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Ethernet-Standards für Zehn-Gigabit-Netzwerke

High-Speed für die industrielle Automatisierung

Heutige Automationslösungen überwinden die Grenzen der klassischen Systeme: Die Kommunikation zwischen Fabriksteuerung und Automatisierungszellen gewinnt an Bedeutung. Doch ob Kameras zur Qualitätsinspektion, Server zur Dokumentation von Qualitätsdaten oder Scanner zur Identifizierung von Bauteilen: Zahlreiche Anwendungen benötigen immer höhere Datenraten. Inzwischen bieten Standardlösungen einen Durchsatz von bis zu einem Gigabit pro Sekunde. Doch die langfristige Antwort auf den steigenden Informationshunger der IT-Systeme heißt 'Zehn-Gigabit-Ethernet'.


Cat6A-Komponenten für 10-Gigabit-Ethernet eröffnen durch hohe Datenraten neue Wege für die Industrieautomation. Bild: Phoenix Contact

Zahlreiche neue, datenintensive Anwendungen in der Automatisierung überfordern die ethernet-basierten Feldbusse, da entsprechende Lösungen nur mit Übertragungsraten von 100 Megabit pro Sekunde arbeiten. Dennoch wird der Standard noch langfristig seine Aufgabe in der klassischen Automatisierung erfüllen. Mit der generischen Verkabelung der Gebäudeinfrastruktur lassen sich zwar bereits heute höhere Datenraten übertragen, die Netze genügen jedoch nicht den Ansprüchen der Automatisierungstechnik: Flexible Strukturen in Bezug auf Länge, Topologie, Steckzuordnungen und Komponenten-Eigenschaften sind elementar im Maschinen- und Anlagenbau. Dagegen spielt die generische Verkabelung ihre Stärken in einem starren System aus Horizontal-Verkabelung, Patch-Leitungen, Patch-Panel und Terminal-Outlet aus – der so genannten Referenz-Implementation.

Neue Netzwerk-Ebene zwischen Feldbus und Ethernet

Als Teil der automatisierungstechnischen Aufgabenstellung ist eine neue Ebene zwischen diesen Netzwerken notwendig, die hohe Datenraten und gleichzeitig flexible Strukturen bei den schwierigen Umweltbedingungen der Feldbuskommunikation ermöglicht. Ein solches Netzwerk arbeitet zwischen den Feldbussen und der generischen Verkabelung. Es muss alle Netzwerkzellen einer Automatisierungs-Applikation untereinander verbinden, weitere Teilnehmer in die Automation einbinden sowie die Kommunikation zum Unternehmensnetzwerk ermöglichen.

Geräte mit hohen Datenübertragungs-Raten können so als integraler Bestandteil in Automatisierungsinseln eingebunden werden. Dabei nutzen mehrere Applikationen ein Gerät oder tauschen Informationen aus – ohne jeglichen Systembruch. Hierfür hat sich der Begriff ‚Integrated Automation Network‘ gebildet. Folgende Voraussetzungen müssen dazu erfüllt werden:

  • Resistenz gegenüber Umweltbelastungen im Automationsumfeld
  • Flexible Verkabelungskonzepte
  • Ethernet-Übertragungsraten von bis zu zehn Gigabit pro Sekunde

Denn schon geringe Störungen können die Informationen auf dem Weg durch das Ethernet-Netzwerk verfälschen oder gar löschen. Und die von der IEEE beschriebenen Störungen betreffen das Büro-Umfeld, die weniger extrem als Störungen im Industrie-Umfeld ausfallen. Umso wichtiger ist es, geschirmte Komponenten einzusetzen und eine möglichst hohe Systemreserve vorzuhalten.

Maßstab für die Schirmqualität ist die Kopplungsdämpfung, die einen Wert von 80 Dezibel erreichen sollte. Hierdurch wird auch die Trennklasse ‚d‘ nach EN 50174-2 erreicht, so dass Kommunikations-Leitungen nahezu abstandslos zu Leistungsleitungen verlegt werden können – ein wichtiges Kriterium bei engen Platzverhältnissen und Leitungspaketen, etwa in Roboterzellen.

Paketwiederholung kostet Geschwindigkeit

Für die kabelgebundene Übertragung von 10GBase-T-Ethernet mit zehn Gigabeit pro Sekunde gemäß IEEE-Standard 802.3an existieren mehrere Normen. In der amerikanischen TIA 568B wird dazu die Klasse CAT6A beschrieben, die mit Komponenten der gleichnamigen Kategorie erreicht wird. Kabel-Aufbauten nach Cat6 sollten dabei möglichst weiterverwendet werden. Da Cat6 aber nur bis zu 250 Megahertz definiert ist, geht TIA 568B im Frequenzbereich von 250 bis 500 Megahertz von reduzierter Übertragungsqualität aus. Als Folge wird eine Wiederholung des Ethernet-Paketes nötig, um fehlerhafte Übertragung ‚abzufedern‘. Das ist bei Büro-Anwendungen tolerierbar, da diese Technik lediglich die Datenübertragung verlangsamt. Im Industriebereich mit Echtzeit-Anforderungen und hohen Störungsniveau sieht das anders aus: Jedes Signal muss zuverlässig übertragen werden, um Paket-Wiederholungen zu vermeiden. Daher reichen CAT6A-Komponenten nach TIA 568B für viele industrielle Anwendungen nicht aus.

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