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<H1>www.aud24.net : A. Lüder, M. Buchwitz: "Installation von Ethernet-Systemen im industriellen Umfeld"</H1>
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Redaktion
> <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD>
<TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>08.04.2002</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Aufbau, Erfordernisse und Hinweise</TD>
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Ethernet, in der Bürokommunikation ein De-facto-Standard, hält in verstärktem Maße Einzug in die Fabrikhalle.Die Verwendung von ethernetbasierter Kommunikation setzt die Erstellung eines Kabelnetzes, wie es aus der Anwendung von Feldbussen bekannt ist, voraus; Entwurf, Installation und Test solcher Netzwerke in Industrieanwendungen erfordern jedoch spezielle Kenntnisse und Fähigkeiten. Essentielle Probleme wie das Datenaufkommen, verschiedene Typen von Kabeln, verschiedene Datenübertragungsraten, etc. erfordern die Betrachtung von Datenintegrität, Übertragungssicherheit, Redundanz und weiterem. <BR><BR>Die für die Verkabelung von Bürogebäuden und Betriebsgeländen existierenden internationalen Standards ISO/IEC 11801 und EN 50173 haben sich als sehr erfolgreich erwiesen. Sie geben eine Strukturierung der Verkabelung basierend auf Konformitätsklassen und drei topologischen Schichten an und spezifizieren darüber hinaus entsprechende Kategorien von Gräten und Komponenten. Wenn man diese Standards auf Verkabelungsprojekte in einer Industrieanlage anwendet, ergeben sich jedoch verschiedene Problemstellungen und Kritikpunkte. Die Kluft zwischen den Normen und der industriellen Notwendigkeit gilt es zu schließen, bis ein anwendbarer Industriestandard existiert.<BR><BR>Installationsbeispiel eines Ethernet-Netzwerkes<BR><BR>Beim hier vorgestellten Beispiel handelt es sich um eine neue Fertigungsanlage (3MTL-Beispiel) bestehend aus drei Maschinen, die durch verteilte Intelligenzen wie intelligente Sensoren und Aktoren mit On-board-SPSen gesteuert werden, einem dezentral gesteuerten Transfersystem und einem Ein- und Ausgangslager. Die Anlage soll in eine bestehende Fertigungsstruktur integriert werden.<BR><BR>Planung<BR>Topologie<BR><BR>Als erstes ergibt sich die Frage, welche Systemtopologie vorzuziehen ist. Die übliche Topologie in einem Bürokommunikationssystem wird durch die internationalen Standards ISO/IEC 11801 und EN 50173 mit der folgenden Struktur festgelegt. Ein Gebäude ist mit mindestens einem Building Distributor (Gebäudeverteiler) ausgestattet. Alle Building Distributors auf einem Firmengelände werden in einer Sterntopologie mit einem Campus Distributor (Gebietsverteiler) verbunden. Dieser Campus Distributor stellt den zentralen Kommunikationsschnittpunkt des gesamten Kommunikationssystems dar. Darüber hinaus stellt er die Verbindung zum Internet dar. In einem Gebäude existieren üblicherweise mehrere Floor Distributors (Flurverteiler), die die verschieden Geräteanschlusspunkte (üblicherweise Netzwerksteckdosen) für Büro- PCs, Drucker, usw. darstellen, mit den Building Distributers verbinden. Betrachtungen im industriellen Umfeld haben ergeben, dass diese generelle Struktur auch für industrielle, ethernetbasierte Kommunikationssysteme angewendet werden kann. Es sind lediglich kleinere Veränderungen notwendig. Unterschiede zwischen dem Bürobereich und der industriellen Anwendung liegen insbesondere in der Netzwerkausdehnung, der Redundanz und den Echtzeit-Anforderungen. Damit wird ein Machine Distributor (Maschinenverteiler) vergleichbar zum Floor Distributor. Die sich ergebende Struktur ist in Abb. 2 dargestellt. Die Topologie basierend auf den drei Ebenen Campus Distributor, Building Distributor und Machine Distributor ist von den Anforderungen an Redundanz, Verkabelungsaufwand und anderen abhängig. In industriellen Umfeld ist insbesondere die Ringtopologie von Interesse. Sie scheint im Hinblick auf die mögliche Redundanz im Verhältnis zum notwendigen Verkabelungsaufwand die sinnvollste Topologie zu sein. Für unser Beispiel kann gefolgert werden, dass jede Maschine, das Transfersystem und das Lager mit jeweils zwei redundanten Machine Distributors ausgestattet werden, an die in einer Ringtopologie alle Endgeräte (intelligente Sensoren und Aktoren) angeschlossen sind. Ebenfalls in einer Ringtopologie werden die Machine Distributors mit den Building Distributors verknüpft. Diese Distributors sind wiederum mit dem Fabrik-Backbone und dem Campus Distributor verbunden, um fabrikweite Kommunikation zu ermöglichen.