Bei der Datenübertragung in Fabriken geht der Trend ganz klar zu Industrial Ethernet. Berauscht von den enorm hohen – möglichen – Datenübertragungsraten greifen viele Anwender selbst dann zur schnellsten Leitung, wenn sie nur einen Sensor mit An/Aus-Information anschließen wollen. Dies ist unnötig und teuer. Eine Alternative sind Single-Pair-Leitungen. Sie sind dünn, lassen sich leichter verarbeiten, kosten weniger und sind meist immer noch ausreichend schnell.

Die vierte industrielle Revolution ist in vollem Gang. Ihr wichtigster „Rohstoff“ sind Daten. Sie verschmelzen die physische Welt mit der digitalen. Gleichzeitig nimmt die Vernetzung zu – jede Maschine, jedes „Ding“ tauscht mit anderen Informationen aus. Aber wie? In lokalen Datennetzen ist Ethernet seit den 1990er Jahren die unumstrittene Nummer 1. Über die Einhaltung der Standards für Ethernet wacht das Institute of Electrical and Electronics Engineers, kurz IEEE. Dies gelingt sehr erfolgreich bei Anwendungen im Büroumfeld.

Anders sieht es in Fabriken aus. Mittlerweile gibt es mehr als 20 Industrial-Ethernet-Systeme, die sich alle mehr oder weniger in technischen Details unterscheiden und daher oft inkompatibel sind. Hinzu kommen mehr als 50 Feldbus-Systeme wie Profibus oder CAN-Bus, die die Anbieter von Automatisierungstechnik favorisierten. Auch diese sind in der Regel untereinander nicht kompatibel.

Feldbus-Systeme sind in Fabriken weit verbreitet, weil sie als robuster gelten. Sie übertragen kleinere Datenpakete als Ethernet, sind im Gegenzug jedoch echtzeitfähig. Dies ist wichtig bei zeitkritischen Abläufen in Maschinen, etwa wenn ein Antrieb in Mikrosekunden auf das Signal eines Sensors reagieren soll. Das Bedienpersonal an der Maschine will außerdem sicher sein, dass die Maschine sofort stoppt, wenn jemand den roten Not-Aus-Schalter drückt. Mit Ethernet ist dies bisher nur bedingt möglich, allerdings existieren Standardisierungsbestrebungen seitens des IEEE mit dem Ziel, die standardisierte Echtzeitfähigkeit auch in Ethernet zu implementieren. Dies ist dringend nötig, denn die Zukunft gehört auch in den Fabriken dem Industrial Ethernet, das derzeit mit 22 Prozent pro Jahr wächst, während Feldbus-Systeme nur noch mit sechs Prozent zulegen. 2018 wird die Zahl der Ethernet-Installationen in Fabriken die von Feldbussen erstmals überholen.

Nicht nur die Zahl der Verbindungen wird explodieren, auch die Anforderungen an die Qualität und die Verfügbarkeit dieser Verbindungen steigen – aber nicht unbedingt an die Datenübertragungsrate. Nach dem Motto „viel hilft viel“ kaufen Anwender oft Leitungen, die überdimensioniert sind und zum Beispiel Übertragungsraten von 10 Gigabit pro Sekunde schaffen. Für Hochgeschwindigkeitskameras zur Qualitätskontrolle mag dies sinnvoll sein, andererseits braucht nicht jeder Sensor diese maximale Datenübertragungsrate, wenn er nur ein paar Bits pro Sekunde übermittelt. Ein solches Vorgehen stellt eine gleichzeitig eine Verschwendung und eine Kostenfalle dar, über die sich Unternehmen nicht immer im Klaren sind. Denn ein Meter Leitung kostet nur wenige Euro. Auf eine ganze Fabrik gerechnet, schlägt es dann doch zu Buche. Die Verantwortlichen, die darüber schon einmal nachgedacht haben, finden allerdings keine günstigeren Alternativen. Langsamere Ethernet-Leitungen als Kategorie 5 findet man gar nicht mehr auf dem Markt.

Oft überdimensioniert

Diese Situation wird sich in den kommenden Jahren ändern. Die Anwender begreifen, dass sie auch in Zeiten von Industrie 4.0 nicht zu jedem Sensor eine Kategorie-7-Leitung ziehen müssen und dass an dieser Stelle Potenzial für Kosteneinsparungen besteht. Downsizing bei Ethernet-Datenleitungen ist daher ein Trend, der in den nächsten Jahren in Fabriken Einzug halten dürfte.

Die Kabelhersteller sind nun gefordert. Doch wo sparen? Weil niemand die Physik außer Kraft setzen kann und Anwender keine Kompromisse bei der Qualität oder bei den EMV-Eigenschaften eingehen wollen, bleibt als naheliegender Hebel nur die Zahl der Aderpaare. Künftig wird es auch wieder Leitungen mit weniger als den heute üblichen vier Adernpaaren geben. So genannte Single-Pair-Leitungen haben sogar nur noch ein Adernpaar. Von solchen abgespeckten Leitungen kann man zwar keine Rekordgeschwindigkeiten erwarten, aber 1 GBit/s schaffen sie auch. Dies ist schnell genug für viele Anwendungen.

