Ethernet-Technik gewinnt auch im industriellen Umfeld zunehmend an Bedeutung. Die fachgerechte Installation und damit eine hochwertige Messung sowie Zertifizierungen spielen dabei eine wichtige Rolle. Geeignete Werkzeuge sind unabdingbar, etwa wenn es gilt, im Office-Umfeld un­gewohnte Konzepte wie die Ende-zu-Ende-Strecke zu vermessen.

Aus dem Consumer-Bereich kennt es mittlerweile jeder. Permanent veröffentlichen Firmen neue Produkte, die Verbrauchern das Leben Stück für Stück erleichtern (sollen). Das IoT (Internet of Things) dominiert die Technik: Smart-TVs und vernetzte Kühlschränke dürfen heutzutage in keinem automatisierten Haushalt fehlen. Die Innovationszyklen werden immer kürzer. Der Computer, den man vor einem Monat gekauft hat, gehört längst wieder zum alten Eisen. Im Zuge dieser Entwicklung hat sich auch die Angebotslandschaft massiv verändert. Film und Musik, Taxis und sogar Nahrungsmittel gibt es mittlerweile im praktischen Monatsabonnement oder „on Demand“ per App.

Ganz anders stellt sich die Situation im industriellen Umfeld dar. Zuverlässigkeit und Langlebigkeit oft über Jahrzehnte hinweg gepaart mit der für industrielle Umgebungen erforderlichen Robustheit stehen für Automatisierungskomponenten an oberster Stelle. Anlagen der Fertigungs- und vor allem der Prozessindustrie sind darauf ausgelegt, viele Jahre fest definierte Erzeugnisse zu produzieren, und zwar wie von Beginn an definiert. Folglich schafften Innovationen aus dem Consumer-Bereich immer nur schleppend den Sprung in die industrielle Umgebung, zumindest bis heute. Im Zuge von Industrie 4.0 und IIoT (Industrial Internet of Things) verändern sich angebotene Produkte und Dienstleistungen im gesamten industriellen Spektrum zunehmend. Neue Techniken wie Rapid Prototyping, Blockchain, Cloud-Storage sowie Cloud-Computing etc. eröffnen ungeahnte Möglichkeiten an jedem Punkt der Wertschöpfungskette.

Sicher ist es nicht ganz einfach, zwischen all diesen Trends und Entwicklungen den Überblick zu behalten. Noch schwieriger ist es, mit Sicherheit zu sagen, was davon sich in den kommenden Jahren tatsächlich durchsetzen wird. Einen gemeinsamen Nenner gibt es jedoch: Alle genannten Ideen und Vorhaben setzen die Übertragung von großen Datenmengen voraus, zuverlässig und mit hoher Geschwindigkeit. Ob das Senden von Bilddaten einer Kamera an einen Produktionsrechner oder Prozessdaten von Edge-Gateways in die Cloud, im Sinn der von Industrie 4.0 erdachten Vernetzung aller Systeme im Produktionsprozess müssen sich alle anfallenden Daten im Netzwerk beliebig verteilen lassen. Grundlage für diesen Datenaustausch bildet immer mehr Industrial Ethernet mit seiner dazugehörigen Verkabelungsstruktur. Aber dies war nicht immer so.

Die industrielle Automatisierungspyramide. Bild: Softing

Als nicht-standardisiertes Softwareprotokoll ist das Ethernet in den 70er-Jahren zur firmeninternen und lokal begrenzten Übertragung von Datenpaketen in kabelgebundenen Computernetzwerken (LANs) entstanden. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) spezifizierte das Softwareprotokoll sowie den Physical Layer, also die physischen Schnittstellen wie Steckverbinder und Kabel, in den folgenden beiden Jahrzehnten weiter und legte mit der Einführung unterschiedlicher Protokolle wie 802.4 (Token Bus), 802.5 (Token Ring), 802.3 (Ethernet) und schließlich 802.11 (WLAN) den Grundstein für das moderne Internet.

Parallel dazu entwickelte sich, getrieben durch den verstärkten Einsatz elektrischer Automatisierungstechnik, in den 80er-Jahren die Feldbus-Technik. Der Grundgedanke war der gleiche: Unterschiedliche Kommunikationsteilnehmer sollten geordnet und in einer gemeinsamen Systematik miteinander kommunizieren. Die verschiedenen Feldbus-Protokolle wie Interbus, DeviceNet oder Profibus dienten jedoch nicht zur Vernetzung von Computern der Unternehmensebene, sondern nur zur seriellen oder parallelen Anbindung von Sensoren und Aktoren an die Steuerungs- und Leitebene.

