Sicherheit, Leistung und Zuverlässigkeit in physischen Industrienetzwerken

Einer der Vorteile von Ethernet besteht darin, dass es wirklich standardisiert ist und Verbindungen einfach macht. Gleichzeitig kann eine schlechte Komponentenauswahl eine Gefahr und ein Risiko für die Sicherheit, Leistung und/oder Zuverlässigkeit in industriellen Umgebungen darstellen. Für die Ethernet-Verkabelung wie auch für andere Drähte, Kabel und Steckverbinder, die in Schalttafeln, Maschinen und Anlagen eingesetzt werden, müssen Pläne für dynamische Umgebungsbedingungen erstellt werden. In dieser Diskussion werden häufige und allgegenwärtige Umgebungsfaktoren wie EMI-Störungen (elektromagnetische Störungen), Strategien und Produktlösungen zur Minderung und Beseitigung von Störungen als Bedrohung für die Leistung von Ethernet-Geräten untersucht.

Beste Praktiken der EMI-Verwaltung innerhalb des Kontrollgremiums

Die Kapselung eines Bedienfeldes für eine Maschine stellt eine EMI-Barriere dar, die die internen Schaltkreise vor äußeren Geräuschquellen schützt. Panduit Industrial Ethernet Cordsets sind aus industrietauglichen, verseilten, paarweise verdrillten Kabeln der Kategorie 5e und 6A für UTP- und STP-Installationen aufgebaut. Zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit besitzt jeder Kabelsatz eine UL- und NEMA-Bewertung sowie IP-Schutz gegen leichtes Strahlwasser und temporäres Tauchen ohne den Verlust der Performance. EMI wird jedoch auch durch die internen Schaltkreise erzeugt. Die Geräte in den Gehäusen können aufgrund ihrer Empfindlichkeit und ihrer Nähe zu diesen internen EMI-erzeugenden Quellen stärker gefährdet sein. Die Steuerungen industrieller Prozesse befinden sich in den Gehäusen, daher ist ein zusätzlicher Schutz erforderlich, obwohl die Geräte bereits gegen äußere EMI geschützt sind (Abbildung 1).

Abbildung 1: EMI-Störrisiko innerhalb eines Gehäuses für industrielle Automatisierungssysteme. (Bildquelle: Panduit)

Aufgrund der Nähe empfindlicher Bauelemente zu Rauschquellen sind die führenden Modi der EMI innerhalb eines Gehäuses kapazitive und induktive Kopplung. Das Verständnis beider Quellen hilft zu untersuchen, wie bewährte Verfahren und die Spezifizierung von Produkten zur Verminderung von Rauschen die Zuverlässigkeit der Geräte verbessern. 

Beide Kopplungsarten sind unbeabsichtigt und treten auf, wenn der durch einen Draht fließende Strom an einem parallelen Draht eine Spannung induziert, die in seinem Magnetfeld liegt. Die kapazitive Kopplung ist eher ein Problem bei Hochfrequenzschaltungen, während die induktive Kopplung eher bei Hochstromschaltungen ein Problem darstellt. Die Größe des erzeugten Rauschens kann mit einem Oszilloskop gemessen werden, an dem ein Opferdraht befestigt ist (Abbildung 2). Zur Aufrechterhaltung des Betriebs kritischer Kommunikations- und Kontrollinfrastrukturen wird ein mehrschichtiger Ansatz zur Eindämmung des EMI empfohlen. Zu diesen Schutzschichten gehören Erdungs- und Verbindungsmethoden, Drahttrennung und -trennung, Verwendung von Barrieren, Kabelabschirmung und Verwendung von Filtern. Panduit PanelMax™ Abgeschirmter Verdrahtungskanal und Rauschabschirmung führen, trennen und schirmen empfindliche Verdrahtung vor Störaussendung ab. Dadurch können Wege in größerer Nähe platziert werden, was wertvollen Platz in industriellen Schalttafeln spart. Die Abschirmung bietet eine Rauschunterdrückung von bis zu 20 dB (EMI/RFI) bzw. eine 90%ige Rauschspannungsreduzierung (NVR), was einem Luftabstand von 6 Zoll zwischen empfindlicher und rauschemittierender Verkabelung entspricht.

