Verwendung von robusten Highspeed-Ethernet-Steckverbindern für industrielle Kommunikationsnetzwerke

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT), oder Industrie 4.0, treibt die Nachfrage nach Kommunikationsnetzwerken voran, die in anspruchsvollen Umgebungen arbeiten können. Das schwache Glied in diesen Netzwerken sind oft die Steckverbinder, da industrielle Umgebungen heiß und schmutzig sind und typischerweise vibrierende Maschinen beinhalten, was alles eine ständige Belastung für die mechanischen Verbindungen darstellt und die Zuverlässigkeit untergräbt. Erschwerend kommen die Folgen eines Verbindungsausfalls in einer modernen Fabrik hinzu. Während es finanziell katastrophal sein kann, da sich Produktionsausfälle schnell zu einem großen Dollarverlust summieren, kann eine ausgefallene Sicherheitsverbindung auch zu schweren Verletzungen führen. Daher wird eine Alternative zum Standard-RJ45-Stecker benötigt.

Entwickler benötigen Ethernet-Steckverbinder, die robust genug sind, um die aktuellen Industriestandards und IP-Codes (Ingress Protection) zu erfüllen, unabhängig davon, wo sie platziert werden sollen. Sie müssen zuverlässig mit Cat-6A-Ethernet-Geschwindigkeiten von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) arbeiten, Power-over-Ethernet (PoE) unterstützen und so zukunftssicher wie möglich sein - und das alles bei Einhaltung der oft knappen Entwicklungsbudgets.

Dieser Artikel untersucht die Anforderungen an industrielle Kommunikationssysteme und die entsprechenden IP-Ebenen. Anschließend wird beschrieben, wie die Eigenschaften von industriellen Ethernet-Steckverbindern diese Anforderungen erfüllen, bevor reale Lösungen von Amphenol als Beispiele vorgestellt werden, um Ingenieuren zu zeigen, wie sie die Steckverbinder für neue Projekte einsetzen können.

Industrielle Netzwerkanforderungen

Die moderne Industrie hat die kabelgebundene Vernetzung weitgehend übernommen, um „Industrie 4.0“ (beschrieben als „Digitalisierung der Fertigung“) voranzutreiben und auf der Computerisierung des Sektors aufzubauen, die in den späten 70er und bis in die 80er Jahre hinein stattfand. Für Manager verspricht Industrie 4.0 eine höhere Produktivität, eine höhere Produktqualität, niedrigere Preise und eine erhöhte Sicherheit. Für Ingenieure besteht die Aufgabe darin, die robusten Netzwerke aufzubauen, die eine moderne Fertigung unterstützen.

Die Infrastruktur für häusliche und kommerzielle Ethernet-Netzwerke basiert in der Regel auf preiswerten Kabeln und Standard-RJ45-Steckverbindern, aber diese Komponenten sind nicht für Fabrikanwendungen ausgelegt. Die Fabrikumgebung ist anspruchsvoller, und bei der Auswahl von Kabeln und Steckern müssen die folgenden Belastungsfaktoren berücksichtigt werden:

• Mechanisch: Schock, Vibration, Quetschen, Biegen, Verdrehen
• Chemisch: Wasser, Öle, Lösungsmittel, korrosive Gase
• Umwelt: Temperaturextreme, Feuchtigkeit, Sonneneinstrahlung
• Elektrisch: elektrostatische Entladung (ESD), elektromagnetische Störungen (EMI), Hochspannungstransienten

Industrieverkabelung und -steckverbinder müssen so spezifiziert sein, dass sie den härtesten Bedingungen standhalten, die während der gesamten Lebensdauer des Netzwerks zu erwarten sind. Es nützt zum Beispiel nicht viel, wenn ein Kabel für normale Umgebungstemperaturen spezifiziert ist, wenn später die Fabrik so umgestaltet wird, dass das Kabel nun in der Nähe von Prozessöfen verläuft, wo die Temperatur viel höher ist.

Industriekabel sind mit einer hochwertigen Polyurethan-Isolierung erhältlich, die abriebfest, chemikalienbeständig (einschließlich Öl) und feuerbeständig ist. Während Isolatoren wie Polyvinylchlorid (PVC) billiger sind, kann der Kunststoff von Ölen und Chemikalien angegriffen werden und wird bei niedrigen Temperaturen spröde und rissig.

Aufbau eines industriellen Ethernet-Netzwerks

In Umgebungen mit geringem elektrischem Rauschen können ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel akzeptabel sein. Allerdings können industrielle Geräte wie Lichtbogenschweißgeräte oder elektrische Betriebsmittel wie Schaltrelais, Wechselstromantriebe oder Magnetspulen bei ungeschirmten Kabeln Störungen und Datenunterbrechungen verursachen. Im Zweifelsfall sollte der Techniker auf Nummer sicher gehen und geschirmte Kabel verwenden, um spätere kostspielige Systemfehler zu vermeiden. Wenn Fabriken wachsen, ist es üblich, dass Steuer- und Stromkabel Kabelkanäle nutzen, die zuvor für die Ethernet-Kommunikation vorgesehen waren. Dies könnte zu Datenfehlern führen, wenn ursprünglich ungeschirmte Ethernet-Kabel spezifiziert wurden.