Die Automatisierungspyramide

Letztlich begründete so die parallele Entwicklung der beiden Übertragungsprotokolle die Form der noch heute gültigen Automatisierungspyramide (Bild Seite 42). Die obersten Ebenen repräsentieren lokal begrenzte Computernetzwerke, über die die Produktionsgrob- und -feinplanung erfolgt. Die unteren Ebenen umfassen die Signal-, Daten- und Leistungsübertragung zur Erfassung, Steuerung und Regelung des physischen Produktionsprozesses. Die Form der Pyramide ergab sich primär aus der hierarchisch-logischen Anordnung der unterschiedlichen Ebenen.

Sie repräsentiert jedoch ebenso die bisher gültigen Rahmenbedingungen für die industrielle Datenübertragung: hohe Übertragungsraten und geringe Strecken mittels Ethernet, geringe Übertragungsraten und lange Strecken mittels Feldbus. Dieser Ansatz ist mit zukünftigen Anwendungsfällen jedoch nicht mehr vereinbar.

Hohe Übertragungsraten sind von der Spitze der Pyramide bis hinunter zu deren Basis, den Sensoren und Aktoren der Feldebene erforderlich. Aus diesem Grund zog mit der Entwicklung Ethernet-basierender Protokolle wie EtherNet/IP, Profinet oder EtherCAT die Echtzeit-Datenübertragung von der Unternehmens- in die Feldebene ein. Laut einer Studie von HMS aus dem Jahr 2019 ist der Marktanteil von Feldbussen in der Fabrikautomatisierung mit minus fünf Prozent erstmals rückläufig. Demgegenüber steht ein Wachstum von Industrial Ethernet um rund 20 Prozent. Experten gehen bereits davon aus, dass industrielles Ethernet einen höheren Marktanteil als die Feldbus-Systeme hat.

Im Rahmen dieser Entwicklung ist es von großer Bedeutung, die Zuverlässigkeit der stetig wachsenden und komplexer werdenden Kommunikationsinfrastrukturen zu gewährleisten. Bei klassischen Feldbussen lassen sich auch große Netzwerke einfach vermessen. Solange die Signalpegel aller Teilnehmer an beiden Enden der Leitung einen akzeptablen Wert erreichen, können Techniker die Verkabelung als in Ordnung abnehmen. Kommen einige Signale nicht mit der erforderlichen Qualität am Messpunkt an, lässt sich meist recht einfach der Ort der Fehlerursache ermitteln.

Anders stellt sich die Sache bei Ethernet dar. Da es hier nur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen gibt, agiert jedes Gerät als Repeater. Qualitativ minderwertige Signale aufgrund von Schwachstellen in den Datenleitungen bleiben noch auswertbar und gelangen wieder mit perfekter Qualität an den nächsten Teilnehmer weiter. Solange die Signale gerade noch verwertbar sind, fällt kein Fehler auf. Jedoch können in solchen Situationen schon geringe Einflüsse zur Störung der Übertragung führen. Aus diesem Grund muss ein Techniker nach der Installation von Industrial-Ethernet-Netzwerken jedes einzelne Verbindungskabel auf seine Tauglichkeit und Unversehrtheit prüfen. ODVA und PI empfehlen offiziell die Qualifizierung oder gar Zertifizierung von Ethernet/IP- oder Profinet-Verkabelungen als Basis jeder Inbetriebnahme einer Anlage. Anhand des wohl bekanntesten Vertreters des industriellen Ethernets, des Profinets, kann man sich exemplarisch mit dem Abnahmeprozess der Verkabelung befassen.

Profinet

Ein in Deutschland sehr prominenter Vertreter der „modernen“ Feldbussysteme ist das bereits erwähnte Profinet, ein offener Standard für Industrial Ethernet, entwickelt von Siemens und der Profibus Nutzer Organisation (PNO). Er kommt in Lösungen für die Fertigungs- und Prozessautomatisierung zum Einsatz, für Anwendungen im Überwachungsbereich und das gesamte Spektrum der Antriebssteuerung bis hin zu Echtzeitregellösungen. Ethernet dient als Übertragungsprotokoll. Darunter arbeitet eine Verkabelungsstruktur mit direkten Verbindungen, jedoch als Sternstruktur geschaltet.

