Höherer Wirkungsgrad, mehr Zuverlässigkeit und niedrigere Gesamtbetriebskosten durch Kabel für den industriellen Einsatz

Von Bill Giovino

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Industrielle Umgebungen können zu Komponenten und Equipment absolut gnadenlos sein. Häufig betreiben die Entwickler einen sehr großen Aufwand bezüglich der Auswahl robuster Komponenten und elektronischer Systeme, wodurch Verkabelung und Verdrahtung etwas ins Hintertreffen geraten. Zwei Kabel, die sich täuschend ähnlich sehen, können in rauen industriellen Umgebungen jedoch ein überaus unterschiedliches Verhalten zeigen.

In diesem Artikel wird kurz auf die Auswirkungen einer schlechten Kabelauswahl eingegangen, bevor die Konstruktion eines Kabels beschrieben wird, das für industrielle Anwendungen geeignet ist. Im Anschluss werden Beispiele für innovative Kabellösungen vorgestellt, mit deren Hilfe sich das Problem der Signalübertragung in rauen Umgebungen zuverlässig und kostengünstig lösen lässt.

Die Bedeutung der Kabelwahl

Selbst wenn alles einwandfrei zu funktionieren scheint, kann die Wahl der falschen Kabel bereits von Beginn an zu einer Signalverschlechterung und zu Leistungsverlusten führen. Im Lauf der Zeit kann es sogar zu vorübergehenden Verbindungsausfällen kommen, die sich nur schwer wieder beheben lassen und die kostspielige Systemausfälle verursachen können. Als besonders problematisch erweisen sich hierbei Umgebungen mit starken Vibrationen. Des Weiteren können Chemikalien oder extreme Temperaturen sowie unsachgemäße Handhabung bei einem ungeeigneten Außenmantelmaterial zur Folge haben, dass die Kabeldrähte freigelegt werden, was zu Kurzschlüssen und Funkenbildung führen kann.

Eine bessere Lösung ist die Wahl eines industriellen Kabels mit der Schutzklasse IP67 oder IP68, die für die Anwendung geeignet ist. Bei industriellen Kabeln handelt es sich um hochwertige Kabel mit einem robusteren Kabelaufbau, für die häufig höherwertige Materialien verwendet werden als für ihre gewerblichen Gegenstücke, die in der Regel für den Heimgebrauch bestimmt sind. Obwohl sich beide Arten von Kabeln auf den ersten Blick recht ähnlich sind, eignen sich industrielle Kabel besser für höhere Belastungen, da sie sehr viel beständiger gegenüber Hitze, Lösungsmitteln und Flüssigkeiten sind als ihre gewerblichen Gegenstücke. Außerdem sind sie unempfindlicher gegenüber Biege-, Torsions- und Zugkräften, die bei weniger robusten Kabeln Schäden verursachen können.

Vom elektronischen Standpunkt aus betrachtet minimiert die Wahl geeigneter industrieller Kabel auch Leistungs- und Signalverluste über beliebige Kabellängen. Sie sind überdies sehr viel unempfindlicher gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI).

Für die Auswahl eines hochwertigen industriellen Kabels ist es hilfreich zu verstehen, wie das Kabel hergestellt wird.

Kabel mit Mittelleiter

Beginnen Sie mit dem für den Mittelleiter verwendeten Material und seinem Durchmesser. Je größer der Durchmesser der Drähte ist, desto mehr Strom kann das Kabel über längere Strecken bei minimalem Signalverlust leiten. Kupfer ist das beste leitfähige Material für die Drähte. In Kabeln von minderer Qualität kann Aluminium zum Einsatz kommen, das im Vergleich zu Kupfer ein schlechterer Leiter ist. Kaufen Sie unbedingt Markenkabel von einem autorisierten Händler wie Digi-Key, da es vorkommen kann, dass in Kabeln, die Markenkabeln ähnlich sehen, in Wirklichkeit Aluminiumleiter mit einer Kupferbeschichtung zum Einsatz kommen. Während Volldrähte bessere Leiter sind als verdrillte Drähte, lassen sich Volldrähte nicht so einfach verbiegen, wodurch sie für viele Situationen unpraktisch sind. Verdrillte Drähte sind einfacher zu platzieren und zu verlegen, da sie flexibler sind.

Außenhülle

Material und Stärke der Außenhülle sind entscheidend für die lange Haltbarkeit industrieller Kabel. Je stärker die Außenhülle ist, desto besser ist das Kabel geschützt.

