Industrielle Ethernet-Netzwerke sind für die schnelle und zuverlässige Kommunikation zwischen Maschinen, Steuerungen, Sensoren, Kameras und anderen industriellen Geräten konzipiert. Im Gegensatz zu typischen Büronetzwerken arbeiten industrielle Ethernet-Netzwerke jedoch häufig in Umgebungen mit Motoren, Wechselrichtern, Stromkabeln, Relais und anderen elektrischen Störquellen.
Hier kommt die Kabelschirmung ins Spiel.
Was ist Kabelschirmung?
Die Kabelschirmung ist eine leitfähige Schicht, die um die Signalleiter im Inneren eines Ethernet-Kabels angeordnet ist. Je nach Kabelaufbau kann die Schirmung aus Materialien wie Metallgeflecht, Folie oder einer Kombination aus beidem bestehen.
Zweck der Abschirmung ist es, die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen (EMI) auf die Datenübertragung zu reduzieren.
In einer Fabrikumgebung verlaufen Ethernet-Kabel möglicherweise in der Nähe von:
- Motoren und Motorantriebe
- Servosysteme
- Frequenzumrichter (VFDs)
- Hochstromkabel
- Schaltnetzteile
- Relais und Schütze
- Schweißgeräte
- Andere Industriemaschinen
Diese Geräte können elektromagnetische Störungen erzeugen, die nahegelegene Kommunikationskabel beeinträchtigen können.
Wie wirkt sich elektromagnetische Interferenz (EMI) auf industrielle Ethernet-Systeme aus?
Ethernet überträgt Daten mithilfe elektrischer Signale. Wenn unerwünschte elektromagnetische Störungen in das Kabel eingekoppelt werden, kann dies die Qualität des übertragenen Signals beeinträchtigen.
Je nach Umgebung und Installation kann übermäßige Störung zu Folgendem führen:
- Kommunikationsfehler
- Paketwiederholungen
- Zeitweise Netzwerkverbindungen
- Erhöhte Latenz
- Instabile Maschinenkommunikation
- Unerwarteter Netzwerkausfall
Diese Probleme können besonders schwer zu diagnostizieren sein, da das Netzwerk unter bestimmten Bedingungen scheinbar normal funktioniert und instabil wird, sobald Geräte in der Nähe in Betrieb genommen werden.
Die Abschirmung trägt dazu bei, die Menge an externen Störungen zu reduzieren, die in die Signalleiter eingekoppelt werden.
Warum ist die Abschirmung in industriellen Anwendungen wichtiger?
Ein typisches Büronetzwerk verfügt in der Regel über eine relativ kontrollierte elektromagnetische Umgebung. Industrielle Netzwerke sind anders.
Ethernet-Kabel müssen unter Umständen gemeinsam mit Stromleitungen in Kabeltrassen oder -wegen verlegt werden und können in der Nähe von Geräten installiert werden, die erhebliche elektromagnetische Störungen erzeugen.
Eine Maschine kann beispielsweise beides enthalten:
Stromseite
Motor → Servoantrieb → Stromkabel
Und
Kommunikationsseite
SPS → Ethernet-Switch → Industriegerät
Wird das Kommunikationskabel durch eine störungsreiche Umgebung verlegt, spielen eine fachgerechte Kabelkonstruktion und -installation eine wichtige Rolle für die Aufrechterhaltung einer zuverlässigen Kommunikation.
Aus diesem Grund werden in industriellen Anwendungen häufig geschirmte Ethernet-Kabel eingesetzt.
Abschirmung ist nicht dasselbe wie Erdung.
Wichtig ist dabei zu beachten, dass ein abgeschirmtes Kabel nicht automatisch bedeutet, dass das Abschirmungssystem einwandfrei funktioniert.