Die Abnahme einer solchen Anlage ist in einem speziellen Dokument geregelt, der „Profinet Inbetriebnahmerichtlinie“, derzeit verfügbar als Version 1.36 vom Dezember 2014. Sie erfolgt in zwei Schritten. Der erste messtechnische Schritt, die Überprüfung der Verkabelung, befasst sich mit den elektrischen Eigenschaften des Netzwerks, präziser dessen Verkabelung. Besonders nach der Montage einer Anlage ist eine Vermessung wichtig, da die Verkabelung im industriellen Umfeld hohen Belastungen ausgesetzt ist und sich für das bloße Auge unsichtbare Schäden ergeben können.

Immer komplexere Fertigungsabläufe gekoppelt mit elektromagnetisch und witterungsbedingt strapazierenden industriellen Umgebungen erfordern robuste Kommunikation und hohe Datenraten bei schwierigen Bedingungen. Aus diesem Grund müssen Techniker die Übertragungsfähigkeit der Leitungen zwingend überprüfen. Damit ist sichergestellt, dass alle Informationen ungehindert übermittelt werden können. Die Inbetriebnahmerichtlinie erläutert die drei existierenden Ebenen der Verkabelungsmessung – beginnend mit einfachem Verdrahtungstest ohne Aussage zur Übertragungsfähigkeit – mittels Leitungstester (Verfizierer) über den Einsatz von Funktionstestern (Qualifizierer) bis hin zu den eigentlichen Abnahmetestern (Zertifizierer) wie etwa dem WireXpert von Softing IT Networks.

Die EzE-Strecke und die Bezugsebenen für eine Messung. Bild: Softing

Ein Zertifizierer testet Ethernet-Verkabelungen nach allen gängigen Standards. Allerdings gibt es einige Besonderheiten in der industriellen Verkabelung zu beachten, da sich die Verkabelungsstrukturen wesentlich von den Strukturen in der Büro- und Rechenzentrumsumgebung unterscheiden. In der industriellen Verkabelung finden sogenannte „Ende-zu-Ende“-Strecken ihren Einsatz.

„Ende-zu-Ende“-Strecken (EzE) beschreiben eine Verkabelungsstruktur, die sich gänzlich von den klassischen Übertragungstrecken der Büro- und Rechenzentrumswelt unterscheidet. Bisher kannte man nur die sogenannte Installationsstrecke (Permanent Link) oder die Übertragungsstrecke (Channel Link), wie sie in Büroverkabelungen, Rechenzentren oder Heimverkabelungen definiert sind.

Eine Installationsstrecke besteht üblicherweise aus einem Verlegekabel mit Buchsen an beiden Kabelenden. Die Strecke beginnt üblicherweise am Verteilerfeld und endet am Telekommunikationsanschluss, also der Datendose im Raum. Manchmal enthalten die Installationsstrecken auch passive Zwischenverteiler, sogenannte Sammelpunkte (Consolidation Point/CP). Eine Übertragungsstrecke ist die komplette horizontale Verkabelungsstrecke, inklusive Installationstrecke, beliebigen Rangierverteilern oder den Anschlussschnüren (Patch-Kabeln) hin zu den aktiven Komponenten auf beiden Seiten der Strecke.

Beide beschriebenen Konfigurationen passen sehr gut zu den genannten Anwendungsgebieten, allerdings nicht unbedingt für den Einsatz in industrieller Umgebung. Dort ist es oft erforderlich, Maschinen untereinander oder mit Netzwerkgeräten, etwa Switches, direkt zu verbinden, und zwar ohne zusätzliche Anschlussschnüre.
Für diesen Anwendungsfall ist die Ende-zu-Ende-Strecke definiert. Die einfachste EzE-Strecke ist ein Verlegekabel, abgeschlossen mit zwei Steckern. Diese Konfiguration sieht aus wie eine Anschlussschnur, unterliegt jedoch einer Reihe von zusätzlichen Bewertungskriterien, die sie von einer Standard-Anschlussschnur unterscheiden. Darüber hinaus kann eine Ende-zu Ende-Strecke unter Umständen mehrere Segmente enthalten.