Die Außenhülle des Kabels muss in industriellen Umgebungen den verschiedensten rauen Bedingungen standhalten, die den Zustand des Kabels rasch beeinträchtigen können. Durch Sonnenlicht, insbesondere durch ultraviolettes (UV) Licht, kann sich die Außenhülle verfärben oder Risse bekommen. Außerdem können Lösungsmittel wie Öl, Benzin und Reinigungschemikalien die Außenhülle angreifen, was zu Störungen führen kann. Hohe Temperaturen können das Kabel verkürzen, was bei größeren Kabellängen zu einem immer größeren Problem wird. Extrem niedrige Temperaturen können die Außenhülle spröde werden lassen, die daraufhin sichtbare Risse bekommen und sich ablösen kann.

Die Außenhülle muss außerdem physischen Beanspruchungen standhalten wie etwa der Scheuerwirkung, wenn das Kabel um scharfe Ecken herum verlegt wird. Bei der falschen Außenhülle können Öffnungen im Kabel entstehen, die die Abschirmung oder die leitenden Drähte offenlegen. Dickes Polyurethan ist aufgrund seiner Abriebfestigkeit eine zuverlässige Wahl als Material für die Außenhülle hochwertiger Kabel. Polyurethan ist außerdem beständig gegenüber Lösungsmitteln, Temperaturen, Lichtexposition und Beanspruchungen jeglicher Art.

Wasserbeständigkeit wird häufig als Selbstverständlichkeit angesehen. Obwohl fast jedes Kabel wasserbeständig erscheinen mag, kann es in der Realität dennoch zu Kurzschlüssen kommen, wenn das Kabel über einen längeren Zeitraum Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Dieser Fehler lässt sich nur schwer feststellen, insbesondere dann, wenn Techniker das Kabel immer wieder durch das gleiche gewerbliche Kabel ersetzen, ohne den Fehler zu bemerken. Um dies zu vermeiden, werden für die meisten feuchten Umgebungen industrielle Kabel mit der Schutzklasse IP67 empfohlen.

Selbst äußerst robuste industrielle Kabel sollten nicht um scharfe Kanten herum verlegt werden. Um das Kabel nicht zu stark zu strecken, sollte das Kabel für die benötigte Strecke ausreichend lang sein. In Fabriken und Bürogebäuden ist es nicht unüblich, dass sich die Anforderungen ändern und ein erneutes Verlegen der Kabel erforderlich wird.

Für extreme Umgebungen, in denen Kabel unter Umständen unter Wasser verlegt werden müssen, sollte ein Kabel mit der Schutzklasse IP68 verwendet werden, z. B. das runde Kabel CA0162C22315012 mit vier Leitern von Amphenol Sine Systems (Abbildung 1). Dieses Kabel- und Steckverbindersystem ist für Temperaturen von -25 °C bis +100 °C geeignet, die am extremen Ende des industriellen Temperaturbereichs liegen. Für die vier Leiter dieser Kabel wird verdrillter Draht der Stärke 14 AWG verwendet.

Bild: runde Anschlusskabel CA0162C22315012 von Amphenol Sine Systems

Abbildung 1: Für die runden Anschlusskabel CA0162C22315012 von Amphenol Sine Systems werden dicke Drähte der Stärke 24 AWG verwendet, die eine ausgezeichnete Leitfähigkeit gewährleisten. Die Zugentlastungen der Steckverbinder werden für maximalen Schutz durch ein Wärmeverfahren mit der Außenhülle des Kabels verbunden. (Bildquelle: Amphenol Sine Systems)

Kabelstecker und Kontakte

Die Verbindung des Kabels mit dem Steckverbinder kann die am häufigsten unsachgemäß behandelte Stelle der Anordnung sein. Es wird empfohlen, einen Kabelstecker stets an der Steckverbinderhülle zu greifen und nicht an der Zugentlastung, um ihn von einem Anschluss zu trennen. Stattdessen ziehen Techniker jedoch manchmal an der Zugentlastung, wenn sie in Eile sind. Gelegentlich ist auch derart wenig Platz vorhanden, dass die Kabelstecker nur durch Ziehen an der Zugentlastung vom Anschluss getrennt werden können. Wird bei gewerblichen Kabeln oft genug auf diese Weise vorgegangen, löst sich der Draht vermutlich von den Steckverbinderkontakten, was zu Störungen der Verbindung oder zu einem Totalausfall führen kann.

Aus diesem Grund werden stabile Kabelsteckergehäuse wie etwa warmgeformte Zugentlastungen empfohlen, da sie ausgezeichneten Schutz beim Ein- und Ausstecken der Kabelstecker bieten und unter rauen Bedingungen außerdem vor Feuchtigkeit schützen.

