Verbindungslösungen: Datenübertragung im Industrial IoT

Digitalisierung und die Vernetzung cyberphysischer Systeme (CPS) ist gegenwärtig einer der dominierenden Trends in der Automatisierungstechnik. Das Ziel ist eine flexible und hochgradig individualisierbare Produktion, die industrieübergreifend einen bisher ungekannten Grad an Variantenvielfalt und Produktivität erreichen soll. Auf der physikalischen Ebene nehmen robuste und hochperformante Verbindungslösungen dabei eine Schlüsselrolle ein. Ihre Aufgabe beschränkt sich heute nicht mehr auf die Übertragung von Stromsignalen zwischen Baugruppen oder Geräten: Immer häufiger ist der Datentransfer mit hoher Bandbreite gefordert; oft auch die Leistungsversorgung der angeschlossenen Komponenten. Neben sicherer und zuverlässiger Funktion richten Anwender ihren Fokus zunehmend auf Leistungsmerkmale wie Echtzeitfähigkeit und Signalintegrität.

Basiskomponenten der dezentralisierten Automation

Die digitale Transformation, wie sie die Automatisierungstechnik im Zuge der Industrie 4.0 vollzieht, hat bereits heute massive Auswirkungen auf den Bedarf an industrietauglicher Verbindungstechnik. Zudem definiert sie die künftigen, erweiterten Anforderungen an sämtliche Automatisierungskomponenten. Eines der zentralen Merkmale dieser Transformation ist das Zusammenfließen von physikalischer und IT-Welt in Form der bereits genannten CPS. Sie sind Ausdruck eines neuartigen Konzepts der Fabrikautomation, die sich von streng hierarchischen hin zu dezentralen, modularen und sich selbst organisierenden Architekturen entwickelt.

Der traditionelle Verbund automatisierter Anlagen weicht somit immer mehr einem hochflexiblen Zusammenwirken von Modulen: Industrial-IoT-Geräten wie vernetzten Sensoren, Aktoren, Steuerungen, Embedded-Computern sowie Software. All diese CPS möglichst variabel, jederzeit konfigurierbar und dennoch effizient in die Fertigungsprozesse einzubinden gehört zu den neuen Herausforderungen der Automation. Für den Anwender ist es dabei unabdingbar, hinsichtlich Zeitaufwand, Kosten und Platzbedarf vorteilhafte Lösungen zu finden.

Rasant wachsende Zahl von Schnittstellen

Aus Sicht der Verbindungstechnik hat dieses dezentrale Konzept eine rasant wachsende Zahl von Schnittstellen zur Folge, die es mit leistungsfähigen und zuverlässigen Produkten zu bedienen gilt. Rundsteckverbinder der Baugrößen M8, M12 und M16 bewähren sich hier als Industrie-4.0-Basiskomponenten (Bild 1). Sie sind für diese Einsatzbedingungen, vor allem auch unter den genannten wirtschaftlichen Aspekten, optimiert. Als Kabelkonfektion oder frei konfektionierbar, mit bewährten Anschluss- und Verriegelungstechniken ausgestattet sowie für industrierelevante Schutzarten ausgelegt, gewährleisten sie die Signal- und Datenanbindung sowie bei Bedarf die Leistungsversorgung der Komponenten unter den Anforderungen der Industrie 4.0.

Für Fertigungs- und Prozessbedingungen ausgelegt

Industrieumgebungen wie Fertigungs- oder Prozessanlagen definieren im Kontext der Industrie 4.0 die Forderungen an die Robustheit der Verbindungstechnik. Schutz gegen Staub, Feuchtigkeit und Berührung, etwa nach IP67 bis IP69K, ist ein grundlegendes Kriterium; ebenso die Beständigkeit gegen Erschütterungen und Vibrationen. Weiterhin zählt der Schutz vor Strahlung oder den elektromagnetischen Einflüssen eines Shopfloors; hinzu kommen die Spezifikationen hinsichtlich industrieller Betriebstemperaturen sowie Überspannungen und -ströme. Konstruktionsbedingt können Rundsteckverbinder unter diesen Einsatzkriterien punkten. Schutzart und mechanische Sicherheit der Verbindung werden durch die bewährte Schraubverriegelung unterstützt (Bild 2).

Im Hinblick auf elektromagnetische Beeinflussung sind Rundsteckverbinder mit Metallgehäuse vorteilhaft. Um eine 360°-Schirmung zu erreichen, ist es erforderlich, dass die Kabelschirmung hinreichend mit dem leitenden Gehäuse des Steckverbinders gekoppelt ist. Im gesteckten Zustand sind Stecker und Buchse sicher galvanisch verbunden, und die dauerhafte Kopplung des Einbaubuchsen-Gehäuses, etwa zu einer leitfähigen Schalttafel, lässt sich für den Anwender einfach umsetzen.

Als Folge der beschriebenen Variabilität und Modularisierung industrieller Prozesse wächst die Zahl an Steckzyklen, die eine robuste Verbindungslösung überdauern muss. Die mechanische Belastbarkeit der Kontakte ist in erster Linie eine Frage der Werkstofftechnik. Das Kontaktmaterial sowie die Zusammensetzung und Dicke der Kontaktbeschichtung sind hier entscheidend. Für 100 und mehr Steckzyklen empfehlen sich etwa dick vergoldete Kontakte aus geeigneten Materialien wie Berylliumkupfer, wie das Produktbeispiel in Bild 3 verdeutlicht.