Eine doppelte Abschirmung, sowohl mit Folie als auch mit einem Kupfergeflecht, ist die effektivste Lösung zur Vermeidung von Datenverlusten. Um sicherzustellen, dass die Abschirmung ordnungsgemäß funktioniert, muss der Techniker auch geschirmte Steckverbinder verwenden und die Abschirmung auf Masse abschließen. Wenn eine Abschirmung nicht geerdet wird, kann sie als Antenne Störungsprobleme verschärfen.

Selbst bei geschirmten Kabeln verschlechtern sich die Signale bei großen Längen. Kabel mit massiven Leitern sind leistungsfähiger und können eine maximale Länge von bis zu 100 Metern (m) erreichen, sind aber anfälliger für Schäden durch Biegen oder Verdrehen. Verseilte Kabel kommen mit Verdrehungen und Biegungen besser zurecht, sollten aber nicht für Strecken von mehr als 85 m verwendet werden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ethernet-Kabel mit Massivleiter sollten auf eine Länge von 100 m begrenzt werden, Litzenversionen sollten auf 85 m begrenzt werden. (Bildquelle: Amphenol)

Beim Aufbau des Netzwerks beträgt der minimale statische Biegeradius das Vierfache des Kabelaußendurchmessers (OD). Dies gilt für verseilte oder massive, geschirmte oder ungeschirmte Kabel. Wenn eine Biegung erforderlich ist, sollten keine Massivleiterkabel verwendet werden. In den Datenblättern von Litzenkabeln wird typischerweise die maximale Biegewechselzahl angegeben, die je nach Biegeradius zwischen einer Million und 10 Millionen liegt.

Die Kabel sollten mit Kabelbindern gesichert werden, die so locker gelassen werden, dass sich die Kabel unter dem Binder frei bewegen können. Durch zu starkes Anziehen entstehen Spannungspunkte, die zur Beschädigung des Leiters führen können. Auch beim Bündeln mehrerer Kabel sollten die Kabel lose in den Kabelbindern liegen.

Da die überwiegende Mehrheit der Fehler bei der Inbetriebnahme durch die Verdrahtung im Feld entsteht (weil die Wartung der verdrillten Paare und die korrekte Terminierung des Schirms eine schwierige und zeitaufwändige Aufgabe ist), wird die Verwendung von werkseitig montierten, umspritzten Steckern empfohlen.

Für die Zukunft planen

Kabelgebundene Netzwerke bieten zwar wichtige Vorteile (wie Geschwindigkeit, Signalintegrität und Sicherheit), sind aber teuer in der Installation und Wartung. Der mit der Spezifikation des Netzwerks beauftragte Planer sollte daher ein Auge auf die Zukunft haben, um sicherzustellen, dass die Infrastruktur so lange wie möglich hält und nur minimale Reparaturen erforderlich sind.

In der Geschichte von Ethernet sind die Netzwerkgeschwindigkeiten unaufhaltsam gestiegen. In Zukunft werden industrielle Netzwerke wahrscheinlich von optischer Infrastruktur dominiert, die Raten von 400 Gbit/s oder sogar Terabits pro Sekunde (Tbit/s) bietet. Bei den heutigen Kupferkabel-Installationen sollte das Netzwerk bei sorgfältiger Auswahl hochwertiger Twisted-Pair-Kabel und Steckverbinder nicht nur mit den aktuellen 1-Gbit/s-Raten, sondern auch mit den kommenden 10-Gbit/s-Verbindungen zurechtkommen (Tabelle 1).

Tabelle 1: Ethernet-Kabelgeschwindigkeiten und die zugehörige Ethernet-Betriebsfrequenz, die im Allgemeinen proportional zum Durchsatz ist. (Bildquelle: DigiKey)

Fabriknetzwerke beginnen auch, die Vorteile von PoE zu nutzen, einer Technologie, die Ethernet-Verkabelung nutzt, um angeschlossene Geräte mit Strom zu versorgen. PoE nutzt eine einzige Standard-Ethernet-Infrastruktur und verarbeitet dabei eine Leistung im zweistelligen Wattbereich. Die zentralisierte und flexible Natur der Technologie macht eine lokale Stromversorgung für jedes mit Strom versorgte Gerät im Netzwerk überflüssig, so dass die mit Strom versorgten Geräte überall platziert werden können und bei Bedarf später einfach umplatziert werden können.