Die Anzahl der Steckzyklen ist in der Regel unwichtig für Steckverbinder, die über Monate oder Jahre mit denselben Anschlüssen verbunden bleiben. Das andere Extrem jedoch sind Kabel, die zusammen mit industrieller Prüfausrüstung verwendet werden und bei denen an einem einzigen Tag Dutzende von Steckzyklen durchgeführt werden können. Es ist wichtig, ein Kabel mit Steckverbindern zu wählen, die für mindestens 50 % mehr Steckzyklen geeignet sind als erforderlich.

Gelegentlich erfordern extreme Bedingungen innovative Produkte mit einzigartigen Lösungen. Rosenberger stellt eine Reihe selbstfindender Magnetsteckverbinder her, die praktisch eine unbegrenzte Anzahl an Steckzyklen ermöglichen (Abbildung 2). Die selbstfindenden Magnetsteckverbinder am Ende der Rosenberger-Kabelbaugruppen können ohne Kraftaufwand mit den Anschlüssen verbunden werden. Durch das magnetische Steckverbindersystem findet der Kabelstecker ohne manuellen Aufwand von selbst seinen Weg in den Anschluss und rastet dort hörbar ein.

Bild: Rosenberger-Kabelbaugruppen mit selbstfindenden Magnetsteckverbindern

Abbildung 2: Die selbstfindenden Magnetsteckverbinder am Ende dieser Rosenberger-Kabelbaugruppen können ohne Kraftaufwand mit den Anschlüssen verbunden werden. (Bildquelle: Rosenberger)

Die industrielle USB-Kabelbaugruppe L99-838-1500 von Rosenberger ist für mobile Diagnosegeräte vorgesehen. An beiden Enden befindet sich ein einfacher magnetischer Verriegelungsmechanismus, der das schnelle und problemlose Ein- und Ausstecken an einem kompatiblen Anschluss ermöglicht. Dies ist besonders hilfreich für Wartungs- und Diagnosegeräte, die in Bürogebäuden, in industriellen Steuerungs- und Automatisierungssystemen sowie in anderen Umgebungen zum Einsatz kommen, in denen die Anzahl der Steckzyklen außergewöhnlich hoch ist.

Gold, Nickel und Zinn – Kontakte im Detail

Es besteht ein Zusammenhang zwischen den Kontakten des Kabelsteckers und der Strombelastbarkeit sowie der Zuverlässigkeit des Kabels. Verzinnte Steckverbinder kommen bei gewerblichen Kabeln relativ häufig vor. Für industrielle Kabel mit hoher Zuverlässigkeit ist Gold die beste Wahl, da es ein ausgezeichneter Leiter ist und im Gegensatz zu Silber oder Kupfer nicht oxidiert oder korrodiert. Es ist jedoch nicht verwunderlich, dass Massivgold unverhältnismäßig teuer ist. Eine bessere Lösung ist die Verwendung vergoldeter Nickelkontakte, wie sie beispielsweise beim gemäß CAT6A zertifizierten, industriellen M12-Ethernet-Kabel 1203410303 von Molex zum Einsatz kommen (Abbildung 3).

Für die dem Industriestandard entsprechenden M12-Steckverbinder werden vernickelte Goldkontakte verwendet, die Massivgoldkontakten durch erhöhte Haltbarkeit, verbesserte Metallstabilität und hohe Korrosionsbeständigkeit überlegen sind.

Bild: gemäß CAT6A zertifiziertes, industrielles M12-Ethernet-Kabel 1203410303 von Molex

Abbildung 3: Die vergoldeten Kontakte des gemäß CAT6A zertifizierten, industriellen M12-Ethernet-Kabels 1203410303 von Molex bieten einen geringen Widerstand mit hoher Zuverlässigkeit in industriellen Umgebungen. (Bildquelle: Molex)

Kupfer und Silber sind zwar geringfügig bessere Leiter als Gold, aber bei ihnen ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass sie in rauen Umgebungen anlaufen und korrodieren. Gold ist ein ausgezeichneter Leiter für industrielle Umgebungen, da es beständig gegen viele Lösungsmittel ist und auch bei hohen Temperaturen seine Leitfähigkeit behält. Aus diesen und anderen Gründen wird für industrielle Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit zu Gold geraten.

In den meisten Fällen bieten Goldkontakte Verbindungen mit hoher Zuverlässigkeit und geringem Widerstand. Nicht zu empfehlen ist Gold für Steckverbindungen mit Kontakten aus weicheren Materialien wie Zinn, da es hierbei zu einem als Reibkorrosion bezeichneten Prozess kommen kann. Wenn zwei verschiedene Metalle sich berühren und eine chemische Reaktion hervorrufen, bei der ein weiteres Material entsteht, das den Widerstand der Verbindung erhöht, spricht man von Reibkorrosion.

