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Industrienetzwerke und ihre Verbindungen

Bild 1. Die Automatisierungs-pyramide

Bild 2. Beispiel einer Hybridleitung

Bild 3. RJ45-Hypbridsteckverbinder

Bild 4. M12-Hybridsteckverbinder

Schwere Industriesteckverbinder mit modularem Aufbau ermöglichen seit einigen Jahren die Übertragung von großen Leistungen, Daten und Medien in nur einem Gehäuse. Aber auch in den Baugrößen RJ45 und M12 stehen Hybridsteckverbindersysteme zur Verfügung. Mit ihnen gelingt der gleichzeitige Anschluss von Bussystemen und Spannungsversorgung.

In der Automatisierungsindustrie wachsen die verschiedenen Ebenen immer weiter zusammen und dies vor allem im Bereich der Vernetzung. Die unterschiedlichen Ebenen in der industriellen Fertigung werden anhand der Automatisierungspyramide verdeutlicht (Bild 1). Die Grenzen können dabei durchaus fließend sein.
In der traditionellen Produktionslinie werden bisher die verschiedenen Geräte mit fünf unterschiedlichen Netzwerksystemen gesteuert: Ethernet, Feldbus, Sicherheit, Stromversorgung 24 V und Stromversorgung 400 V. Für die einzelnen Ebenen haben sich hierbei verschiedene Techniken der Datenübertragung und -verarbeitung entwickelt, die mit unterschiedlichen Verkabelungs- und Steckverbindersystemen ausgestattet werden. Neben der Festverdrahtung finden für die Signalübertragung RJ45- sowie M8- und M12-Steckverbindersysteme Anwendung. Für die Stromversorgung kommen zum Beispiel M12, 7/8 Zoll, M16, M23 sowie verschiedene Rechtecksteckverbindersysteme zum Einsatz.

Derzeit ist eine Technologiewende zu beobachten und man strebt an, alle Baugruppen des Feldbus- und Sicherheitsnetzwerks im Ethernet unterzubringen. Molex unterstützt diese Entwicklungen zum Beispiel durch speziell entwickelte Produkte für Ethernet, Ethernet-IP, Profinet und CIP Safety.
Darüber hinaus geht die Entwicklung im Ethernetbereich mehr und mehr zur drahtlosen Übertragung, um einerseits Installationskosten zu sparen und andererseits flexibler und mobiler zu werden. Dies ist allerdings nur möglich, wenn keine zusätzliche Stromversorgung notwendig ist. Ist gleichzeitig eine zusätzliche Stromversorgung sowie eine hohe Übertragungssicherheit erforderlich, zeichnet sich der Trend ab, die Vielzahl von verschiedenen Signal- und Stromversorgungsverkabelungen durch Hybridlösungen zu ersetzen (Bild 2).
In einer Hybridlösung sind verschiedene Leitungen zur Signal- und Stromversorgung in einem Strang zusammengefasst und werden mit Hybridsteckverbindersystemen verbunden.

Lösungen für Ethernet
Für Ethernet-Anwendungen gibt es seit vielen Jahren die traditionellen RJ45-Stecker und -Buchsen, die über Cat. 5E und Cat. 6A zu Power-over-Ethernet (PoE) weiterentwickelt wurden. Hier sind Datenübertragungen im 10-Gbit-Ethernet und Leistungsübertragungen bis 30 W pro Port möglich. In Büroanwendungen, wie Netzwerk-Routern, Telefonen und Webcams, werden diese bereits seit Jahren erfolgreich eingesetzt.
In der Netzwerkverteilung kommen heute bereits PoE-Komponenten mit bis zu 16 Ports zur Datenverteilung zur Anwendung. Bei Industrieverkabelungen ist man zunächst dazu übergegangen, die Einzelverdrahtung durch Stecksysteme zu ersetzen, um flexibler und schneller bei Umbauten zu werden sowie eine bessere Verdrahtungssicherheit zu gewährleisten. Mit steigendem Einsatz von industriellen Netzwerken (Profibus, Profinet) werden Industrieverteilerfelder mit Stamm- und Stichleitungen eingesetzt.