Ethernet, Datenanalyse und Miniaturisierung

Ein Grundpfeiler der Industrie 4.0 ist die Ethernet-Konnektivität mit hoher Bandbreite, die künftig die Feldebene der Automatisierung mit der Dateninfrastruktur der Unternehmen und einer – gegebenenfalls externen – Cloud verbinden wird. Sie schafft eine Durchgängigkeit der Kommunikationsprotokolle über die Ebenen der klassischen Automatisierungspyramide hinweg und ermöglicht beispielsweise die Echtzeiterfassung und -analyse von Daten aus Feldgeräten wie Sensoren, aber auch Stromversorgungen. Lassen sich beispielsweise Netzteildaten wie Lastprofile, Temperaturentwicklung oder Qualität der Netzspannung in Echtzeit auswerten, können Anlagenbetreiber diese Analysen nutzen, um Prozessparameter zu optimieren, Überlastsituationen zu vermeiden oder Wartungsbedarf frühzeitig zu erkennen. Damit ist eine wichtige Voraussetzung geschaffen, um Stillstandzeiten in Maschinen und Anlagen zu reduzieren und Betriebskosten zu senken.

Anwendungen wie diese treiben die Miniaturisierung der Verbindungskomponenten voran. Der Rundsteckverbinder-Formfaktor M8, der in der Vergangenheit allein der Signalübertragung vorbehalten war, hat sich daher zu einer Lösung für die Datenkommunikation unter besonders platzkritischen Bedingungen entwickelt. M8-Verbinder mit D-Kodierung versetzen Anwender in die Lage, Feldgeräte mit Datenraten bis 100 Mbit/s in Ethernet-Netzwerke zu integrieren. Darüber hinaus ermöglichen sie dank PoE- beziehungsweise PoE-plus-Funktionalität (Power-over-Ethernet) die Leistungsversorgung der angeschlossenen Geräte. Im Hinblick auf ihre Einsatzumgebung in der Fabrik- oder Prozessautomation sind auch diese Produkte mit sicherer Verschlusstechnik ausgestattet und den industrierelevanten Schutzarten entsprechend ausgelegt (Bild 4).

Zukunftspotenzial: SPE und Ethernet APL

Leichte, dünne Kabel, hohe Bandbreite, flexible Installation mit reduziertem Aufwand: Mit Single-Pair Ethernet (SPE) ist eine Technologie präsent, die Anwendern die durchgängige TCP/IP-Datenkommunikation vom Field-Level-Sensor bis in die Cloud verspricht. Denn anders als Feldbusse durchdringt das Ethernet sämtliche Ebenen der Automation. Über nur eine Doppelader – im Gegensatz zu bisher zwei oder vier je nach benötigter Bandbreite – lassen sich Feldgeräte per SPE mit Datenraten bis 1 Gbit/s applikationsübergreifend anbinden. Dank PoDL-Kompatibilität (Power over Data Line) kann über dieselbe Doppelader die Stromversorgung der betreffenden Feldkomponenten erfolgen. Sensoren, Aktoren und andere Instrumente können ohne Schnittstellen und Protokollumsetzer in bestehende Ethernet-Installationen integriert werden – in der Fabrik- ebenso wie in der Prozess- und Gebäudeautomation.

Auf dem Gebiet der Prozessautomatisierung sieht sich die Ethernet-Verkabelung mit einem erweiterten Anforderungsprofil konfrontiert: Neben hohen Datenraten und den Robustheitskriterien einer Fabrikhalle zählt die Reichweite der Kommunikation; außerdem müssen Geräte die Eigenschaft der Eigensicherheit aufweisen, die sie für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen befähigt. Das Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet APL) definiert eine sogenannte physikalische Übertragungsschicht zur Ethernet-Kommunikation mit 10 Mbit/s und Leistungsversorgung über eine Doppelader bei Reichweiten von bis zu 1000 m. Als besondere Ausprägung von SPE ist Ethernet APL ebenso für die durchgängige und applikationsübergreifende Feldinstrumentierung geeignet.

Die Durchgängigkeit der Kommunikationsprotokolle von der Betriebsebene ins Feld versetzt Anwender in die Lage, neben den Prozess- auch auf Gerätedaten – etwa aus der Selbstdiagnose, wie oben dargestellt, von intelligenten Stromversorgungen – in Echtzeit zuzugreifen. Fertigungsplanung, Prozessteuerung und Datenanalysen in Echtzeit kommen damit in greifbare Nähe. Technologieexperten von Binder verfolgen Trends wie diese sehr aufmerksam: zum einen, um ihre Erkenntnisse unter dem Aspekt des Kundennutzens in neue Produktgenerationen einfließen zu lassen; zum anderen, um Binder-Kunden in deren Projekten als kompetente Berater zur Seite zu stehen.

Das Unternehmen bietet im Segment industrietaugliche Verbindungslösungen sieben Rundsteckverbinder-Produktserien in den Bauformen M8, M12 und M16 an, die vom Kunden je nach Aufgabenfeld konfiguriert werden können. (neu)