Eine erweiterte Form von PoE, PoE+ genannt, kann bis zu 25,5 Watt Gleichstrom an das angeschlossene Gerät liefern und ermöglicht den Anschluss von Geräten mit hohem Stromverbrauch, wie z. B. Sicherheitskameras. (Siehe Digi-Keys technischen Artikel, „Power-over-Ethernet passt sich an höhere Nachfrage an“)

So wie Kabel und Steckverbinder auf gleiche Beständigkeit gegen mechanische, chemische, umweltbedingte und elektrische Belastungen abgestimmt sein sollten, so sollten sie auch auf funktionale Leistung abgestimmt sein. Die maximalen Betriebseigenschaften werden von der am wenigsten leistungsfähigen Komponente im Netzwerk diktiert; wenn z. B. Cat-6a-Kabel mit Cat-6-Steckern kombiniert werden, hat das System einen maximalen Durchsatz von 1 Gbit/s und nicht den nominalen maximalen Durchsatz der Kabel von 10 Gbit/s.

Steckverbinder für industrielle Netzwerke

Während es wichtig ist, dass der Entwickler beim Aufbau von industriellen Netzwerken die Auswahl der Kabel, das Routing und die Ethernet-Frequenz sorgfältig berücksichtigt, sind die Steckverbinder die größte Herausforderung beim Design eines Ethernet-Netzwerks. Dies liegt daran, dass sie das schwächste Glied darstellen; nicht nur bieten Steckverbinder potenzielles Eindringen von Wasser und Schmutz, sondern sie beinhalten auch kurze Strecken, auf denen Ethernet-Paare unverdrillt sind und sind daher anfälliger für elektrische Störungen.

Der Entwickler muss berücksichtigen, wo die Steckverbinder eingesetzt werden, da die Werksumgebung sehr unterschiedlich ist. Der IP-Code - bestimmt durch die IEC-Norm 60529 - klassifiziert beispielsweise den Schutzgrad, den die mechanischen und elektrischen Gehäuse des Steckverbinders bieten. Die erste Ziffer des Codes gibt den Grad des Schutzes gegen feste Partikel an (von 0 (kein Schutz) bis 6 (staubdicht)), während die zweite Ziffer den Grad des Schutzes gegen das Eindringen von Flüssigkeiten angibt (von 0 (kein Schutz) bis 9K (starker Hochtemperatur-Strahlwasserschutz)).

Eine Schutzart von IP20 (Schutz gegen Finger und ähnliche Gegenstände, kein Schutz gegen Feuchtigkeit) für Steckverbinder, die in sauberen, trockenen Fabrikumgebungen eingesetzt werden, ist für viele Industriesteckverbinder üblich. Die Steckverbinder ix Industrial IP20 von Amphenol zum Beispiel sind robuste Highspeed-Komponenten mit 10 Positionen, die in einem Gehäuse untergebracht sind, das 70 Prozent kleiner ist als ein typischer RJ45.

Steckverbinderhersteller bieten in der Regel Optionen für einen höheren Schutz für den Einsatz in zunehmend schmutzigeren und feuchteren Umgebungen an, und Amphenol ist da keine Ausnahme. Die Baureihe ix Industrial IP20 reicht von IP20 für das Standardprodukt bis zu IP67 (staubdicht, Eintauchen bis 1 m Tiefe) für Nicht-Standardprodukte.

Der Netzwerkdesigner sollte bestrebt sein, die Anzahl der Anschlüsse zu minimieren, insbesondere Kabelsätze mit Steckern an beiden Enden. Diese sind für nicht-technisches Personal zu leicht zu erweitern - mit nachteiligen Folgen für die Leistung des restlichen Netzwerks. Außerdem ist es üblich, dass alle festen Anschlüsse als Buchsen ausgeführt sind.

Wie auch bei anderen Herstellern sind die Amphenol-Steckverbinder in Form von Steckern für Kabel und drei Arten von Buchsen für feste Installationen erhältlich: vertikale Buchsen für Schottwände, rechtwinklige vertikale(ND9AS1200) und horizontale(ND9BS3200) Buchsen für die Leiterplattenmontage (Abbildung 2). Die Versionen für die Leiterplattenmontage sind in Oberflächenmontagetechnik (SMT) oder mit Durchgangslöchern für einfaches Löten auf dem Substrat erhältlich.

Abbildung 2: Die Steckverbinder ix Industrial von Amphenol sind in einer Vielzahl von Steckern und Buchsen für Kabel-, Schott- und Leiterplattenanwendungen erhältlich. (Bildquelle: Amphenol)

Die Steckerversion kann einzeln (ND9AP5200) oder als Teil eines Kabelsatzes (ND9ACB250A) mit einer Länge von 500 bis 2000 Millimetern (mm) geliefert werden.

