Industrial Ethernet – Schulung

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  • Ethernet wurde ursprünglich in den 1970er Jahren im PARC (Xerox Palo Alto Research Center) entwickelt und ist zu dem am weitesten verbreiteten Netzwerksystem geworden. In den Jahrzehnten seit seiner Einführung haben es weitgreifende Änderungen und Erweiterungen dem Standards Ethernet ermöglicht, eine Vielzahl von Anwendungen aufzunehmen, die die ursprünglichen Entwickler nie erträumt hätten.

    Eine dieser Anwendungen ist Industrial Ethernet. Anbieter und Normen-Organisationen haben die zugrundeliegende physische Schicht von Ethernet übernommen, um eine Vielzahl von Technologien zu schaffen, so z. B. PROFINET, Ethernet/IP (Industrial Protocol), EtherCAT und Modbus-TCP, die für industrielle Automatisierung optimiert sind.

    Industrial Ethernet – Schulung

    Abbildung 1. Bildschirm des DSX CableAnalyzer™ mit Anzeige von Test-Grenzwerten für unterschiedliche durchgängige Kabelkonfigurationen einschließlich E1-, E2- und E3-Grenzwerte.

    Verkabelungsstandards- und -verbinder

    Alle Industrial Ethernet-Anwendungen sind auf verdrilltes Kupfer- oder Glasfaserkabel ausgelegt, ähnlich dem im „normalen“ Ethernet verwendeten, mit einigen Änderungen in der Werksumgebung. ISO und TIA haben einen Satz Spezifikationen entwickelt, die potentielle Umgebungsbedingungen innerhalb industriellen Standorten definieren. Diese Spezifikationen sind die Mechanik-, Eindringungs-, Klima-/Chemie-, Elektromagnetik-Spezifikationen (MICE). Die MICE-Stufen beschreiben verschiedene Grade von Umgebungsbedingungen. So ist z. B. MICE 1 eine typische Büroumgebung, MICE 2 beschreibt eine etwas rauere Umgebung und MiCE 3 definiert die Schwerindustrie.

    Zur Erfüllung dieser Anforderungen haben Anbieter spezielle Kabel und Verbinder entwickelt. Das bezieht Kabel ein, die funktionsfähig bleiben, auch wenn sie gequetscht, erhitzt, eingetaucht oder ätzenden Chemikalien ausgesetzt werden. In den meisten Fällen betrifft dies die Anforderungen für den äußeren Kabelmantel, während die elektrischen Eigenschaften gleich bleiben, sei es für MICE 1 oder MICE 3. Jedoch findet sich ein bemerkenswerter Unterschied in den elektromagnetischen Anforderungen, wo spezifische Anforderungen für TCL (Transverse Conversion Loss) für E1, E2 und E3 vorgegeben werden. Diese Spezifikation misst die Fähigkeit des Kabels, Störungen von elektrischen Signalen zu widerstehen, die von außen einwirken, wie z. B. Signale, wie sie von Schweißgeräten, regelbaren Antrieben und Hochspannung erzeugt werden.

    Steckverbinder erhalten besondere Aufmerksamkeit, da sie ein Eindringungspunkt sein können. Ein Ansatz ist, den 8-poligen modularen Standard-Stecker (RJ-45) in einem versiegelten, anschraubbaren Gehäuse zu unterbringen. Dieser Stecker hat den Vorteil, dass er mit den meisten „regulären“ Ethernet-Geräten und Kabeln kompatibel ist. Der „M12“-Stecker wurde für strengere Schock- und Vibrations-Anwendungen entwickelt und enthält einen kleinen, runden Steckverbinder mit Feststellschraube, der zwei Paare (M12-D) oder vier Paare (M12-X) aufnehmen kann. Eine allgemeine Konfiguration für industrielle Kabel enthält einen modularen 8-poligen Stecker an einem Ende des Kabels, der mit einem M12-Stecker am anderen Ende verbunden ist.

    Verkabelungsprobleme

    Abbildung 2. DSX CableAnalyzer-Bildschirm mit PASS-Ergebnissen für ein TIA 1005 Cat 6A-Link mit E2-Grenzwerten.

    Über die Hälfte der Probleme mit Industrial Ethernet lässt sich auf die Kabel zurückführen. Manche dieser Probleme zeigen sich sofort beim Inbetriebnahme-Prozess, andere lassen die Verbindung ordnungsgemäß arbeiten, bis etwas wie z. B. Änderungen der Umgebungsbedingungen, zu einem Kommunikationsausfall führen. Ethernet ist eine robuste Technologie, mittels der Kommunikationen selbst unter Grenzbedingungen fortgesetzt werden können, aber eine Änderung in diesen Umständen kann zu Kommunikationsproblemen oder zu einem späteren Zeitpunkt zu einem vollständigen Ausfall führen. Hier sind die gewöhnlichsten Probleme, die mit Kabeln auftreten:

    Konnektivität – Die grundlegendste Anforderung für Kabel ist, dass die Pole an einem Ende mit den korrekten Polen am anderen Ende verbunden werden. Jeder Fehler oder jede Unterbrechung in der Verdrahtung führt zu einem harten Kommunikationsausfall. Ein weniger verstandenes Verdrahtungsproblem wird „Vertauschte Verdrillung“ genannt, wo die Stifte mit den entsprechenden Stiften am anderen Ende verbunden werden, aber die Kabelpaarung falsch ist. Das kann zu zeitweiligen oder dauerhaften Ausfällen führen.

