Sichere Vernetzung in rauen Umgebungen durch Bonded-Pair-Ethernet-Kabel

Mit der Umstellung auf das Internet der Dinge (IIoT) wächst die Nachfrage nach höherer Zuverlässigkeit und Performance in industriellen Umgebungen mit vielen Sensoren und Stellantrieben und stellt die Entwickler auf der Suche nach robusten Verbindungslösungen vor immer größere Herausforderungen. Störende elektrische Umgebungen schränken drahtlose Methoden ein, während raue physikalische Umgebungen den Einsatz herkömmlicher Verkabelungsmethoden erschweren. Entwickler benötigen daher eine effektivere Verbindungslösung, die in der Lage ist, Zuverlässigkeit und Performance zu gewährleisten.

Eine Möglichkeit ist die Verwendung von Bonded-Pair-Ethernet-Verkabelung, die die Trennung der verdrillten Adernpaare verhindert, um die Signalintegrität zu erhalten.

In diesem Artikel werden die Herausforderungen beschrieben, mit denen Entwickler konfrontiert sind, wenn sie Verkabelungsoptionen für raue Umgebungen in Betracht ziehen. Anschließend wird gezeigt, wie sie diese Herausforderungen mit Bonded-Pair-Ethernet-Kabeln bewältigen können. Anhand von Beispielen von Belden werden die Eigenschaften und die Performance dieser Technologie im Vergleich zur klassischen Ethernet-Verkabelung veranschaulicht.

Sich entwickelnde industrielle Umgebungen stellen eine Herausforderung für die Zuverlässigkeit und Performance von Netzwerken dar

Der Bedarf an einer größeren Vielfalt und Anzahl von Sensoren und Aktoren im sich entwickelnden IIoT hat die Herausforderungen für die Entwickler von Industrienetzwerken erhöht. Neben dem ständigen Bedarf an zuverlässiger Vernetzung müssen industrielle Netzwerke sowohl Echtzeitleistung als auch höheren Durchsatz bieten, da bildverarbeitungsbasierte Systeme zusammen mit hochpräzisen Sensoren eine entscheidende Rolle in mehreren Phasen des Fertigungsprozesses spielen. Während Netzwerktechnologien wie die TSN-Standards (Time Sensitive Networking) IEEE 802.1 den Entwicklern helfen, die Anforderungen an eine deterministische Ethernet-Performance zu erfüllen, werden 10-Gigabit-Ethernet-Netzwerke (Gbit) zum Standard, da in industriellen Umgebungen immer größere Datenvolumen, -geschwindigkeit und -vielfalt anfallen.

Die Gewährleistung der Netzwerkzuverlässigkeit und -performance in der industriellen Umgebung bleibt aufgrund der Beschaffenheit der typischen elektrischen und physikalischen Umgebung einer Fabrik eine Herausforderung. In dieser Umgebung verbinden sich maschinell erzeugtes elektrisches Rauschen und Leistungsstörungen mit verschiedenen Quellen elektromagnetischer Interferenz (EMI) und Hochfrequenzinterferenz (RFI) und beeinträchtigen die Integrität der Kommunikationssignale. Physikalisch gesehen stellt die Fabrikhalle erhebliche Herausforderungen in Form von Kraftstoff, Öl, Lösungsmitteln und anderen Chemikalien sowie Feuchtigkeit, hohen Temperaturen und schnellen Temperaturschwankungen durch laufende Maschinen, industrielle Prozesse und Schweißspritzer dar.

Beim Aufbau ihrer Kommunikationsnetze verlassen sich die Entwickler von Fabriknetzen auf Kommunikationskabel, die nur oberflächlich Ähnlichkeiten mit Kabeln aufweisen, die für die Installation in Geschäftsgebäuden vorgesehen sind. Wie in gewerblichen Gebäuden dient ein CMR-Kabel (Communications Multipurpose Riser Cable) für Kabelführungen durch Steigleitungen oder vertikale Schächte in Industrieanlagen. Ähnlich verhält es sich mit einem CMP-Kabel (Communications Multipurpose Plenum Cable). Das ist ein Kabel mit höherer Bewertung, das benötigt wird, um die Ausbreitung von Flammen und Rauch in horizontalen Kabelführungen durch Räume unter Böden oder Decken einzuschränken.

Im Gegensatz zu den meisten kommerziellen Gebäudeinstallationen sind Kabelverläufe in der Industrie jedoch besonders anfällig für mechanische Beanspruchung durch ständige Vibrationen, Biegung, Abrieb und Quetschungen im normalen Fabrikbetrieb. Entwickler von Industrienetzen verlassen sich seit langem auf verschiedene Isoliermaterialien für Kabelmäntel, um das erforderliche Gleichgewicht zwischen Kosten und Performance in ihren Netzen zu erreichen.

