Feldkommunikation Große Datenmengen in Ethernet-Netzwerken übertragen

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. José Antonio Vibora-Münch* / Jan Vollmuth

Die steigenden Datenmengen der industriellen Produktion erfordern leistungsfähige Netzwerke, etwa Ethernet-basierte Protokolle wie Profinet, Ethernet/IP und Sercos, die über optische Leitungen übertragen werden. Mit der neuen HCS-GI-Faser von Phoenix Contact lassen sich Entfernungen bis 2000 m überbrücken.

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(Bild: Phoenix Contact)

Die technische Weiterentwicklung in der Automatisierungstechnik vollzieht sich in immer kürzeren Zyklen. In diesem Zusammenhang wächst die Leistungsfähigkeit der verwendeten Komponenten kontinuierlich. Ständig schnellere Prozessoren und effizientere Software-Lösungen kooperieren mit hoch performanten Antriebs- und Robotersystemen. Monolithische Liniensteuerungen sind längst von im Feld verteilten Kleinsteuerungen ersetzt worden oder ergänzen diese zu skalierbaren Steuerungskonzepten. Die zunehmende Verlagerung von Steuerungsaufgaben in intelligente Endgeräte erzeugt fortwährend höhere Datenmengen.

Darüber hinaus ergibt sich durch den Ansatz der „Industrie 4.0“ die nächste Herausforderung. Hinter dem Begriff verbirgt sich eine steigende Vernetzung von der Leitebene bis zum Werkstück. Die sich potenzierenden Datenmengen werden jedoch mit den heute noch weit verbreiteten elektrischen Netzwerken kaum zu bewältigen sein.

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Da die beschriebenen Szenarien nicht auf alle Applikationen zutreffen, werden die seit Jahrzehnten etablierten und technisch ausgereiften Feldbussysteme viele weitere Jahre zum Einsatz kommen. Anwendungen mit einem hohen Vernetzungsgrad, in denen große Datenmengen produziert werden, profitieren dagegen von den schnellen Ethernet-basierten Protokollen wie Profinet, Ethernet/IP oder Sercos.

Ein leistungsfähiges Netzwerk definiert sich allerdings nicht nur über ein echtzeitfähiges Protokoll, sondern vor allem durch eine optimal ausgeführte Netzwerk-Installation. Erfahrungsgemäß erweist es sich für viele Anwender als schwierig, ihre Kenntnisse aus der Feldbus-basierten Netzwerk-Projektierung auf Ethernet-Systeme zu übertragen. Einen wesentlichen Unterschied stellt dabei die Datenrate der Ethernet-Protokolle dar. Im Vergleich zu Feldbus-Lösungen liegt sie mit 100 MBit/s um den acht- bis zweihundertfachen Wert höher. Diese Tatsache stellt die Netzwerkplanung vor große Herausforderungen.

Wie bei den Feldbussystemen hängen die elektrischen Segmentlängen von der genutzten Datenrate ab. In einem Netzwerk mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 500 kBit/s lassen sich Segmente bis zu 400 m Länge realisieren, wohingegen bei einer Ethernet-basierten Lösung nicht mehr als 100 m möglich sind. Weil die Netzausdehnung durch die Applikation vorgegeben wird, müssen hier Signalverstärker (Switches) eingeplant werden, die das Zeitverhalten des Gesamtsystems meist beeinflussen.

Optische Netzwerke sind leistungsfähiger

Als leistungsfähiger zeigt sich der Aufbau optischer Netze. Während sich die Verwendung der LWL-Technik in der IT-Infrastruktur seit Jahrzehnten durchgesetzt hat, wird sie in Automatisierungslösungen bislang noch zögerlich eingesetzt. Dies resultiert aus der Unkenntnis über die vielfältigen Vorteile der LWL- im Vergleich zur Kupfertechnik sowie aus Bedenken hinsichtlich der Installation und Wartung optischer Netze.

Bei Nutzung hochwertiger Industriekabel sind optische Leitungen den elektrischen Versionen in der Installation in zahlreichen Disziplinen überlegen. Dies haben jedoch noch nicht alle Netzwerkplaner erkannt. So stellen sich die mechanischen Anforderungen wie Mindestbiegeradien sowie Zug- und Druckbelastungen optischer Leitungen als mindestens vergleichbar oder besser heraus.

Einen deutlichen Vorteil haben sie in Bezug auf ihre geringeres Gewicht und die optimaleren thermischen Eigenschaften. Denn Kabel mit metallischen Leitern nehmen die Umgebungswärme aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit gerne auf. Die zusätzliche Erwärmung kann in Anwendungen mit hohen Umgebungstemperaturen allerdings zur Beschädigung oder gar Zerstörung der Leitung führen. Optische Kabel aus Kunststoffen oder Quarzglas bergen hier keine Probleme.

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