    Länge – Im Allgemeinen sind Ethernet-Kabel auf eine Länge von 100 m beschränkt. Zu lange Kabel können auf zweierlei Art Probleme verursachen. Erstens werden Signale auf dem Weg durch das Kabel schwächer. Bei einem zu langen Kabel kann das Signal zu schwach werden und nicht mehr korrekt am entfernten Ende empfangen werden. Zweitens erwartet Ethernet Antworten innerhalb eines bestimmten Zeitraums. Die Verzögerung, die ein zu langes Kabel verursacht, kann diese Zeitmessung stören. Beide dieser Fehler können zu harten Ausfällen oder zeitweilig auftretenden Problemen führen. Da die Dämpfung in einem Kabel mit steigender Temperatur höher wird, kann zum Beispiel ein zu langes Kabel bei niedrigen Temperaturen zufriedenstellend übertragen, jedoch bei höheren Temperaturen ausfallen.

    Nebensprechen– Nebensprechen ist ein Maß der elektromagnetischen Störung zwischen Paaren innerhalb eines Kabels. Zum Beispiel könnte ein auf dem „Senden“-Paar übertragenes Signal ein Störsignal auf dem Empfangspaar generieren. Der Sender könnte diese Störung als eingehendes Signal interpretieren und das Senden unterbrechen. Auch dies kann zu harten oder zeitweiligen Ausfällen führen. Bei zunehmenden Signalfrequenzen nimmt auch das Nebensprechen zu, was dies zum Hauptfaktor der maximalen Leistung eines Netzwerkkabels macht.

    Abbildung 3. DSX CableAnalyzer mit Anzeige eines fehlgeschlagenen E3-Tests. Beachten Sie den TCL-Fehler.

    Schirm-Integrität – Viele Industrial Ethernet-Kabel enthalten eine Abschirmung, gewöhnlich eine Metallfolie, die jedes Paar innerhalb des äußeren Kabelmantels umhüllt. Der Zweck dieser Abschirmung ist, die Auswirkungen von EMI zu verringern, die von Hochspannungs- oder Hochstromgeräten in der Nähe des Kabels stammen können. EMI kann zu Übertragungsfehlern auf dem Kabel führen, was zu Verlangsamung oder sogar Totalausfällen führen kann. Dies kann ein sehr schwierig aufspürbares Problem sein, da es nur auftreten kann, wenn die Störung stark genug ist, dass es die Signalsymmetrie überwindet, wie z. B. wenn in der Nähe ein Motor gestartet oder ein Schweißgerät verwendet wird. Wenn die Abschirmung effektiv arbeiten soll, muss das Kabel unbedingt entlang der gesamten Länge abgeschirmt sein, selbst eine einzige Unterbrechung in der Kontinuität der Abschirmung kann die Kabelleistung beeinträchtigen. Daher müssen Überprüfungen der Abschirmung sicherstellen können, dass der gesamte Pfad des Kabels geschirmt ist. Die Messung dieser Bedingung ist besonders schwierig, da die Abschirmung gewöhnlich geerdet ist. Einfache CD-Messungen können daher nicht bestimmen, ob die Abschirmung durchgängig ist, wenn sie an beiden Enden geerdet ist.

    TCL (Transverse Conversion Loss)Dies ist ein Maß der „Symmetrie“ des Kabels, seiner Fähigkeit, gleiche Signale auf beiden Drähten eines Paares zu übertragen. Verdrillte Kabel erzielen ein hohes Maß an Rauschimmunität, indem sie sich auf den Unterschied zwischen gleichen, aber entgegengesetzten Signalen innerhalb eines Paares verlassen. Wenn die Verkabelung dazu führt, dass die Signale ungleich sind, kann externes Rauschen die Signale stören und sie so weit verzerren, dass sie für das Empfangsgerät unkenntlich werden. Wie oben angemerkt können EMI-Probleme schwer isolierbar und lösbar sein. Zum Angehen dieses Problems haben Normengremien TCL-Anforderungen für Kabel für MICE E1-, E2-, and E3-Umgebungen entwickelt.

    Es muss dabei bedacht werden, dass die Verwendung von Kabeln und Verbindern, die vom Hersteller für die Erfüllung der oben genannten Anforderungen zertifiziert sind, zwar wichtig für einen fehlerfreien Betrieb, aber dennoch keine Garantie sind. Manchmal können selbst die besten Anbieter ein Produkt erzeugen, das die Spezifikationen nicht erfüllt. Noch häufiger kommt es vor, dass unsachgemäße Installation eine Gruppe von Spitzen-Komponenten in ein mangelhaft arbeitendes Link verwandelt.