Einige Merkmale von EzE-Strecken sind:

  • Eine EzE-Strecke unterliegt unterschiedlichen Leistungskriterien als eine Anschlussschnur,
  • eine EzE-Strecke kann aus solidem oder flexiblem Kabel aufgebaut sein. Anschlussschnüre sind stets aus flexiblem Kabel gebaut,
  • einige EzE-Konfigurationen können Segmente mit Steckern oder Buchsen an den Kabelenden enthalten,
  • eine EzE-Strecke kann zwei oder vier Aderpaare enthalten, Anschlussschnüre haben heute üblicherweise vier Paare,
  • die Gesamtlänge kann bis zu 100 Meter für festes Kabel und bis etwa 70 Meter für flexibles Kabel annehmen. Wichtig: Die Länge ist kein Pass/Fail-
  • Kriterium, sondern nur informativ. Die Streckenlänge ist nur durch die Einfügedämpfung, Laufzeit und den Laufzeitunterschied begrenzt,
  • eine EzE-Strecke kann der Hersteller vorkonfektioniert liefern, oder sie lässt sich vor Ort konfektionieren. Anschlussschnüre werden üblicherweise in den
  • höheren Kategorien nicht mehr selbst gebaut,
  • eine EzE-Strecke kann bis zu fünf Segmente und sechs Steckverbindungen enthalten,
  • sind zwei Steckverbindungen weniger als zehn Zentimeter auseinander, zählen sie als eine Steckverbindung,
  • sind zwei Steckverbindungen weiter als zehn Zentimeter auseinander, zählen sie als zwei Steckverbindungen,
  • in einigen Konfigurationen können die Segmente aus Stecker, Kabel und einer Buchse, ähnlich einem Sammelpunkt-Kabel bestehen, und
  • in einigen Konfigurationen können Segmente aus zwei Buchsen und einem Kabel dazwischen bestehen, ähnlich einer Installationsstrecke.

Da die Steckverbinder an den Enden einer EzE-Strecke im Feld konfektionierbar sind, muss sichergestellt sein, dass diese Steckverbinder auch in der Messung enthalten sind (Bild Seite 42). Die roten vertikalen gestrichelten Linien kennzeichnen die Bezugsebenen der Messung und legen fest, welche Streckenteile in der Messung enthalten sein müssen. Es ist wichtig, dass die Messgeräteschnittstellen und die Messkabel nicht in der Messung enthalten sind, jedoch die Referenzbuchsen am Ende des Messkabels.

Da moderne Messgeräte in der Lage sind sowohl die Amplitude, als auch die Phasenlage der Hochfrequenzparameter zu messen, ist es möglich sowohl die Einflüsse der Schnittstellen der Testadapter als auch die Messkabel aus den Messungen herauszurechnen. Um genaue und wiederholbare Messungen zu erzielen, schreibt die zugrunde liegende Messnorm, die IEC 14763-4, die Verwendung von Referenzbuchsen am Übergang zur zu testenden Strecke vor. Sind alle Strecken auf die Einhaltung der elektrischen Eigenschaften getestet, kann die nächste Ebene der Abnahme beginnen, der aktiven Ebene einer Profinet-Anlage.

Fazit

Im industriellen Umfeld findet derzeit ein Umbruch statt. Feldbusse werden zusehends abgelöst von industriellem Ethernet. Dort, wo Ethernet einzieht, müssen Techniker nun auch die Verkabelungen zuerst passiv testen oder einmessen, damit anschließend die aktiven Komponenten störungsfrei in Betrieb gehen können. Damit ist die Inbetriebnahme von industriellen Netzwerken mittlerweile zu einem mehrstufigen Prozess geworden, der an den Anwender umfangreiche Anforderungen stellt.

Unter Zuhilfenahme von speziell auf diese Anforderungen zugeschnittenen Werkzeugen, wie beispielsweise Wire­Xpert als Zertifizierungsmessgerät für die Verkabelungsstruktur, bieten Hersteller wie Softing den Service-Technikern und den Anlagenbetreibern Hilfestellung bei der Bearbeitung der zahlreichen technischen Kriterien.

Thomas Schwarzenböck ist Produkt-Manager Industrial bei Softing Data Networks. Alfred Huber ist Leiter Technik bei Softing IT Networks, www.softing.com.