Messtechnik

Neue Anwendungsgebiete, neue Verkabelungsstrukturen

10. Oktober 2018, 15:00 Uhr | Autor: Alfred Huber / Redaktion: Diana Künstler | Kommentar(e)

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Industrie 4.0 und neue Verkabelungsstrukturen

Messung von EzE-Strecken
Messung von EzE-Strecken, genormte Konstruktionsvarianten und Bezugsebenen
© Softing IT Networks

Im Zuge der vierten industriellen Revolution steigt der Grad der Vernetzung unterschiedlichster Geräte und Maschinen im Bereich der industriellen Automatisierung rapide an. Obwohl noch viele dieser Netzwerkstrukturen proprietär sind, sowohl in der Verkabelung als auch im Protokoll (meist seriell oder Punkt-zu-Multipunkt), so ist doch schon eine Trendwende erfolgt und zwar zum einen im Aufbau der Verkabelungsstruktur und zum anderen in den verwendeten Protokollen zur Datenübertragung. Genauer gesagt setzen diese Netzwerke
in immer höherem Maß auf Ethernet als das Transportvehikel der Wahl, eventuell mit spezifischen Modifikationen. Dies geschieht oft, um eine gewisse Durchgängigkeit von der Bürokommunikation bis hinaus auf Produktionsebene zu erreichen. Die zugrundeliegende physikalische Struktur orientiert sich dabei an den geltenden internationalen Ethernet-Verkabelungsstandards, wie zum Beispiel der bereits erwähnten ISO/IEC 11801-1. Ein prominentes Beispiel für diesen Wandel in der Automatisierung ist „Profinet“, ein offener Industrial-Ethernet-Standard, welcher schon seit einigen Jahren erfolgreich Ethernet-Strukturen in der Automatisierung ausrollt.

Anders als in der IT-Welt verwenden diese industriellen Netzwerke zur Verbindung der einzelnen Komponenten nicht das Konzept des Verlegekabels, welches mit Buchsen abgeschlossen wird und die finale Verbindung zu den Endgeräten mittels Anschlussschnüren herstellt. Es werden dabei sogenannte „Ende-zu-Ende-Strecken“ (EzE) oder englisch „End-to-End-Links“ verwendet. Diese sind mittlerweile ebenfalls in internationalen Standards definiert. Dazu gehören auch Nicht-RJ45-Steckgesichter, wie M12, M8 oder ähnliche. Im Wesentlichen sind diese Strecken Installationskabel, die direkt mit Steckern abgeschlossen und somit auch direkt an die aktiven Komponenten angesteckt werden. Um die geforderte hohe Verfügbarkeit in der industriellen Umgebung garantieren zu können, ist eine Zertifizierung vor der Inbetriebnahme der Strecken essenziell. Dieser neue Verkabelungstyp ist eine Herausforderung für die Messgeräte und die benötigten Messadapter. Speziell für Profinet gibt es sogar eine eigene Inbetriebnahme-Richtlinie, derzeit verfügbar in der Version 1.36 aus dem Jahr 2014. Diese spezifiziert die Messparameter, die zur Qualitätsbestimmung erforderlich sind. Wobei diese Anforderungen bereits auf den klassischen Standards der Büroverkabelung aufbauen.

Die einfachste EzE-Strecke ist ein Verlegekabel, abgeschlossen mit zwei Steckern. Diese Konfiguration sieht aus wie ein Patchkabel, hat aber eine Reihe von Konstruktionsmerkmalen und zusätzlichen Bewertungskriterien, die sie von einer Standard-Anschlussschnur unterscheiden. Darüber hinaus kann eine EzE-Strecke mehrere einzelne Segmente enthalten, wie im oberen Bild dargestellt. Um all diesen speziellen Anforderungen gerecht zu werden, ist es nicht zulässig, EzE-Strecken mittels Messadapter und -standards für Anschlussschnüre zu vermessen – und genauso wenig ist es zulässig, sie wie Übertragungstrecken zu bewerten. Hier würden die leistungsbestimmenden Stecker an den beiden Kabelenden ausgeblendet werden.

EzE-Standardisierung
Derzeit laufen zwei Projekte in ISO und IEC, um EzE-Strecken und die entsprechenden Messungen auf internationalem Niveau zu definieren:

  1. ISO/IEC TR 11801-9902:2017 definiert die unterschiedlichen EzE-Verkabelungskonfigurationen und Leistungsanforderungen. Dieser Standard enthält alle Testgrenzwerte, die für eine EzE-Abnahmemessung erforderlich sind. Es ist zu beachten, dass sich die Testgrenzwerte je nach Streckenkonfiguration unterscheiden.
  2. Die ISO/IEC 14763-4:2018 legt Messmethoden und Testkonfigurationen für EzE-Strecken fest. Sie wurde im Februar 2018 veröffentlicht, allerdings waren die Entwürfe vom Mai 2017 bereits stabil genug, um in Feldmessgeräte implementiert werden zu können.
Messung einer MPTL-Strecke mittels Kombination aus Permanent-Link- und Patchkabel-Test-Adapter
Messung einer MPTL-Strecke mittels Kombination aus Permanent-Link- und Patchkabel-Test-Adapter: Die blau-gestrichelten vertikalen Linien kennzeichnen die Bezugsebenen der Messung.
© Softing IT Networks