<BR><BR>Verkabelungskomponenten<BR><BR>Nach der Bestimmung der Systemtopologie müssen die einzelnen Komponenten des Systems betrachtet werden: Welche Typen von Kabeln, Steckern, Distributors, und welche Übertragungsrate sind zu verwenden? In der Netzwerktechnologie werden verschiedene passive und aktive Komponenten betrachtet. Die passiven Komponenten wie Kabel und Stecker werden mit Blick auf ihre Fähigkeiten im Rahmen genereller Verkabelungsstandards betrachtet. Jedoch ist die Verwendung von Standard-Büro-Technologien und den entsprechenden Komponenten im industriellen Umfeld nicht möglich. Deshalb werden zwei Klassen von Komponenten betrachtet, die sich im Hinblick auf ihre Installation unterscheiden. ‚Light Duty‘-Komponenten sind für die Anwendung innerhalb von Industrieschaltschränken und anderen Gehäusen, wogegen ‚Heavy Duty‘-Komponenten für die Anwendung im ungeschützten Industrieumfeld gedacht sind. Aktive Komponenten werden in Anlehnung an ihre Funktion innerhalb der Netzwerkschichten, d.h. Machine Distributor oder Building Distributor, und ihre Antwortzeiten betrachtet. Basierend auf Annahmen über die zu verbindenden Ethernetendgeräte (PCs, Workstations, SPSen, E/A-Geräte etc.) und die Anwendungen, die wahrscheinlich in den nächsten Jahren Verwendung finden werden, wird die erwartete Last für die einzelnen Netzwerkverbindungen berechnet. Dabei ist nicht ausreichend, eine durchschnittliche Auslastung zu berechnen. Um zeitweilige Überlastungen im Netzwerk zu vermeiden, muss mit den Spitzenbelastungen gerechnet werden. Die meisten Büroanwendungen verhalten sich bezüglich Veränderungen von Reaktionszeiten völlig neutral. In der Steuerungs- und Regelungstechnik sind jedoch die Reaktionszeiten mit besonders strengen Anforderungen belegt. Die entsprechenden Netzwerksegmente, über die steuerungs- und regelungsbezogene Kommunikationswege führen, sind dementsprechend von nicht notwendigem Datenaufkommen freizuhalten und es sollte mindestens ein Sicherheitsfaktor von zehn Berücksichtigung finden. Es wird auch im Steuerungsund Regelungsbereich in den nächsten Jahren mit einem Anwachsen der managementbezogenen Hintergrundlast gerechnet. Jedoch wird diese nur auf zeitweilige Spitzenlasten ohne besondere zeitliche Anforderungen bezogen sein. Dies kann in einfacher Weise durch ein geswitchtes Netzwerk mit Prioritäten gehandhabt werden. Innerhalb einer Maschine wie auch innerhalb des Transfersystems und des Lagers wird ein zehn Megabit switched full duplex Ethernet mit Twisted-Pair-Verkabelung verwendet. Innerhalb der Werkhalle wird ein 100-Megabit-switchedfull- duplex-Ethernet mit Lichtleiterkabeln verwendet, um dadurch eine Netzwerküberlastung und Störungen durch Magnetfelder zu vermeiden. Die Verbindung zum Fabrik-Backbone und damit zum Campus Distributor erfolgt ebenfalls über ein 100-Megabit-switched-fullduplex- Ethernet mit Lichtleiterkabeln. Der Datentransfer auf dieser Verbindung ist aufgrund der Verwendung von verteilter Intelligenz nicht nennenswert größer als im Steuerungsbereich. Die Distributors werden in jedem Fall durch Switch-Technologie realisiert.