Eine weitere Form der Reibkorrosion tritt auf, wenn ein sehr hartes Metall wie Gold gegen ein sehr weiches Metall wie Zinn reibt, wobei etwas von dem Zinn abgekratzt wird und am Gold haften bleibt, was die gleiche chemische Reaktion zur Folge hat.

Kabelabschirmung

Laute Umgebungen wie Fabriken und Bürogebäude sind durchdrungen von elektrischem Rauschen. Elektromagnetische Störungen (EMI) können sich erheblich auf den Wirkungsgrad und den Betrieb von Elektronikgeräten auswirken. Kabel können EMI verursachen oder davon beeinträchtigt werden. Der Großteil der EMI kann durch die richtige Kabelabschirmung verhindert bzw. eliminiert werden. Für die industrielle Umgebung sollten Kabel mit angemessener Schirmung ausgewählt werden, da Geräteprobleme, die durch EMI-Rauschen verursacht werden, später besonders schwer zu diagnostizieren sind.

Es gibt zwei Arten von Kabelabschirmungen. Abschirmungen aus Aluminiumfolie sind sowohl in industriellen als auch in gewerblichen Kabeln gebräuchlich und bieten eine Überdeckung von 100 %. Bei industriellen Anwendungen ist die zu den Drähten hin zeigende Folienseite an einer dünnen, nicht leitenden Oberfläche befestigt, um sie besser vor den leitenden Drähten zu isolieren. Für eine ausreichende Schirmung kann die Stärke der Aluminiumfolie dazu führen, dass das Kabel steif und unhandlich wird. In manchen gewerblichen Kabeln kommt eine dünne Aluminiumfolienschicht zum Einsatz, die zwar für Haushalte ausreichend ist, in Werkumgebungen aber keinen ausreichenden EMI-Schutz bietet.

Eine Schirmung aus Kupferdrahtgeflecht ermöglicht ein leichteres Arbeiten und ist flexibler als eine Folienschirmung. Eine Geflechtschirmung bietet in der Regel jedoch nur eine Überdeckung von 70 % bis 95 %. Aus diesem Grund wird für hochwertige industrielle Kabel eine Kombination aus dünner Aluminiumfolie und einem Kupfergeflecht verwendet, die einen ausgezeichneten EMI-Schutz bietet und dabei die Flexibilität des Kabels beibehält.

Kabel verfügen beidseitig über eine Schirmerdung. Es ist wichtig, beide Schirmerdungen zu verwenden, um maximale Rauschimmunität zu gewährleisten.

Fazit

Durch die frühzeitige Wahl der passenden Kabel lassen sich spätere Probleme vermeiden. Industrielle Kabel sind gewerblichen Kabeln hinsichtlich der Qualität überlegen und bieten dadurch eine bessere Signalqualität und sind länger haltbar. Ingenieure und Techniker sollten die Spezifikationen der für eine industrielle Anwendung in Erwägung gezogenen Kabel sorgfältig studieren, um dadurch sicherzustellen, dass die richtigen Kabel für Zuverlässigkeit, lange Haltbarkeit und niedrigere Gesamtkosten angeschafft werden.

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Über den Autor

Bill Giovino

Bill Giovino ist Elektronikingenieur mit einem BSEE von der Syracuse University und einer der wenigen, die erfolgreich vom Entwicklungsingenieur über den Anwendungsingenieur zum Technologiemarketing wechselten.

Seit über 25 Jahren wirbt Bill für neue Technologien vor technischem und nicht-technischem Publikum für viele Unternehmen, darunter STMicroelectronics, Intel und Maxim Integrated. Während seiner Zeit bei STMicroelectronics trug Bill dazu bei, die frühen Erfolge des Unternehmens in der Mikrocontroller-Industrie voranzutreiben. Bei Infineon inszenierte Bill die ersten Erfolge des Unternehmens im Bereich Mikrocontroller-Design in den USA. Als Marketingberater für sein Unternehmen CPU Technologies hat Bill vielen Unternehmen geholfen, unterbewertete Produkte in Erfolgsgeschichten zu verwandeln.

Bill war zudem ein früher Anwender des Internets der Dinge, einschließlich der Implementierung des ersten vollständigen TCP/IP-Stacks auf einem Mikrocontroller. Die Botschaft von „Verkauf durch Aufklärung“ und die zunehmende Bedeutung einer klaren, gut geschriebenen Kommunikation bei der Vermarktung von Produkten im Internet sind Bills Anliegen. Er ist Moderator der beliebten „Semiconductor Sales & Marketing Group“ auf LinkedIn und spricht fließend B2E.

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