Single-Pair-Datenleitungen punkten mit geringem Platzbedarf und niedrigeren Kosten. Wenn es in einer Maschine eng zugeht, sie gleichzeitig jedoch mit vielen Sensoren bestückt ist, können diese Leitungen eine spürbare Erleichterung bringen. Bild: Lapp

Single-Pair-Datenleitungen punkten stattdessen mit geringem Platzbedarf und niedrigeren Kosten. Wenn es in einer Maschine eng zugeht, sie gleichzeitig jedoch mit vielen Sensoren bestückt ist, können diese Leitungen eine spürbare Erleichterung sein. Ein weiterer Pluspunkt ist, dass solche abgespeckten Leitungen auch länger sein dürfen als die sonst bei Ethernet-Leitungen üblichen maximal 100 Meter. Grundsätzlich nehmen zwar bei größeren Distanzen die Störungen zu, und es kann zu Datenfehlern kommen. Durch neue Entwicklungen bei Halbleiterchips aus der Automobilindustrie ist es nun jedoch möglich, viele dieser Störungen zu korrigieren und damit höhere Reichweiten von bis zu einem Kilometer zu erreichen.

Die Anwender werden sich auch deshalb schnell mit Downsizing anfreunden, weil es die Konfektionierung und Installation von Leitungen vereinfacht. Zunächst lässt sich die dünnere Leitung schneller um Ecken und durch enge Stellen bugsieren. Wenn es an das Konfektionieren geht, macht es schon einen erheblichen Unterschied, ob der Monteur acht Adern abisolieren und im Stecker anschließen muss oder nur zwei.

Schneller konfektionieren

Der Hersteller Lapp lässt sich darüber hinaus Kniffe einfallen, um auch die Verarbeitung der „normalen“ Ethernet-Leitungen mit acht Adern einfacher zu machen. Ein Beispiel ist das Kabel Etherline PN Cat.6A FC mit 10 GBit/s bei 500 MHz Bandbreite. Es ist Fast-Connect-fähig, weil es ohne Folienschirmung der Aderpaare auskommt, was eine schnelle und sichere Konfektion ermöglicht. Zudem ist die Leitung zertifiziert für den nordamerikanischen Markt. Dazu passt unter anderem das EPIC-MH-Gigabit-Datenmodul, Bestandteil des modularen Rechtecksteckersystems EPIC MH. Dazu gibt es Access-Switches zur Datenverteilung im rauen Industrieeinsatz. „Unsere Produkte sind herstellerneutral und immer auf die Anwendung zugeschnitten“, betont Guido Ege, Leiter Produkt-Management und Produktentwicklung bei Lapp.

Derzeit sind Leitungen für Single Pair Ethernet noch nicht verfügbar, zumindest nicht für den Einsatz in der Industrie, dafür fehlen noch Standards. Um die kümmern sich neu gegründete Arbeitsgruppen. „Erste Serienprodukte für Single Pair Ethernet wird es aber in zwei bis drei Jahren geben“, verspricht Ege.

Ein Kabel für alles

Ein scheinbar widersprüchlicher Trend zum Downsizing ist die zunehmende Nachfrage nach Hybridkabeln. Dort geht es nicht darum, möglichst wenige Adern in einem Mantel unterzubringen, sondern im Gegenteil möglichst viele Leitungen zusammenzupacken. Solche Hybridleitungen, auch Ein-Kabel-Lösungen genannt, vereinen unterschiedliche Funktionen in einem Mantel, zum Beispiel Anschlussleitungen für Servoantriebe plus Feedback-Leitungen zur Abfrage der Sensoren. Ein-Kabel-Lösungen sparen im Vergleich zu mehreren separaten Leitungen mit separaten Steckern viel Platz – insofern kann man auch bei ihnen von Downsizing sprechen.

Die Roboterhersteller profitieren ebenfalls von kompakteren Leitungen, wobei dort auch die leistungsführenden Leitungen einen Beitrag leisten müssen. Es gibt einige Stellhebel, um diese kompakter und noch robuster zu machen, damit sie die engen Biegeradien aushalten. Dabei gilt: Am Kupfer kann man nicht sparen. Die Dicke des Leiters ist durch die Anwendung vorgegeben, etwa durch den Leistungsbedarf der Servomotoren. Diese sind allerdings bei Kompaktrobotern kleiner, benötigen also weniger Strom und damit einen geringeren Leiterquerschnitt. Ein weiterer Stellhebel ist eine größere Schlaglänge – die Litzen der Leiter sind weniger verdrillt.

Die Steckverbinder werden ebenfalls kompakter. Große Roboter werden vom Schaltschrank mit einer Versorgungsleitung gesteuert, die üblicherweise in einem Industrie-Rechteckstecker im Fuß des Roboters endet, oder auch mit einem M23-Rundstecker. Von dort laufen Energie und Daten über Leitungen mit M23-Rundstecker in den Roboterarm. Für kleinere Roboter wurde dieser Standard auf das kleinere M12-Format geschrumpft. Wenn es noch kleiner sein soll, bei Robotern mit reiner Innenverkabelung etwa, sind solche Stecker nicht mehr praktikabel. Dann sind die Leitungen über kleine Steckverbinder angeschlossen, wie man sie aus der Verbindung von Leiterplatten kennt.

Bernd Müller arbeitet als freier Journalist.