Korrekter Messaufbau
Da die Steckverbinder an den Enden einer EzE-Strecke im Feld konfektionierbar sind, muss sichergestellt werden, dass diese Steckverbinder auch in der Messung enthalten sind (siehe Bild 3). Die blau-gestrichelten vertikalen Linien kennzeichnen die Bezugsebenen der Messung und legen fest, welche Streckenteile in der Messung enthalten sein müssen. Es ist wichtig, dass die Messgeräteschnittstellen und die Messkabel nicht in der Messung enthalten sind, aber die Referenzbuchsen am Ende des Messkabels hingegen schon. Da moderne Messgeräte in der Lage sind, sowohl die Amplitude als auch die Phasenlage der Hochfrequenzparameter zu messen, ist es möglich, sowohl die Einflüsse der Schnittstellen der Testadapter als auch die Messkabel aus den Messungen herauszurechnen. Um genaue und wiederholbare Messungen zu erzielen, schreibt die IEC 14763 4:2018 die Verwendung von Referenzbuchsen am Übergang zur zu testenden Strecke vor. Hierbei muss beachtet werden, dass diese Referenztestköpfe bisher nur für RJ45-Systeme spezifiziert sind. Für Nicht-RJ45-Systeme, wie zum Beispiel M12 D- und X-kodiert, gibt es noch keine final definierten Testköpfe.

MPTL – Modular Plug Terminated Link
Wie bereits beschrieben, werden in dieser Streckendefinition Buchsen und feldkonfektionierbare Stecker als Abschlüsse auf einer Übertragungsstrecke verwendet. Einige Vorteile eines solchen Anschlusskonzeptes liegen klar auf der Hand: Durch den Wegfall der Datendose und des Patchkabels entfallen zwei Risikokomponenten, die entweder versehentlich oder bewusst zur Unterbrechung des Datenverkehrs führen können. Außerdem handelt es sich bei der Art der angeschlossenen Endgeräte meist um statische, die kein Umpatchen erforderlich machen werden. Wichtiger Aspekt ist auch der Wegfall von elektrischen Übergängen, die sich bei der Übertragung von Power over Ethernet (kurz PoE) als ungewollter Verbraucher einschleichen könnten. Schlechte Zugänglichkeit bei gewissen Installationen – wie bei Decken-LEDs oder ästhetische Gründe bei sichtbaren Komponenten, zum Beispiel Access-Points – sprechen ebenfalls für diese direkte Anschlusstechnik.

Verbaut wird diese Art der Übertragungsstrecken schon länger, aber der große Nachteil dieser Topologie war bisher die fehlende Normung, die sowohl eindeutig die Leistungsgrenzwerte zuordnet als auch das richtige Messen beschreibt. So hatte bisher jeder nach eigenem Ermessen entweder die bisherigen Grenzwerte für Installationsstrecken oder Übertragungsstrecke als zulässige Limits verwendet. Bei den Messaufbauten wurden oft wilde Kombinationen aus Permanent-Link- und Channel-Link-Adaptern, manchmal sogar in Verbindung mit „Messhilfskabeln“, eingesetzt und somit keine belastbaren Resultate erzielt. Diesem Manko hat sich nun erstmals die ANSI/TIA angenommen und einen Standardentwurf auf den Weg gebracht, der die Leistungsanforderungen an MPTL-Strecken zusammenfasst und den Messaufbau vorgibt.

MPTL – Auf dem Weg zum Standard
Für den MPTL gibt es bisher nur einen Entwurf (PN-568.2-D Draft 2.1 / Annex F) innerhalb der amerikanischen Normenwelt, der eine Installationstrecke beschreibt, die auf der Verteilerseite eine Buchse hat und auf der Endgeräteseite mit einem Stecker versehen ist, der direkt in ein aktives Endgerät eingesteckt wird. Dazwischen kann sich auch noch ein Sammelpunkt (Consolidation Point) befinden. Die maximale Streckenlänge darf 90 Meter nicht überschreiten.

Korrekte Messung mittels Kombination aus Permanent-Link- und Patchkabel-Test-Adapter
Der oben genannte Standardentwurf beschreibt nun die genaueste Methode zum Vermessen eines MPTLs. Getestet wird dieser Streckentyp gegen die Grenzwerte der Installationsstrecke (Permanent Link). An den Messgeräten kommen unterschiedliche Messadapter zum Einsatz, bedingt durch die unterschiedlichen Streckenabschlüsse. Auf der Verteilerseite wird mittels Permanent-Link-Adapter in die Buchse hineingemessen, der sicherstellt, dass die Messung die gesteckte Stecker-Buchse-Verbindung enthält. Auf der Endgeräteseite kommt ein Patchkabel-Messadapter zum Einsatz, der sicherstellt, dass der kritische feldkonfektionierte Stecker auch in der Messung enthalten ist. In diesem Adapter muss die jeweils zur gewünschten Kategorie passende Referenzbuchse (möglichst auswechselbar) integriert sein.

Ethernet bahnt sich seinen Weg
Unaufhaltsam bahnt sich Ethernet seinen Weg hin zum universellen Übertragungsprotokoll für alle nur vorstellbaren Anwendungsfälle, in denen (Daten-)Kommunikation verwendet wird. Im Schlepptau hat er auch immer seine typische Punkt-zu-Punkt-Verkabelungsstruktur, die möglichst genau vermessen sein muss, um den Betrieb der Anlage später gewährleisten zu können. Allerdings entstehen hier immer mehr Derivate zum ursprünglichen klassischen Verkabelungsmodell aus der Bürokommunikation. EzE und MPTL sind nur zwei Varianten, die gerade in Normen abgebildet wurden beziehungsweise werden. Die nächste Abwandlung steht bereits vor der Tür, die Automotive-Industrie schickt sich gerade an, Ethernet in Fahrzeuge zu implementieren – mit eigener Verkabelungstopologie. Hier reduziert man allerdings die Anzahl der verwendeten Kabelpaare auf eins und erweitert den nutzbaren Frequenzbereich nach unten, was wieder eine neue Herausforderung für die Normierung in der Messgerätewelt darstellen wird. Daher: Stay tuned!

Alfred Huber ist Leiter Technik bei Softing IT Networks


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