Eigenschaften von Industriekabeln

Obwohl die Isoliermaterialien für Kabel je nach den speziellen Anforderungen variieren, sind fluoriertes Ethylenpolymer (FEP) und Polyvinylchlorid (PVC) zwei Materialien, die häufig für industrielle Kabelummantelungen verwendet werden. In CMP-zertifizierten Kabeln wird häufig FEP verwendet, da es rauch- und flammhemmend ist. Die Verwendung von FEP in Ummantelungen von Kommunikationskabeln reduziert nicht nur die Flammen, sondern begrenzt auch die Ausbreitung von starkem Brandrauch durch Luftkanäle. Neben der hohen chemischen Beständigkeit vertragen FEP-Kabel in der Regel einen weiten Umgebungstemperaturbereich. Das CMP-zertifizierte, vierpaarige, FEP-ummantelte Ethernet-Kabel DataTuff 7931A (7931A 0101000) von Belden ist beispielsweise für einen Betriebstemperaturbereich von -70 bis +150 °C spezifiziert.

CMR-zertifizierte Kabel sind in der Regel mit PVC isoliert, das kostengünstiger ist und gleichzeitig eine angemessene Haltbarkeit und Beständigkeit gegen Chemikalien, Hitze und Wasser bietet. PVC weist in der Regel einen geringeren Betriebstemperaturbereich auf, der der typischen Verwendung in Steigleitungen entspricht. Das CMR-zertifizierte, vierpaarige, PVC-ummantelte Ethernet-Kabel DataTuff 7953A (7953A 0101000) von Belden ist beispielsweise für einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +75 °C spezifiziert.

Neben FEP und PVC werden häufig auch andere Materialien einzeln oder zusammen verwendet, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen. Für sein zweipaariges Ethernet-Kabel DataTuff 7962A (7962A 1SW1000) kombiniert Belden beispielsweise einen Außenmantel aus thermoplastischem Elastomer (TPE), einen Innenmantel aus Polyethylen (PE) und eine Aderisolierung aus Polyolefin (PO), um ein robustes, flammwidriges und ölbeständiges Kabel zu erhalten, das für gefährliche Umgebungen geeignet ist.

Die Wahl des Mantelmaterials ist nur einer von mehreren wichtigen Entscheidungspunkten bei der Auswahl von Kabeln für industrielle Ethernet-Netzwerke. Wie bereits erwähnt, können industrielle Kommunikationskabel erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sein, die bei herkömmlichen Twisted-Pair-Kabeln zu einem erhöhten Signalrauschen führen. Dieser bekannte Kabeltyp beruht auf der Verringerung des Übersprechens und der Störanfälligkeit, die durch die Verdrillung eines Adernpaares entsteht. In der Praxis können jedoch die Beanspruchung bei der Installation und der typische tägliche Betrieb in der industriellen Umgebung zu einer Trennung zwischen den gepaarten Drähten führen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Herkömmliche Twisted-Pair-Kabel reduzieren Übersprechen und Rauschen, da die gepaarten Drähte eng beieinander liegen (oben), aber die Drähte trennen sich in der Regel (unten) nach wiederholtem Biegen, Knicken und Ziehen. (Bildquelle: Belden)

Wenn der Abstand zwischen den Leitern oder die Zentrizität durch fortgesetztes Biegen, Knicken oder Ziehen zunimmt, wird die Rauschunterdrückung des verdrillten Paares erheblich beeinträchtigt. Mit der Zeit wird die Signalintegrität beeinträchtigt, was sich auf die Zuverlässigkeit der Übertragungen im Netz auswirkt. Beldens Alternative zu herkömmlichen Twisted-Pair-Kommunikationskabeln ist so konzipiert, dass die Signalintegrität trotz der harten Installationsbedingungen und der ständigen Nutzung erhalten bleibt.

Bonded-Pair-Technologie bietet Unempfindlichkeit gegenüber Belastungen

Die patentierte Bonded-Pair-Technologie von Belden schafft eine tatsächliche Verbindung zwischen den Drähten in jedem Paar, um eine optimale Zentrizität für alle verdrillten Paare in einem Kommunikationskabel aufrechtzuerhalten und Lücken zu vermeiden, die die Signalintegrität beeinträchtigen können (Abbildung 2).

Abbildung 2: Im Gegensatz zur herkömmlichen Twisted-Pair-Technologie (links) sorgt die Bonded-Pair-Technologie von Belden (rechts) dafür, dass der Abstand zwischen den Adernpaaren in einem Kabel trotz Biegen, Knicken oder Ziehen fixiert bleibt. (Bildquelle: Belden)

Die Bonded-Pair-Technologie von Belden führt zu Kabeln mit einer Zugfestigkeit, die in der Regel 40 % höher ist als bei herkömmlichen Ethernet-Kabeln. Gleichzeitig kann ein Bonded-Pair-Kabel von Belden sicher in einem Biegeradius gebogen werden, der das Vierfache des Außendurchmessers des Kabels beträgt. Im Gegensatz dazu ist der Biegeradius eines normalen Ethernet-Kabels in der Regel auf das Zehnfache des Außendurchmessers begrenzt.

