Industrielles Ethernet für das industrielle IoT in Fabrikumgebungen

Was passiert, wenn normales Ethernet in Fabriken verwendet wird? In Fabrikumgebungen versagt es schnell. Fabriken arbeiten unter extremen Temperaturen von -40°C bis +75°C und sind ständigen Vibrationen und aggressiven Chemikalien ausgesetzt. Wenn industrielle Netzwerke ausfallen, kommt die Produktion zum Stillstand, was zu finanziellen Verlusten führt.

Dieser Artikel zeigt die Unterschiede zwischen industriellem Ethernet und herkömmlichen Büronetzwerken auf. Er erklärt, wie spezielle Komponenten dafür sorgen, dass Maschinen zuverlässig miteinander kommunizieren. Die Diskussion umfasst drei Hauptteile: robuste Netzwerk-Switches, industrietaugliche Kabel und geschützte Patchpanels, die Netzwerke schaffen, die den rauen Bedingungen in der Fabrik standhalten.

Einschränkungen der Performance in industriellen Umgebungen

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) arbeitet unter Bedingungen, die herkömmliche IT-Geräte schnell außer Gefecht setzen. Fabriken erzeugen Staub, der die Kühlsysteme verstopft, während Feuchtigkeit in der Lebensmittelverarbeitung Kurzschlüsse und Korrosion verursacht. Extreme Temperaturen, ständige Vibrationen und elektromagnetische Störungen durch Motoren beeinträchtigen reguläre Netzwerkkomponenten und führen zu Ausfällen und kostspieligen Ausfallzeiten.

Im Gegensatz zu Büronetzen, bei denen gelegentliche Verzögerungen akzeptabel sind, müssen industrielle Netze deterministisch sein, d. h. sie müssen sicherstellen, dass Ereignisse innerhalb eines vorhersehbaren Zeitrahmens eintreten. Standard-Ethernet ist ein probabilistisches (bestmögliches Ergebnis) Protokoll ohne garantierte Lieferzeiten. Industrielle Anwendungen erfordern Kompatibilität und Determinismus, insbesondere für Vorgänge wie die Motorsteuerung, bei denen Verzögerungen im Millisekundenbereich die Geräte beschädigen können.

Aufrechterhaltung von Kompatibilität und Determinismus

Industrielle Protokolle arbeiten auf Schicht 7 des OSI-Modells (Open Systems Interconnection) mit PROFINET-basierten Netzwerken, wie in Abbildung 1 dargestellt. PROFINET kann in PROFINET RT und PROFINET IRT („Isochrone Echtzeit“) unterteilt werden. RT umgeht die normale TCP/IP-Verarbeitung, um die Latenzzeit zu verringern, während IRT die Regeln für die Umschaltung des Ethernet-Verkehrs ändert, um zeitkritischen Datenaustausch zu priorisieren.

Abbildung 1: Das OSI-Modell veranschaulicht, wie Industrieprotokolle auf verschiedenen Netzwerkschichten funktionieren. (Bildquelle: Eaton)

Da PROFINET auf den physikalischen Schichten (1 bis 2) von Standard-Ethernet basiert, können industrielle Netzwerke mit normalen Ethernet-Geräten verbunden werden und bieten gleichzeitig ein exaktes Timing für die Maschinensteuerung, Protokollflexibilität und Netzwerkerweiterbarkeit.

IIoT-Systemkomponenten für die Automatisierung und betriebliche Herausforderungen

Industrielle Ethernet-Switches, -Kabel und -Patchpanels sind wesentliche Komponenten des industriellen Internet der Dinge (IIoT) in der Fabrikautomation. Für jede der drei Komponenten gibt es eine Liste mit gemeinsamen und besonderen Herausforderungen.

Allgemeine Herausforderungen: Alle Komponenten müssen vor elektromagnetischen Störungen durch Fabrikmaschinen geschützt werden. Zu diesem Zweck benötigen Switches und Patchpanels geschirmte Gehäuse, während Kabel „Shielded Twisted-Pair“ (STP) oder „Foiled Twisted-Pair“ (F/UTP) nutzen. Die Switches sind mit robusten Gehäusen für Stoßfestigkeit ausgestattet, die Kabel widerstehen Vibrationen und mechanischer Beanspruchung, und für die Patchpanels werden strapazierfähige Materialien wie kaltgewalzter 14er-Stahl verwendet.

