Industrial Ethernet – Schulung

  • Ursprünglich am Xerox Palo Alto Research Center (PARC) in den 1970er Jahren entwickelt, hat sich Ethernet zum weltweit am meisten verbreiteten Netzwerksystem entwickelt. 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.

    Testgrenzwerte für End-to-End-Kabelkonfigurationen

    Abbildung 1. Bildschirm des DSX CableAnalyzer™ mit Anzeige der Testgrenzwerte für verschiedene End-to-End-Kabelkonfigurationen einschließlich E1-, E2- und E3-Grenzwerte.

    Verkabelungsstandards und Steckverbinder

    Alle Industrial Ethernet-Anwendungen sind auf verdrilltes Kupfer- oder Glasfaserkabel ausgelegt, ähnlich dem im „normalen“ Ethernet verwendeten, mit einigen Änderungen in der Werksumgebung. Die International Standards Organization (ISO) und die Telecommunications Industry Association (TIA) haben eine Reihe von Spezifikationen entwickelt, um mögliche Umgebungsbedingungen innerhalb von Industriestandorten zu 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

    Bestehende Testergebnisse für eine TIA 1005 Kategorie 6A-Verbindung mit E2-Grenzwerten

    Abbildung 2. DSX CableAnalyzer Anzeige mit bestandenen Testergebnissen für eine TIA 1005 Kategorie 6A-Verbindung 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:

    Kommunikation

    Die grundlegendste Anforderung für die Verkabelung ist, dass die Pins an einem Ende mit den korrekten Pins 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

    Dies ist eine Messung der elektromagnetischen Interferenz 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.

    Fluke DSX CableAnalyzer-Bildschirm zeigt fehlgeschlagenen E3-Pegel-Test

    Abbildung 3. DSX CableAnalyzer zeigt die Ergebnisse eines fehlgeschlagenen E3-Pegel-Tests an. Beachten Sie den TCL-Fehler.

    Abschirmungsintegrität

    Viele Industrial-Ethernet-Kabel enthalten eine Abschirmung, in der Regel eine metallische Folie, die jedes Paar innerhalb des äußeren Kabelmantels umschließt. 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.

    Transversaler Umwandlungsverlust (TCL)

    Dies ist ein Maß für die "Balance" des Kabels, seine Fähigkeit, gleiche Signale auf beiden Kabeln 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

    Anzeige der Verkabelungsfehler

    Abbildung 4. Der DSX CableAnalyzer kann eine Vielzahl von Verkabelungsfehlern finden und sie in einer für jeden Techniker verständlichen Weise anzeigen.

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

    Schnellere Inbetriebnahme

    Die Messung der oben genannten Parameter vor dem Anschließen eines Kabels ist die einzige Möglichkeit, sicherzustellen, dass es alle erforderlichen Spezifikationen erfüllt und somit ordnungsgemäß funktioniert.

    Verhindern von ungeplanten Ausfallzeiten

    Nur weil ein Kabel beim Start Daten weiterleiten kann, ist dies keine Garantie dafür, dass es unter allen Umständen weiter funktioniert. 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 geprüftes Kabel kann durch Missbrauch ausfallen, wenn es etwa versehentlich durchgeschnitten, auseinandergezogen oder geschmolzen wird. 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. Wenn Sie beispielsweise wissen, dass der Fehler im Stecker der Gegenseite liegt, brauchen Sie nur ein paar Minuten, um einen defekten Stecker auszutauschen, anstatt stundenlang ein komplett neues Kabel zu verlegen.

    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, die Kabel und Netzwerke verschachteln.

    Angezeigte Netzwerkdaten, einschließlich Switch Port, Name, VLAN und Geschwindigkeitseinstellungen

    Abbildung 5. Cable+Network Tester wie der LinkIQ™ können Netzwerkdaten einschließlich Switchport, Name, VLAN und Geschwindigkeitseinstellungen anzeigen.

    Vorimplementierungs-Tester

    Diese Tools bieten Tests für alle oben genannten Verkabelungsparameter, einschließlich Nebensprechen, Schirmintegrität und TCL. Die DSX CableAnalyzer Series ist der einzige Kabeltester, der alle diese Parameter einschließlich der Schirmintegrität entlang des Verkabelungspfades 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.

    Kabel- und Netzwerktester

    Mit diesen Tools erhält man die Möglichkeit, Industrial Ethernet-Verkabelung und die an diese Verkabelung angeschlossenen aktiven Geräte zu testen. Sie überprüfen, ob die Verkabelung richtig angeschlossen wurde (einschließlich Split-Pair-Prüfung) und können die Länge des Kabels messen und die Stelle von Kabelbrüchen identifizieren. Sie können auch den Netzwerk-Switch überprüfen, mit dem sie verbunden sind, und die Portgeschwindigkeit und Power-over-Ethernet sowie in einigen Fällen den Switch-Namen, die Portnummer und das VLAN anzeigen. Dies kann viel Zeit sparen, da Verkabelung oder Switchbetrieb und -konfiguration als Problem ausgeschlossen werden können, wodurch das Team sich auf die Suche nach der wahren Problemstelle konzentrieren kann.

    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 geringen Kosten der Kabel- und Netzwerk-Tools erlauben es, sie in jeder Einrichtung vorrätig zu halten, wodurch die Zeit entfällt, die erforderlich ist, um einen Verleih oder eine Fremdfirma für den Fall einer Störung zu organisieren. 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

      MicroScanner™ PoE-IE LinkIQ™-IE DSX™-Serie
    Primäre Anwendung  Kabel- und Netzwerk-Fehlersuche Kabel- und Netzwerk-Fehlersuche Kabel-Installation, -Fehlersuche
    Kommunikation 
    Länge 
    Nebensprechen    X
    Abschirmungsintegrität    Einfach Erweitert  
    TCL /M.I.C.E. Stufe „E“     
    Berichterstellung   
    Fehlersuche  Einfach  Einfach  Erweitert 
    Netzwerkprüfungen  Geschwindigkeit bis zu 10 Gbit/s PoE-Leistung Geschwindigkeit bis zu 10 Gbit/s, Switch-Name, Port, VLAN, PoE-Leistung, Port Blink  
    Unterstützte Steckverbinder  RJ45, M12D, M12X und M8D RJ45, M12D, M12X und M8 RJ45, M12D und M12X