Abbildung 2: EMI-Typen, Quellen und Minderungspraktiken. (Bildquelle: Panduit)

Die Art der Abschirmung, die in dem ausgewählten Kabel verwendet wird, korreliert mit den Rauschquellen und der Art des in der Umgebung zu erwartenden Rauschens.

Die Auswahl der richtigen Infrastruktur für die Netzwerkkommunikation in einer industriellen Umgebung ist wichtig. Eine häufig gestellte Frage ist, "wann und wie geschirmte Verkabelung verwendet wird". Geschirmte Verkabelung wird oft in industriellen Umgebungen verwendet, um unerwünschte Störungen, die ihren Weg in die Ethernet-Netzwerkverkabelung finden, abzuschwächen. Ungeschirmtes Kabel bietet aufgrund des symmetrischen Twisted-Pair-Designs einen gewissen Schutz vor Interferenzen, bietet jedoch nicht den gleichen Schutz wie ein geschirmtes Kabel. Dieses 'elektrische Gleichgewicht' ermöglicht es dem Kabel, die Auswirkungen von EMI zu minimieren, je besser das Gleichgewicht, desto mehr Schutz. In industriellen Bereichen, in denen Störungen im Überfluss vorhanden sind, bietet die Verwendung von abgeschirmten Kabeln eine zusätzliche Schutzschicht.

Was ist elektrisches Rauschen?

Die Hauptanwendung für abgeschirmte Kabel sind Umgebungen, die in der Nähe von Kommunikationsverkabelungen elektrische Rauschquellen enthalten. Die Umgebung, in der das Kabel installiert wird, bestimmt meist, ob geschirmtes oder ungeschirmtes Kabel verwendet wird. In der Norm ANSI/TIA-1005-A ist das MICE-Bewertungssystem (Mechanisch/Ingress/Klimatisch-Chemisch/Elektromagnetisch) ausführlich beschrieben. Das Panduit M.I.C.E guide ist ein effektives Werkzeug, das hilfreiche Richtlinien für die Quantifizierung des Ausmaßes von Umweltbelastungen wie elektrischem Rauschen pro Klassifizierung bietet.

Gründe für die Verwendung abgeschirmter Kabel:

• Mandatiert durch Unternehmensspezifikation oder lokale Anforderungen - Hersteller und Systemintegratoren innerhalb bestimmter Branchen haben ausgiebig in schwierigen Umgebungen für die Installation von Netzwerkverkabelung gearbeitet. Dieses Wissen der Stämme über die bekannten "elektrisch lauten" Umgebungen lässt sich am besten durch die Dokumentation innerhalb von Firmenspezifikationen und -standards erfassen. Es ist üblich, dass diese Unternehmen Anforderungen und Richtlinien für Entwürfe und technische Unterlagen (Best Practices) für die Verwendung von abgeschirmten Kabeln für bestimmte Anwendungen einbeziehen.

  Zur ordnungsgemäßen Auslegung der Verkabelungsinfrastruktur gehört es, elektrisch verrauschte Bereiche so weit wie möglich zu vermeiden und Best-Practice-Methoden anzuwenden, wie z.B. das Kreuzen von Wechselstromleitungen in einem Winkel von 90 Grad und die ordnungsgemäße Erdung der Abschirmungen auf dem abgeschirmten Kabel.