Einzigartige Herausforderungen:

Industrielle Ethernet-Switches

• Müssen bei extremen Temperaturen (-40°C bis +75°C) zuverlässig funktionieren
• Erfordern redundante Gleichstromeingänge und Alarmrelais für instabile industrielle Stromversorgung
• Bedarf an Dienstgüteprotokollen (QoS) zur Priorisierung kritischer industrieller Datenströme

Industrielle Ethernet-Kabel

• Sie sind direkten Umwelteinflüssen ausgesetzt und erfordern IP68-zertifizierte Anschlüsse zum Schutz vor Staub und Flüssigkeiten.
• Verwenden spezielle M12-Steckverbinder mit Verriegelungsgewinde, um ein vibrationsbedingtes Lösen der Verbindung zu verhindern.
• Nutzen rechtwinklige Stecker für die Installation in beengten Räumen rund um Maschinen

Industrielle Patchpanel

• Dienen der Verlegung vieler Kabel auf begrenztem Raum mit hoher Dichte
• Integrierte Zugentlastungsschienen zur Aufrechterhaltung der langfristigen Integrität der Verbindung
• Verwendung von um 90 Grad abgewinkelten Anschlüssen für leichteren Zugang in überfüllten Racks

Eaton bietet eine breite Palette an industriellen Ethernet-Lösungen, einschließlich industrieller Ethernet-Switches, Kabel und Patchpanels, die die oben genannten Herausforderungen in Fabrikumgebungen bewältigen.

Industrielle Ethernet-Switches

Die Switches der NGI-Serie von Eaton verbinden Geräte in industriellen Netzwerken. Es gibt sie in verschiedenen Größen: kleine mit fünf Anschlüssen und große mit 16 Anschlüssen. Kleine Switches übertragen Daten mit bis zu 14 Gbit/s. Die großen Switches können bis zu 32 Gbit/s erreichen. Alle RJ45-Ports können mit drei Geschwindigkeiten arbeiten: 10 Mbit/s, 100 Mbit/s oder 1000 Mbit/s. Abbildung 2 zeigt die Produktbilder der wichtigsten Komponenten der Modelle NGI-U08A und NGI-U05C2POE4.

Abbildung 2: Schlüsselkomponenten der industriellen Ethernet-Switches der NGI-Serie von Eaton. (Bildquelle: device.report)

Der Netzwerk-Switch NGI-U05POE4 verfügt über ein robustes Metallgehäuse, das Vibrationen und Stößen standhält und in einem Temperaturbereich von -10°C bis +60°C betrieben werden kann. Sein Hauptmerkmal sind die vier PoE+-Ports, die jeweils bis zu 30 W Leistung liefern können (mit einem Gesamtbudget von 120 W). Dies adressiert die Herausforderung für die Stromversorgung von Geräten wie Kameras und Sensoren in Bereichen, in denen keine Steckdosen zur Verfügung stehen.

Für größere Herausforderungen ist der Netzwerk-Switch NGI-U08A eine gute Wahl. Er bietet einen erweiterten Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +75°C und ein robustes Gehäuse, das Vibrationen standhält. Die Leistungsredundanzfunktion dieses Modells ist besonders bei instabiler Stromversorgung nützlich. Er verfügt über Ethernet/IP QoSe (EIP QoS), mit dem industrielle Datenströme priorisiert werden können, um eine bessere Performance zu erzielen.

Industrielle Ethernet-Kabel

Eatons industrielle Ethernet-Kabel sind geschirmt (STP oder F/UTP), um Signale vor Störungen zu schützen, die von Motoren und schweren Maschinen erzeugt werden. Die Kabel sind so konstruiert, dass sie Staub, Feuchtigkeit und korrosiven Elementen standhalten, z. B. durch IP68-zertifizierte Steckverbinder und CMX-zertifizierte Außenmäntel.

Um zu verhindern, dass die Verbindungen durch ständige Vibrationen ausfallen, verfügen die Kabel über robuste, runde M12-Steckverbinder mit einem 12mm-Verriegelungsgewinde für eine sichere Befestigung. Viele Kabel unterstützen Power-over-Ethernet (PoE), so dass sie über eine einzige Leitung Strom und Daten an Geräte wie Sensoren und Kameras liefern können, für die keine Steckdosen verfügbar sind.

Das N206-PC23-IND (Abbildung 3) hat die Schutzart IP68, d. h. seine Anschlüsse sind vor Staub geschützt und können bis zu 60 Minuten lang in 1,5 Meter tiefes Wasser getaucht werden. Durch seine CMX-zertifizierte Ummantelung ist es für Außenanwendungen geeignet. Es ist für den Betrieb bei extremen Temperaturen von -20°C bis +80°C ausgelegt.

Abbildung 3: Eatons industrielles Cat5e/Cat6-STP-Ethernet-Kabel mit RJ45-Steckern (Modell N206-PC23-IND). (Bildquelle: Eaton)

Die abgeschirmte Konstruktion des Kabels schützt vor EMI/RFI-Leitungsrauschen von Quellen wie schweren Maschinen, einschließlich Elektromotoren und Schweißgeräten. Das Kabel unterstützt PoE für die Stromversorgung kompatibler Geräte, wie z. B. Sicherheitskameras und VoIP-Telefone.

Die Industriekabel NM12-6A4-01M-BL (Abbildung 4) und NM12-602-02M-BL verfügen über M12-Steckverbinder und sind gemäß IP68 gegen Staub und Wasser geschützt. Die Modelle unterstützen 60 W PoE mit hoher Leistung und verbinden einen M12-X-Code-Stecker mit einem RJ45-Stecker.