    Kabeltesten bedeutet mehr Laufzeit

    Abbildung 4. Der DSX CableAnalyzer kann eine breite Auswahl von Kabelfehlern finden und sie auf eine Art anzeigen, die von Technikern jeder Erfahrungsstufe verstanden werden können.

    Organisationen, die die entsprechenden Kabeltest-Tools und ein grundlegendes Verständnis ihrer Anwendung haben, können ihre Laufzeiten mit ihnen auf dreierlei Weise verlängern:

    Schnellere Inbetriebnahme – Das Messen der oben angeführten Parameter vor dem Anschließen eines Kabels ist die einzige Methode sicherzustellen, dass alle erforderten Spezifikationen erfüllt werden und daher ordnungsgemäß arbeiten werden.

    Verhüten ungeplanter Ausfallzeiten – Allein der Grund, dass ein Kabel beim Start den Test bestehen kann, ist keine Garantie, dass es unter allen Umständen zuverlässig arbeitet. Änderungen in der Umgebung nach der Installation können Ausfälle verursachen. Wenn das Kabel gegen die oben angeführten Parameter getestet wird und besteht, können die Chancen für spätere Kabelausfälle basierend auf diesen Faktoren eliminiert werden.

    Schnellere Problemlösung – Selbst ein getestetes Kabel kann aufgrund von Missbrauch wie versehentliches Schneiden, Auseinanderziehen oder Schmelzen ausfallen. Bei einem Netzwerkausfall kann die Fähigkeit, ein Kabelproblem schnell zu diagnostizieren, bedeutende Zeit sparen. Statt Stunden damit zu verbringen, ein verdächtiges Kabel zu ersetzen, kann mit Tests in wenigen Sekunden überprüft werden, ob es OK ist, damit die Fehlersuche anderweitig konzentriert werden kann. Und wenn das Kabel fehlerhaft ist, kann die Diagnostik im Tester das Problem herausfinden. Zum Beispiel bedeutet das Wissen, dass der Fehler sich am Verbinder am entfernten Ende befindet, dass man ein paar Minuten damit verbringen wird, einen fehlerhaften Stecker auszutauschen, statt Stunden am Verlegen eines völlig neuen Kabels zu arbeiten.

    Zusammengefasst lässt sich sagen, dass das Testen von installierten Kabeln den Hochfahrprozess beschleunigen und Probleme in der Zukunft vermeiden kann. Wenn man einen Kabeltester für den Fall eines Ausfalls bereit hält, kann man sich Stunden mit der Fehlersuche und Standzeiten sparen.

    Kabeltest-Tools für Industrial Ethernet

    Kabeltest-Tools lassen sich in zwei Kategorien aufteilen: Vorimplementierungs-Tester und Fehlersuchgeräte.

    Vorimplementierungs- (Zertifizierungs-) TesterMit diesen Tools lassen sich all die oben genannten Kabelparameter testen, einschließlich Nebensprechen, Schirmintegrität und TCL. Die DSX CableAnalyzer Serie hat die einzigen Kabeltester, die all diese Parameter einschließlich der Schirmintegrität entlang dem Weg eines Kabels messen kann. Der Tester generiert ein PASS- oder FAIL-Ergebnis und kann einen Bericht zu Dokumentationszwecken erstellen. Testen mit einem Zertifizierungs-Tool vor der Inbetriebnahme ist die einzige Methode sicherzustellen, ob das Kabel alle erforderten, oben genannten Spezifikationen erfüllt, und ist die beste Methode zum Verhüten von Kabelproblemen. Diese Tools können auch für die Fehlersuche verwendet werden und können nicht nur Kabelunterbrechungen orten sondern auch schwierigere Probleme wie Wasser im Kabel oder einen Steckverbinder, der die Spezifikationen nicht erfüllt.

    Fehlerbehebungs-Tools – Diese Tools überprüfen, ob die Kabel ordnungsgemäß angeschlossen wurden (einschließlich Prüfung auf vertauschte Verdrillung) und können die Länge des Kabels messen sowie die Stellen von Kabelbrüchen kenntlich machen. Dadurch kann viel Zeit gespart werden, selbst wenn das Problem nicht an dem Kabel liegt, denn das Team kann das Kabel dann als Problem ausschließen und sich auf das wahre Problem konzentrieren.

    Teams, die sich keine Zertifizierungstester leisten können, können immer noch von ihnen für neue Projekte profitieren, wenn sie sie entweder mieten oder einen Kabelkontraktor zum Testen der Kabel vor dem Hochfahren anheuern. Die niedrigen Kosten von Fehlersuch-Tools ermöglicht es, dass man sie in jeder Anlage bereit hält, was die Zeit eliminiert, die zum Mieten oder Anheuern eines Kontraktors erforderlich wird, sollte ein Ausfall eintreten. Ihre Kosten lassen sich allein in der Zeit, die bei dem Lösen eines einzelnen Netzwerkausfalls gespart wird, leicht amortisieren.

    Vergleich von Fluke Networks Kabeltestprodukten für Industrial Ethernet

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