• Infrastruktur befindet sich in der Nähe der Umgebung des Werksgeländes und die Datenübertragung ist kritisch - Häufig gibt es Datenübertragungsleitungen in der Nähe der Umgebung des Werksgeländes, die einem gewissen Grad an Umweltbelastung ausgesetzt sind. Kabel der Unternehmensklasse sind in der Regel nicht so robust wie Kabel, die für industrielle Anwendungen ausgelegt sind. Die Exposition gegenüber verschiedenen Arten von Chemikalien, das Eindringen von Flüssigkeiten, elektrisches Rauschen und Biegeanwendungen lassen sich am besten durch die Verwendung von Industriekabeln lösen. Die Spezifizierung des richtigen Kabels in der Entwurfsphase wird die Langlebigkeit und Leistung des gesamten Systems verbessern.
• Anwendungen für Bewegungssteuerung und Hochgeschwindigkeits-Automatisierung - Aufgrund der inhärent verrauschten Umgebung von Bewegungssteuerungs- und Hochgeschwindigkeits-Automatisierungssystemen verlangen oder empfehlen viele Anbieter von Bewegungssteuerungssystemen abgeschirmte Kabel. Diese Systeme sind zeitkritisch und hängen von jedem einzelnen Informationspaket ab. Selbst wenn der Unterschied nur eine Frage von Millisekunden ist, kann eine Hochgeschwindigkeitsmaschine offline gehen oder Schäden an der Anlage verursachen. In extremen Fällen von elektrischem Bewegungsrauschen wird eine Steuerfaseroptik empfohlen.
• MICE (Mechanisch/Ingress/Klimatisch-Chemisch/Elektromagnetisch) Niveau von E₂ oder E₃

Abbildung 3: E₂ oder E₃ MICE-Pegel spiegeln starke Störpegel wider. Das MICE-Bewertungssystem ist ein effektives Werkzeug aus der TIA-1005-Norm, das hilfreiche Richtlinien zur Quantifizierung des Ausmaßes von Umweltbelastungen wie elektrischem Rauschen pro Klassifizierung bietet. Weitere Informationen zu MICE finden Sie im Standard oder im Panduit MICE-Leitfaden auf der Panduit MICE-Website. (Bildquelle: Panduit)

Elektrisches Rauschen in Form von EMI und Radiofrequenz-Interferenz (RFI) sind in industriellen Umgebungen weit verbreitet. Diese Formen des elektrischen Rauschens können die Übertragung von Ethernet-Netzwerkkabeln stören. Zu den Quellen elektromagnetischer Interferenzen gehören unter anderem: Elektromotoren, Antriebe mit variabler Frequenz, Schütze/Relais, Schweißen, Fluoreszenzbeleuchtung und Funkkommunikation. Diese Geräte werden in industriellen Umgebungen eingesetzt und beeinflussen die Netzwerkverkabelung häufig durch induktive, magnetische oder kapazitive Kopplung. Elektrisches Rauschen kann auch über gemeinsame Knotenmassen übertragen werden. Für die Entwicklung einer gut durchdachten physischen Infrastruktur ist jedoch kein umfassendes Wissen über diese Prinzipien erforderlich. Eine physische Trennung mit Luftraum- und/oder Isolationsbarrieren ist wirksam, aber an bestimmten Punkten ist die Ethernet-Netzwerkverkabelung immer noch der Gefahr durch Rauschen ausgesetzt. Die Bestimmung der Quelle des Rauschens in einem Kontrollsystem kann schwierig sein und erfordert einen erheblichen Aufwand an Prüfgeräten und Zeit. Daher spart die Befolgung bewährter Verfahren bei der Gestaltung der physischen Infrastruktur wertvolle Zeit und Ressourcen und garantiert gleichzeitig eine bessere Leistung. Masse- und Verbindungssysteme sind integrale Bestandteile der Ethernet-Kommunikationsinfrastruktur, aber es ist keine absolute Wissenschaft. Jede Anwendung hat ihre eigenen, einzigartigen Umgebungslärm- und Erdungssituationen, deren Verständnis bewährte Verfahren und Erfahrung erfordert. Unsachgemäße Erdung und Kontaktierung kann Rauschen leiten, das die Übertragung der Ethernet-Pakete stört.

Weitere Informationen zu abgeschirmten Anwendungen finden Sie im Anwendungsleitfaden für industrielle Umgebungen von Panduit oder laden Sie das Whitepaper Noise Mitigation for Control Panels herunter. Weitere Informationen zu den MICE-Richtlinien finden Sie auf der Panduit MICE Landing Page.