Abbildung 4: Eatons NM12-6A4-01M-BL, ein geschirmtes 10G-Cat6a-Industriekabel mit einem rechtwinkligen M12-Steckverbinder und 60 W PoE-Unterstützung. (Bildquelle: Eaton)

Das NM12-6A4-01M-BL hat gegenüber dem NM12-602-02M-BL einen Vorteil: Es bietet eine höhere Netzwerkgeschwindigkeit von 10 Gbit/s und eine Folienabschirmung (F/UTP) zum Schutz vor Störungen bei Highspeed-Anwendungen. Außerdem verfügt es über einen speziellen rechtwinkligen M12-Steckverbinder, wie in Abbildung 4 dargestellt, um die Kabel zu entlasten und den Anschluss in engen Räumen zu erleichtern. Wenn jedoch nur gerade M12-Steckverbinder mit einer größeren Kabellänge (2 Meter) und niedrigeren Netzwerkgeschwindigkeiten (1 Gbit/s) erforderlich sind, dann ist das NM12-602-02M-BL die richtige Wahl.

Industrielle Patchpanel

Industrielle Patchpanel verfügen über vollständig geschirmte RJ45-Anschlüsse, die einen wesentlichen Schutz gegen elektromagnetische Störungen bieten, die in Produktionsumgebungen üblich sind. Dieses abgeschirmte Design verhindert, dass EMI und RFI die Daten beschädigen, wodurch Paketverluste und erneute Übertragungsanforderungen reduziert werden. Zu den platzsparenden Optionen gehören standardmäßige 1HE-Modelle und platzsparende 0,5HE-Varianten, die eine höhere Anschlussdichte bei begrenztem Platzangebot im Rack ermöglichen.

Wie in Abbildung 5 dargestellt, verfügt das Modell N254-024-SH-D über RJ45-Anschlüsse, die in einem 90-Grad-Winkel nach unten zeigen (C), was ein besseres Kabelmanagement in engen Industriebereichen ermöglicht und die Belastung von Kabeln und Steckern reduziert. Die spezielle Erdungsleitung (D) gewährleistet eine ordnungsgemäße elektrische Erdung der Abschirmung und maximiert den EMI/RFI-Schutz in elektrisch verrauschten Industrieumgebungen.

Abbildung 5: Eatons Industrie-Patchpanel (Modell N254-024-SH-D) mit den wichtigsten industriellen Merkmalen. (Bildquelle: Eaton)

Integrationsstrategien zur Optimierung der Zuverlässigkeit industrieller Netze

Bei der Integration von industriellen Ethernet-Komponenten müssen die Spezifikationen an die Umweltbedingungen angepasst werden. In Betrieben zur Lebensmittelverarbeitung ist ein höherer Feuchtigkeitsschutz erforderlich als in staubigen Lagerhallen, während Bereiche mit Schweißgeräten eine bessere Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) erfordern.

Planen Sie Wachstum ein, indem Sie Komponenten mit Erweiterungsmöglichkeiten auswählen, z. B. Gehäuse mit zusätzlicher Kapazität, Kabel mit höherer Bandbreite und Switches mit Reserveports. Gewährleisten Sie Interoperabilität durch Aufrechterhaltung einheitlicher Leistungsspezifikationen für die gesamte Infrastruktur. Wenn die Switches 10 Gbit/s unterstützen, sollten Sie eine Verkabelung verwenden, die die gleiche Bandbreite unterstützt.

Berücksichtigen Sie bei der Entwicklung zeitkritischer Anwendungen sowohl Latenz als auch Jitter. Mit wandmontierten Gehäusen für begrenzte Stellflächen können Sie räumliche Einschränkungen ausgleichen und die Länge der Kabel verlängern, um optimale Gerätepositionen zu erreichen.

Fazit

Industrielle Netzwerke funktionieren zuverlässig, wo Standardgeräte versagen. Sie reduzieren Ausfallzeiten und senken die Wartungskosten. Außerdem liefern sie konsistente Daten für Analysen. Wenn Hersteller Standard-Ethernet mit Industrieprotokollen kombinieren, ergeben sich enorme Vorteile. Diese Kombination bietet universelle Anschlussmöglichkeiten und eine präzise Zeitsteuerung. Digitale Zwillinge und vorausschauende Wartung benötigen diese Zeitsteuerung.

Bei der Einführung des IoT in Fabriken macht eine robuste Infrastruktur den Unterschied. Unternehmen, die in ein geeignetes industrielles Ethernet investieren, haben sofortige betriebliche Vorteile. Diese Investition bereitet die Unternehmen auch auf die Fortschritte in der Industrie 4.0 vor. Diese Fortschritte erfordern eine zuverlässige Vernetzung der Produktionsanlagen.