RJ45-Stecksysteme, die bisher ausschließlich im Innenbereich und Büroumfeld zu finden waren, werden durch zusätzliche Rund- oder Rechteckgehäuse industrietauglicher (Bild 3). Gleichzeitig werden auch hier Hybridlösungen entwickelt, mit denen zusätzlich Stromversorgung in einem Kabelstrang angeboten werden kann. Diese kostenintensiven Lösungen werden allerdings zunehmend durch das robustere und zuverlässigere M12-Stecksystem ersetzt, das zudem noch eine kleinere Bauform bietet (Bild 4).
Die M12-Hybrid-Baureihe CHT (Circular Hybrid Technology) bietet die Möglichkeit, in der Standard-M12-Baugröße zwei geschirmte Signalkontaktpaare sowie zusätzlich zwei oder vier Stromversorgungskontakte unterzubringen. Dies ermöglicht eine Signalübertragung Cat. 5E bis 100 MHz sowie eine Stromversorgung bis 10 A bei zwei Leistungskontakten oder 6 A bei vier Leistungskontakten.
Damit wird es möglich, mit nur einer Leitung zum Beispiel Überwachungskameras, Impulsgeber und Automatisierungskomponenten für Sensoren auch in rauen Umgebungen zu versorgen. Gleichzeitig laufen Entwicklungen, die IP67-geschützten Industrieverteilerfelder mit M12-Hybridsystemen zu erweitern.

Anwendungen für M12-Hybrid-Stecksysteme
Außerhalb von industriellen Anwendungen finden M12-Hybridstecksysteme zunehmend Anwendungen in der Automobilindustrie, im Nutzfahrzeugbau, im Schiffbau, im Bergbau sowie im Off-Shore-Bereich. Beispielhaft sei hier eine Anwendung aus der Beleuchtungsindustrie genannt. Bei dieser wurde in einer europäischen Großstadt zu Weihnachten 2010 eine neue und einheitliche Weihnachtsbeleuchtung eingerichtet. Neben gestalterischen und städtebaulichen Aspekten wurde besonderen Wert auf Ökonomie und Nachhaltigkeit gelegt.
Die Beleuchtung wurde mit zahlreichen Sternen realisiert. Jeder Stern besteht aus 14 Strahlen und ist jeweils mit 14 LED bestückt. Die 9 800 Sternstrahlen werden alle einzeln von einer Zentraleinheit angesteuert. Die Signale werden von dieser mit dem DMX/ACN-Protokoll über Intranet an Unterverteiler gesendet, dort in ein Ethercat-Signal umgewandelt und über weitere Verteilerboxen an die Sterne weitergeleitet. Das System hat circa 1 000 Ethercat-Knoten. So können beispielsweise Videosignale übertragen werden, mit denen sich dann über die Sternstrahlen Monochrom-Videobilder erzeugen lassen.

Für die Befestigung der Sterne in den Altstadtgassen sind Tragseile erforderlich, sodass man nicht noch zusätzlich zwei verschiedene Leitungen für die Signalübertragung und die Stromversorgung anbringen wollte. Deshalb kommt das M12-Hybridstecksystem CHT 4+2 zum Einsatz.
Neben ästhetischen Vorteilen bringt die Ausstattung mit einem Hybridstecksystem auch Kosten- und Zeitvorteile, da nur halb so viele Leitungen montiert werden müssen, wie bei konventioneller Verkabelung. Die fest montierten Wandverteiler enthalten Hybridgerätedosen, auf die jeweils die entsprechenden Hybridleitungsstecker aufgeschraubt werden. Dies erlaubt eine schnelle Montage und Demontage der Beleuchtung sowie eine dichte, gegen Feuchtigkeit geschützte Verbindung, die über viele Jahre zuverlässig ist.

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Autor: Betriebswirt (VWA) Gerd Klaiber ist als Product Manager für Molex in Bretten-Gölshausen tätig.