Verbinden, was verbindet

Technik

Steckverbinder - Die Nutzer-Organisation Sercos International hat das Ethernet-basierte Kommunikationssystem Sercos III entwickelt – eine offene, herstellerunabhängige und frei verfügbare Plattform. Maßgeblichen Anteil am Erfolg von Sercos III hat das Verkabelungs-konzept mit seinen Auslegungsregeln, seinen Komponenten und seiner angepassten Topologie.

18. April 2011

Die Erfahrungen mit Feldbus-Systemen haben die Vorteile einer Linien-Topologie aufgezeigt, die sich bei Ethernet-Systemen mit internen Switches in den Geräten errichten lässt. Um – etwa in Safety-Anwendungen – die Verfügbarkeit des Netzwerks zu erhöhen, nutzt Sercos III außerdem eine Ring-struktur. Die Verbindung zwischen zwei aktiven Geräten mit ihren passiven Komponenten ist als Channel definiert, wobei für den offenen und IEC-konformen Universalbus Sercos III die Klasse D mit Komponenten nach Kategorie 5 definiert ist.

Industrial Ethernet ist oft rauen Einsatzbedingungen ausgesetzt. Die Komponenten der elektrischen Verbindungstechnik müssen daher auch unter widrigen Bedingungen einwandfrei funktionieren.

Im Schaltschrank wie im Feld

Der Anwender muss bei der Komponentenauswahl neben den übertragungstechnischen Eigenschaften auch die Umgebungsbedingungen beachten. Zur sicheren Planung unterscheidet Sercos III zwei Klassen von Komponenten: »Light Duty« für den Einsatz im Schaltschrank, und »Heavy Duty« für den Einsatz im Feld.

Aufgrund seiner einfachen Planungsmöglichkeiten wird in der Gebäudeinstallation häufig das Modell der Referenz-Installation genutzt. Es besagt, dass beim Einsatz bestimmter Komponenten und deren Anordnung eine bestimmte Güte erreicht wird. So erhält man beispielsweise mit Komponenten für die symmetrische Verkabelung der Kategorie 5 einen Class-D-Channel, der sich für die Übertragung von Fast-Ethernet eignet.

Hierbei dürfen die flexiblen Leitungen – auch Cords genannt – insgesamt maximal zehn Meter und die fest installierten Leitungen maximal 90 Meter lang sein, sodass der Channel insgesamt maximal 100 Meter lang ist.

Da die flexiblen Leitungen schlechtere Übertragungs-Eigenschaften besitzen als das fest installierte Kabel, müssen die Längenverhältnisse unbedingt eingehalten werden. Die Nutzung höherwertiger Komponenten, etwa der Kategorie 6, oder die Reduzierung der Channel-Länge ist zur Kompensation längerer flexibler Leitungen zwar theoretisch möglich, in der Praxis aber nur mühsam zu berechnen.

Installationsmodell folgt einfachen Regeln

Wollte man dieses Modell auf die vielfältigen Situationen in der industriellen Kommunikation anwenden, wären hoher Planungsaufwand sowie eine große Fehleranfälligkeit die Folge. Aus diesem Grund haben Experten der Nutzer-Organisation Sercos International ein Installationsmodell entwickelt, bei dem der Anwender mit einfachen Regeln und ohne Berechnungen sein Netzwerk mit ausgewählten Komponenten errichten kann: Alle Channel-Längen können mit fest verlegten und flexiblen Leitungen in beliebiger Kombination und Teillänge unter Verwendung der definierten Kabeltypen erreicht werden. Steckverbindungen im Channel lassen sich gemäß den industriellen Einsatzbedingungen vielfältig gestalten, solange der Grenzwert von vier Steckverbindungen nicht überschritten wird.

Bei Sercos III ist die symmetri-sche Datenübertragung so ausgelegt, dass bei einem Aderquerschnitt von AWG 22 stets ein Channel errichtet wird. Die beliebige Kombination von starren Kabeln (Typ A), flexiblen Kabeln (Typ B) oder auch Sonderkabeln (Typ C) ist denkbar. Außerdem können Steckverbinder, Wanddurchgänge, Kupplungen und Installationsdosen beliebig eingefügt werden. Möglich sind auch einzelne Steckverbinder-Buchsen-Übergänge, wie etwa bei den Anschlussdosen in der strukturierten Gebäudeverkabelung. Ebenfalls möglich sind Wanddurchführungen mit zwei Buchsen – Bulkhead genannt. Sie gelten als zwei Steckverbinder-Buchsen-Übergänge, sofern der Hersteller sie nicht als eine Komponente qualifiziert hat.