<BR><BR>Implementierung<BR><BR>Bei der Installation ist zunächst die Frage, ob bekannte kabeltypabhängige Probleme auftreten können, geklärt werden. Dazu werden die beiden Kabeltypen Kupferkabel und Lichtwellenleiter separat betrachtet. Kupferkabel sind aus dem Feldbusbereich bekannt. Sie können in Kabelkanälen und auf Kabeltrassen befestigt werden. In den Standards EN 50288, ISO/IEC 11801 und EN 50173 werden minimale Abstände zu Störquellen spezifiziert. Ethernetkabel sind vor elektrischen und physikalischen Einflüssen zu schützen. Für Lichtleiterkabel werden wie für Kupferkabel ‚Light Duty‘ und ‚Heavy Duty‘ unterschieden. Hier sind die Hauptaspekte Leistung von optischen Schnittstellen, Typ und Kapazität von verwendeten Kabeln und die Qualität von Installation und Steckerkonfiguration zu betrachten. Im hier betrachteten 3MTL-Beispiel sind bei der Installation Probleme mit auftretenden hochfrequenten Vibrationen im Bereich des Transfersystems zu berücksichtigen. In Folge dessen müssen die Kabel folgendermaßen befestigt werden: Die verwendeten Klammern müssen mit Gummimanschetten gegen Einschneiden in das Kabelmaterial gesichert werden. Generelle Aspekte bei der Installation von Kupferkabeln seien hier noch kurz zusammengefasst:<BR><BR>Mechanische Belastung: Biegeradius, bewegte Maschinenteile, Kabelverlegung nicht diagonal zu Wegen und bewegten Maschinenteilen, Schutz durch Kabelkanäle oder Kabeltrassen<BR><BR>Störungen: Signal- und Leistungskabelverlegung nicht parallel, Verwendung der richtigen Stecker, Erdung, Kontaktsicherheit und Schirmung der Stecker<BR><BR>Kabeleinführung in Schaltschränke, Gebäude und außerhalb von Gebäuden Elektrische Stecker: Schirmung, Kontakt, Behandlung des Kabels beim Anbringen von Steckern<BR><BR>Elektromagnetische Verträglichkeit - Schirmung: Die Beschreibung einer richtigen und damit wirkungsvollen Schirmung<BR><BR>Erdung<BR><BR>Installation im Bereich von geerdetem Referenzpotenzial<BR><BR>Generelle Aspekte bei der Installation vonGlasfaserkabeln sind demgegenüber:<BR><BR>Verwendung von brauchbaren, qualitativ hochwertigen Komponenten<BR><BR>Beachtung des Biegeradius’<BR><BR>Keine Überschreitung der Zugbelastung und Scherfestigkeit<BR><BR>Verlegung in Kabelkanälen<BR><BR>Schutz gegen scharfe Kanten<BR><BR>Messung der Übertragungsleistung nach der Installation<BR><BR>Im ‚Heavy Duty‘ Bereich zusätzlich: Temperatur Aggressive Medien Mechanische Belastung wie zum Beispiel Vibrationen oder Stöße<BR><BR>Verdrahtung im Außenbereich<BR><BR>Die richtige Wahl und fachgerechte Anbringung der Stecker<BR><BR>Test<BR><BR>Es darf nicht vergessen werden, dass der Test der Installation ein wesentlicher Teil der Implementierung eines Ethernet-Netzwerkes in industriellem Umfeld ist. Datenintegrität, Übertragungssicherheit und Reaktionszeiten seien als Stichworte genannt, die in Planung und Implementierung bestimmt werden, deren Gewährleistung dennoch dem Test der Installation vorbehalten ist. Abb. 2 zeigt ein Beispiel für den Testaufbau zum Prüfen einer Verbindung zwischen einem Aktor und dem Machine Distributor.<BR><BR>Fazit<BR><BR>Bei der Installation von Ethernet-Netzwerken in industriellem Umfeld sind eine Reihe von von den aus der Bürowelt bekannten Standards abweichenden Faktoren zu beachten. Das oben ausgeführte Installationsbeispiel kann nur einen Ausschnitt der Möglichkeiten und Erfordernisse wiedergeben. Weitere Informationen beinhaltet der ‚IAONA Industrial Ethernet Planning and Installation Guide‘, herunterladbar unter www.iaonaeu.com Eingehend behandelte Bereiche sind Kabelverbindungen, Beschriftungen, Dokumentation, Kabelverbindungsmöglichkeiten und Verbindungskanäle, Netzwerkdimensionierung und Messgeräte. Die weitgehende Integration und Weiterführung existierender Standards entspricht der praktischen Anwendung in der Automatisierungstechnik. Dies deckt sich mit den Zielen der IAONA.<BR><BR>Abb. 1:Die Klammern zur Kabelbefestigung müssen mit Gummimanschetten gegen Einschneiden in das Kabelmaterial gesichert werden<BR>Abb. 2:Gebäude-Backbone-Verkabelung einer Industrieanlage<BR>Abb. 3:Gerätetechnische Zusammensetzung des Link-Performance-Test</TD>
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<P><I>Diese Seite wurde am 22.09.2006, 13:56 Uhr aktualisiert</I></P>
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