Ein nützlicher Anhaltspunkt für die Qualität eines Steckverbinders ist die Prüfung, ob er die Anforderungen von Normen wie IEC 60512 und IEC 61076 erfüllt. IEC 60512 beschreibt die mechanischen und elektrischen Prüfungen sowie die Grenzwerte, die ein Steckverbinder beim Einsatz mit elektrischen und elektronischen Geräten erfüllen sollte. Die Norm umfasst mechanische Faktoren wie Steck- und Ziehkraft, Vibrationsfestigkeit und die maximale Anzahl von Steckzyklen sowie elektrische Faktoren wie Widerstand durch Kontakt, Abschirmung und Isolierung.

Die Steckverbinder ix Industrial von Amphenol wurden entwickelt, um eine robuste, miniaturisierte Ethernet-Schnittstelle (konform mit den relevanten IEC-Normen) mit bis zu 75 % Platzersparnis im Vergleich zu Standard-RJ45-Steckverbindern zu bieten. Mit einem Raster von 10 mm und einer robusten Zwei-Punkt-Metallverriegelung bieten die Steckverbinder Cat-6a-Leistung für Ethernet-Kommunikation mit bis zu 10 Gbit/s, PoE/PoE+-Fähigkeit und 360°-Abschirmung für EMI-Immunität.

Die Leiterplattensteckverbinder sind mit hochbelastbaren Lötfahnen zur Sicherung versehen und robust genug, um Schock und Vibration zu ertragen und dabei eine zuverlässige Verbindung aufrechtzuerhalten. Sie können bis zu 5000 Steckzyklen aushalten.

Die Tabellen 2 und 3 zeigen detailliert, wie die Serie ix Industrial die wichtigsten Aspekte der Norm IEC 60512 erfüllt.

Tabelle 2: Aus elektrischer Sicht können die Ethernet-Steckverbinder ix Industrial Ströme bis zu 1,5 A verarbeiten und erfüllen die Anforderungen von IEC 60512. (Bildquelle: DigiKey)

Tabelle 3: Die mechanischen Eigenschaften des Steckverbinders ix Industrial ermöglichen es, die Anforderungen von IEC 60512 und 60068 zu erfüllen. (Bildquelle: DigiKey)

IEC 61076 ist fokussierter und umfasst 10-polige, geschirmte, freie und feste Rechtecksteckverbinder für die Datenübertragung mit Frequenzen bis 500 Megahertz (MHz). Das Dokument spezifiziert die gemeinsamen Abmessungen, die mechanischen, elektrischen und Übertragungseigenschaften sowie die Umgebungsanforderungen für industrielle Netzwerke.

Insbesondere identifiziert IEC 61076 die Kodierungen, die die Position des Polarisierungsschlüssels und der Keilnut der Steckverbinder bestimmen. Steckverbinder vom Typ A sind für die Ethernet-Kommunikation mit 100 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) bis 10 Gbit/s vorgesehen. Steckverbinder des Typs B sind für alle anderen Nicht-Ethernet-Anwendungen wie Signalisierungs-, serielle oder andere industrielle Bus-Kommunikationssysteme vorgesehen (Abbildungen 3(a) und (b)).

Abbildung 3: IEC 61076 spezifiziert die Polarisation und die Keilnut für Steckverbinder zur Datenübertragung. Typ A (a) verwendet eine 45°-Keilnut, die sich auf der unteren rechten Seite der Steckbuchse befindet (in die Steckseite gesehen). Bei Typ B (b) befindet sich die 45°-Keilnut an der linken oberen Ecke der Steckbuchse. (Bildquelle: Amphenol)

Fazit

Moderne Fabriken werden mit Kommunikationsnetzwerken gebaut, um die Fertigung zu digitalisieren und so die Produktivität zu steigern und die Kosten zu senken. Die Steckverbinder und Kabel, aus denen diese Netzwerke bestehen, müssen nicht nur robust genug sein, um rauen Industrieumgebungen standzuhalten, sondern auch den zukünftigen Anforderungen an Highspeed-Kommunikation und PoE gerecht werden.

Es gibt Lösungen von Unternehmen wie Amphenol, die Kabel und Steckverbinder in Industriequalität anbieten, die genau auf diese Herausforderungen und die Budgets der Hersteller zugeschnitten sind. Sie entsprechen den anspruchsvollen Standards für Industriesteckverbinder und verfügen über Merkmale, die eine hohe Netzwerkleistung und eine lange Lebensdauer unterstützen und nur minimale Wartung erfordern. Wie gezeigt, müssen Entwickler jedoch die geltenden Normen sowie die elektrischen und mechanischen Grenzen der Steckverbinder verstehen, um sie für ein erfolgreiches IIoT- oder Industrie-4.0-Netzwerkdesign angemessen einzusetzen.