Ideal für die Antriebstechnik

Im Gegensatz zur generischen Verkabelung mit ihren acht Adern in Twisted-Pair-Anordnung nutzt Sercos III einen für 100 Base-T optimierten Sternvierer, bei dem alle vier Adern miteinander verdrillt sind. Zur Störsicherheit sind alle Kabel geschirmt und optimal an den für Sercos III definierten Steckverbindern angepasst.

Der EMV-Einfluss spielt im industriellen Umfeld eine wichtige Rolle. Insbesondere in der Antriebstechnik, mit starken elektromagnetischen Feldern, mit hohen Strömen und mit hochfrequenten Störungen durch Frequenzumrichter, ist die Verkabelung mit Sercos III gefordert. Für ein Höchstmaß an Störsicherheit ist eine hohe Kopplungsdämpfung von 80 dB für Leitungen und Steckverbinder spezifiziert.

Bei den optischen Kanälen verhält es sich ähnlich: Die bei industriellen Anwendungen eingesetzten Fasertypen 1-mm-Polymer (POF), Polymer-Cladded-Silica (PCS, oft auch als HCS bezeichnet), Glasfaser-Multimode (GOF-MM) sowie Glasfaser-Singlemode (GOF-SM) sind alle für Sercos III-Netzwerke geeignet. Die mögliche Channel-Länge reicht von 50 Metern (mit POF) über 100 Meter (mit PCF) und 2.000 Meter (mit GOF-MM) bis hin zu 14.000 Meter (mit GOF-SM).

Sowohl optische Verbindungen am Anschlusspunkt der aktiven Geräte als auch passive Verbindungen im Channel beinhalten immer einen optischen Übergang und gelten daher als eine Steckstelle. Beim POF-Channel ist wegen der Dämpfung eine Längenreduktion von 7,5 Meter pro Steckverbindung im Channel zu berück-sichtigen. Zur Kennzeichnung der Datenübertragungs-Richtung sind die Stecker und Adern in den Kabeln mit Pfeilen versehen, eine Verwechselung der Übertragungs-Richtung ist ausgeschlossen.

Lösungen für Light Duty und Heavy Duty

Alle Anwendungsbereiche bei geringer Typenvielfalt – das ist der Anspruch an die Sercos III-Verkabelung. Eine weitere Anforderung ist der Anschluss vor Ort, der in der industriellen Installation eine wichtige Rolle spielt. Für Light Duty wird der aus dem Büro-Umfeld bekannte RJ45-Steckverbinder auch für die elektrische Datenübertragung mit symmetri-schen Kabeln genutzt. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass nur für den industriellen Markt geeignete Ausführungen den Aderquerschnitt AWG 22 aufnehmen können und die geforderten Schirmeigenschaften einhalten.

Als optischer Steckverbinder wurde der robuste SC-RJ ausgewählt. Er ermöglicht bei geringer Baugröße den Anschluss aller Fasertypen sowie schneller Anschlusstechniken für die Feldkonfektion bei einem Ferrulen-Durchmesser von 2,5 Millimeter. So sind etwa bei der POF-Faser lediglich das Schneiden der Faser sowie die Fixierung in einer Schnellspannhülse erforderlich. Bei Inbetriebnahme und Diagnose ist außerdem die Kompatibilität des SC-RJ- zum weit verbreiteten SC-Steckverbinder von Vorteil.

Die dezentrale Automatisierung im Feld benötigt Heavy-Duty-Komponenten. Neben dem M12-Steckverbinder, der wegen seiner kleinen Bauform bei IO-Modulen beliebt ist, wird das Push–Pull-Steckverbinder-Konzept für die elektrische und optische Datenübertragung unterstützt. Die Datenübertragung erfolgt über die gleichen RJ45- und SC-RJ-Systeme wie bei der IP20-Installation. Durch das zusätzliche Schutzgehäuse eignen sich die Komponenten auch für die Schutzart IP67. Für den Anwender ist die Konfektionierung mittels Schnellanschlusstechnik immer gleich und komfortabel. Ein durchgängiges Installationssystem für alle Umgebungs-Situationen erleichtert die Arbeit für alle Beteiligten.

Erschienen in Ausgabe: 03/2011