Die Kabelschirmung ist Teil eines größeren Systems, das Folgendes umfasst:
- Steckverbinder
- Geräteschnittstellen
- Abschirmung
- Erdung/Potenzialausgleich
- Kabelführung
- Installationspraktiken
Eine schlecht abgeschlossene oder falsch angeschlossene Abschirmung bietet möglicherweise nicht den erwarteten Schutz.
Bei industriellem Ethernet sollte daher die gesamte Verbindung als System betrachtet werden und nicht nur das Kabel.
Gängige Typen von geschirmten industriellen Ethernet-Kabeln
Für verschiedene industrielle Anwendungen werden unterschiedliche Steckverbinder- und Kabelkonstruktionen verwendet.
M12 Ethernet-Kabel
M12-Steckverbinder werden aufgrund ihrer kompakten und robusten Bauweise häufig in der industriellen Automatisierung eingesetzt.
Je nach Anwendung können M12-Ethernet-Anschlüsse für Systeme wie PROFINET, EtherCAT, industrielles Gigabit-Ethernet und andere industrielle Kommunikationsnetzwerke verwendet werden.
Geschirmte RJ45-Ethernet-Kabel
Geschirmte RJ45-Anschlüsse sind auch in industriellen Schaltschränken, Switches, Bildverarbeitungssystemen und anderen Ethernet-basierten Geräten üblich.
Sie eignen sich, wenn Standard-RJ45-Schnittstellen verwendet werden, jedoch ist ein zusätzlicher Schutz gegen elektromagnetische Störungen erforderlich.
Hochflexible Ethernet-Kabel
Roboteranlagen und automatisierte Maschinen benötigen unter Umständen Ethernet-Kabel, die sich wiederholt durch eine Schleppkette bewegen.
Bei diesen Anwendungen muss das Kabel nicht nur hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften, sondern auch hinsichtlich mechanischer Anforderungen wie Flexibilität und Belastbarkeit für wiederholte Bewegungen betrachtet werden.
Die Abschirmung ist nur ein Teil eines zuverlässigen industriellen Ethernet-Systems.
Die Wahl eines abgeschirmten Kabels ist wichtig, aber nicht der einzige Faktor, der die Zuverlässigkeit des Netzwerks beeinflusst.
Eine zuverlässige industrielle Ethernet-Installation sollte außerdem Folgendes berücksichtigen:
Kabelverlegung: Halten Sie Kommunikationskabel nach Möglichkeit von starken elektromagnetischen Störquellen fern.
Anschlusswahl: Der Anschluss sollte für die industrielle Umgebung und die erforderliche Ethernet-Schnittstelle geeignet sein.
Schirmanschluss: Der Schirm muss ordnungsgemäß in das Steckverbinder- und Geräteerdungs-/Potentialpotentialausgleichssystem integriert werden.
Mechanische Anforderungen: Anwendungen, die Vibrationen, Biegungen oder Schleppkettenbewegungen beinhalten, erfordern eine geeignete Kabelkonstruktion.
Übertragungsanforderungen: Kabelkategorie, Leiterkonstruktion, Länge und Netzwerkgeschwindigkeit sollten den Anwendungsanforderungen entsprechen.
Abschluss
Industrielles Ethernet arbeitet in Umgebungen, die deutlich störungsanfälliger sein können als typische Büronetzwerke. Motoren, Antriebe, Stromkabel und andere Industrieanlagen können elektromagnetische Störungen verursachen, die die Zuverlässigkeit der Kommunikation beeinträchtigen können.
Die Abschirmung trägt zwar zur Reduzierung der Auswirkungen dieser Störungen bei, doch ein wirksamer Schutz erfordert mehr als nur die Auswahl eines abgeschirmten Kabels. Kabelkonstruktion, Steckverbinder, Schirmungsanschluss, Erdung, Kabelführung und mechanische Anforderungen müssen optimal aufeinander abgestimmt sein.
Bei industriellen Ethernet-Anwendungen sollte die Auswahl des richtigen Kabels daher mit der tatsächlichen Installationsumgebung beginnen – und nicht nur mit dem Steckertyp.
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