PNO ihre Verkabelungsrichtlinie um 8adrige Lösungen. Immer unter der Maßgabe, die Installation weiterhin einfach, robust und sicher zu halten. Somit wird weiter auf industrietaugliche Verkabelungskomponenten gesetzt – nur eben auch übertragungstechnisch für Gigabit Ethernet geeignet, also 8adrig und mindestens Kategorie 5 (100MHz), besser Kategorie 6 (250MHz) oder 6A (500MHz).
Hinweis: Kategorie 6A ist erforderlich bei 10Gigabit Ethernet übertragungen


Wie sehen die Verkabelungsprodukte dazu aus? PROFINET hat neue 8adrige Kabel mit PVC und PUR Mantel definiert. Diese Kabel sind wie bisher für feste und flexible Installation sowie für Sonderanwendungen z.B. Schleppkettenausführung oder Hybridkabel (mit zusätzlichen Powerleitungen im selben Kabel) nach Typ A, B und C klassifiziert. Der Sternvierer hat dabei allerdings ausgedient. Die geschirmten Kabel werden mit AWG24 Adern (Vollader oder Litze) in einer Konstruktion mit Trennstern oder als PIMF (Pair In Metal Foil) angeboten. Die Variante mit Trennstern lässt sich etwas besser verarbeiten, da die Einzelfolien wegfallen. Allerdings führt diese Konstruktion zu einem größeren Außendurchmesser, der sich wiederum nicht mit den Kabeleinführungen und Verschraubungen der meisten Steckverbinder verträgt, so dass viele Anwender die PIMF Varianten bevorzugen.
Im Bereich der Steckverbinder wird eine Migration nach oben angestrebt d.h., der PROFINET RJ45 Stecker wird zukünftig 8-polig ausgeführt und alle acht Kontakte werden konform zur strukturierten Verkabelung belegt mit ½, 3/6, 4/5 und 7/8 (s.a. Steckverbindernorm IEC 60603-7-x) Dabei werden besondere Eigenschaften wie Stecktiefe, Vibrationssicherheit und Kontaktgüte (Goldauflage, Porenfreiheit nach DMG, erhöhte Korrosionsfestigkeit usw.) von der vieradrigen Variante übernommen. Für die IP65/67 tauglichen Steckverbinder wird der RJ45 in PROFINET Gehäusetypen wie den Han® 3A oder Han® PushPull (AIDA Schnittstelle) integriert. Der 4polige M12 D-kodiert wird ersetzt durch den neuen 8poligen M12 X-kodiert in Kat. 6A (s.a. Steckverbindernorm nach IEC 61076-2-109).
 
Zusätzlich hat PROFINET neue Verkabelungskomponenten wie das Schaltschrankcord definiert (cabinet cord). Diese IP20 Komponente wird fertig konfektioniert und geprüft angeboten (wird also nicht mehr vor Ort konfektioniert) und trägt den Anforderungen nach Platzersparnis und guter Handhabung besonders im Schaltschrank Rechnung. Aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen an eingesetztem Stecker und Kabel und an die Verarbeitung, garantiert das Schaltschrankcord die von PROFINET geforderte Betriebssicherheit über die volle Lebensdauer der Anlage. HARTING nutzt hierzu seine DualBoot® Umspritzung, die einen engen Biegeradius bei guter Handhabung der Entriegelungslasche zulässt (geringes Platzangebot im Schrank oder im Verteiler ist kein Problem).
 

Smart Factory wird propritäre Lösungen, so wie wir sie bisher gerade auch aus Automatisierungsinseln kennen, mehr und mehr aufbrechen und über eine einheitlich Infrastruktur neu zusammenfügen. Die einheitliche Kommunikationsinfrastruktur ist dazu ein elementarer Baustein. HARTING Ethernet Switche sind entsprechend wichtige Baukomponenten.
Auch wenn PROFNET Verkabelung und Strukturierte Verkabelung ursprünglich unterschiedliche Ansätze verfolgt haben, lassen sich jetzt beide Philosophien gut miteinander verknüpfen. Smart Factory braucht eben Smart Network Infrastructure.


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