Die zusätzliche Festigkeit, die durch die Bonded-Pair-Technologie erreicht wird, führt dazu, dass die Zuverlässigkeit trotz anhaltender Belastung durch Biegung während der Installation oder des normalen Betriebs erhalten bleibt. Obwohl es in der Branche keinen Standard für die Messung der Biegefestigkeit gibt, hat Belden einen Biegetest entwickelt, der die üblichen industriellen Betriebsbedingungen simuliert.

Die Ingenieure von Belden unterzogen zunächst ein 15 Fuß (ca. 4.6 Meter) langes Bonded-Pair-Kabel einer engen Biegung von 3 Zoll (ca. 0.9 Meter), bevor sie es einer mehrachsigen Bewegung von 10 Fuß (ca. 3.0 Meter) pro Sekunde für 28.800 Zyklen pro Tag aussetzten. Das Belden-Entwicklungsteam überwachte das zu prüfende Kabel kontinuierlich auf Kurzschlüsse, Spannungsabfälle und andere Probleme an acht Punkten entlang seiner Länge. Sie brachen den Test nach 10.075.000 Biegezyklen ab, ohne physikalische oder elektrische Fehler festgestellt zu haben.

Die robuste Leistung des Bonded-Pair-Kabels wird deutlich, wenn man seine elektrische Performance mit der eines herkömmlichen Kabels vergleicht. Unter Verwendung der Verbindungsperformance als Maßstab zeigten die Tests, dass Bonded-Pair-Kabel von Belden ihre Performance vor und nach der Installation beibehalten (Abbildung 3, links). Im Gegensatz dazu können herkömmliche Twisted-Pair-Kabel, die die Performancetests auf der Trommel bestehen, nach der Installation aufgrund der Trennung der Paare versagen, nachdem das Kabel den normalen Zug-, Knick- und Biegebeanspruchungen bei der Installation ausgesetzt war (Abbildung 3, rechts).

Abbildung 3: Bei einem Bonded-Pair-Kabel von Belden bleibt die Verbindungsperformance in den einzelnen Datenpaaren (blau/gelb/grün/rot) vor und nach der Installation hoch (links), während herkömmliche Twisted-Pair-Kabel, die auf der Trommel gut getestet wurden, nach der Installation aufgrund der durch die Installationsbelastung verursachten Paartrennung einen dramatischen Rückgang der Performance aufweisen. (Bildquelle: Belden)

Im Vergleich zu einem Bonded-Pair-Kabel kann ein herkömmliches Twisted-Pair-Kabel aufgrund der bei der Installation und Handhabung entstehenden Lücken zwischen den Adernpaaren auch unregelmäßige frequenzabhängige Impedanzschwankungen aufweisen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Impedanz des Bonded-Pair-Kabels von Belden (links) bleibt vor und nach der Installation stabil, im Vergleich zu den handhabungsbedingten Impedanzänderungen eines herkömmlichen Industriekabels (rechts). (Bildquelle: Belden)

Bei normalem Betrieb können nicht abgeschirmte Bonded-Pair-Kabel den Schutz gegen Rauschen aufrechterhalten, oft zu geringeren Kosten als herkömmliche geschirmte Kabel. Für Entwickler von Industrienetzwerken bedeutet der Schutz des Bonded-Pair-Kabels gegen Rauschen eine Erleichterung bei der Verlegung im Vergleich zu herkömmlichen geschirmten Industriekabeln. Die Richtlinien der ODVA (ehemals Open DeviceNet Vendors Association) empfehlen beispielsweise, herkömmliche geschirmte Kabel mindestens 5 Fuß (ca. 1.5 Meter) entfernt von elektromagnetischen Quellen zu verlegen, um Störungen zu vermeiden. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Rauschschutz des nicht abgeschirmten Bonded-Pair-Kabels den Netzwerkdesignern, dieses Kabel innerhalb von 6 Zoll (ca. 0.2 Meter) oder weniger von einer Quelle zu verlegen, ohne die Signalintegrität zu beeinträchtigen.

Fazit

Raue elektrische und physikalische Industrieumgebungen erschweren die Auswahl von Kabeln, die die erforderliche Signalintegrität bei steigenden IIoT-Datenraten aufrechterhalten können. Wie gezeigt, bietet die patentierte Bonded-Pair-Technologie von Belden eine effektive Lösung, die die Verbindungsperfomance effektiver aufrechterhalten kann als herkömmliche industrielle Ethernet-Kabel.