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E THERNE T IN DER INDUS TRIE
PROF. DR. WUCHERER: KOMMUNIKATION, DAS RÜCKGRAT DER AUTOMATISIERUNG
ETHERNET, EIN GEWINN FÜR DIE INDUSTRIEAUTOMATION _ PROFINET UND PROFIBUS _ ZEITVERHALTEN
VON SWITCH-BASED ETHERNET NETWORKS _ INTERNATIONALE NORMUNG _ BÜRO MEETS INDUSTRIE _
DESIGN-OPTIMIERUNGEN VON INDUSTRIELLEN SCHNITTSTELLEN _ VIRTUAL REALITY _ STROMTRAGFÄHIGKEIT DER RJ INDUSTRIAL-FAMILIE _ ZUVERLÄSSIGKEITSPRÜFUNG IM HARTING-LABOR _ HOCHPRÄZISIONSFERTIGUNG _ INDUSTRIEGERECHTE VORORTKONFEKTIONIERUNG _ MICRO PACKAGING
10 GIGABIT PRO SEKUNDE _HAN-BRID VERBINDET RUSSISCHE ETHERNET-ANWENDUNG _ HAN 3 A
STANDARDSCHNITTSTELLE _ ELEKTRONISCHE SHOP- UND SERVICE-SYSTEME _ LKW-MAUTSYSTEM
people | power | partnership
HARTING tec.News 11-I-2003
ETHERNET IN DER INDUSTRIE
Die elfte Ausgabe unseres Technologiemagazins
tec.News beschäftigt sich vor allem mit dem
Thema „Ethernet in der Industrie“. Der Gedanke, mit Industrial Ethernet die in der Bürowelt
bekannten Netzwerkfunktionen in raue Industrie-Umgebungen zu übertragen, ist bestechend.
Die herausragende Bedeutung dieses Ansatzes
zeigt sich auch daran, dass wenige Tage nach
dieser tec.News eine Sonderausgabe der „Elektronik“ erscheint, die sich zu großen Teilen aus
den vorliegenden Artikeln zusammensetzt.
Besonders erfreulich ist, dass Herr Prof. Dr.
Klaus Wucherer, Zentralvorstand der Siemens
AG, in seinem Gastbeitrag über „Kommunikation, das Rückgrat der Automatisierung“ die Thematik aus Sicht von Siemens A&D beschreibt.
Mit Beiträgen aus den Themengebieten Design
und Virtual Reality, Simulation, Produktion und
Anschlusstechnologie sowie internationale Normungsarbeit zeigt harting seine breiten technologischen Fähigkeiten. Und neben konkreten
Lösungen im Ethernet-Umfeld und einem Blick
nach Russland runden wir unser Magazin mit
einer Darstellung entstehender Mautsysteme
und unseres Vorgehens im Bereich der elektronischen Shop- und Servicesysteme ab.
W. Padecken
Chefredakteur
2
tec.
I n h a l t
Inhalt
EDITORIAL
Ethernet, ein Gewinn für die Industrieautomation _4
GASTBEITRAG
Kommunikation, das Rückgrat der Automatisierung _6
TECHNOLOGIE
PROFInet® setzt neue Maßstäbe für die Installation von Ethernet im Produktionsbereich _11
Micro Packaging – die Verbindung von der Mikro- mit der Makrowelt _53
10 GigaBit pro Sekunde _57
harting Vending, der Spezialist für elektronische Shop- und Service-Systeme _63
NETZWERKE
Zeitverhalten und Vorteile von Switch-Based Ethernet Networks _19
STANDARDS
Normung von Datensteckverbindern für Industrieanwendungen _23
Zuverlässigkeitsprüfung des RJ Industrial-Steckverbinders durch das akkreditierte harting-Labor _41
PRAXIS
Büro meets Industrie _26
Han® 3A-Standardschnittstelle _60
Industrielle Bildverarbeitung und Industriesteckverbinder im LKW-Mautsystem _68
DESIGN
Designoptimierungen von industriellen Schnittstellen _29
Virtual Reality am Beispiel des harting RJ Industrial® – Visualisierungslösungen im Dienste des Kunden _33
SIMULATION
Stromtragfähigkeit der RJ Industrial-Familie _37
PRODUKTION
Hochpräzisionsfertigung des RJ Industrial in Biel/Schweiz _44
ANSCHLUSS
Industriegerechte Vorortkonfektionierung des harting RJ Industrial _47
INTERNATIONAL
Han-Brid® verbindet russische Ethernet-Anwendung _59
MESSE
harting Messepräsenz 2003 _71
Impressum.
Herausgeber: HARTING KGaA, M. Harting, Postfach 11 33, D-32325 Espelkamp, Tel. +49 5772 47-0, Fax +49 5772 47-400, Internet: http://www.HARTING.com | Chefredaktion:
W. Padecken | Stellv. Chefredaktion: Dr. H. Peuler | Gesamtkoordination: Abteilung Publizistik und Kommunikation, W. Padecken | Redaktionelle Beratung: Bickmann & Collegen
Unternehmensberatung, Hamburg | Layout & Illustration: Contrapunkt, Berlin | Produktion und Druck: Druckerei Meyer GmbH, Osnabrück | Auflage: 28.000 Exemplare weltweit
(deutsch und englisch) | Bezug: Wenn Sie an einem regelmäßigen, kostenlosen Bezug dieses Magazins interessiert sind, sprechen Sie die nächstgelegene HARTING-Niederlassung, Ihren
HARTING-Vertriebsmitarbeiter oder einen der örtlichen HARTING-Distributoren an. Außerdem können Sie die tec.News online unter http://www.HARTING.com bestellen. | Nachdruck: Für
den ganzen oder auszugsweisen Nachdruck von Beiträgen ist eine schriftliche Genehmigung der Redaktion erforderlich. Das gilt ebenso für die Aufnahme in elektronische Datenbanken und
die Vervielfältigung auf elektronischen Medien (z. B. CD-Rom und Internet). | Alle verwendeten Produktbezeichnungen sind Warenzeichen oder Produktnamen der HARTING KGaA oder
anderer Unternehmen | Trotz sorgfältiger Überprüfung können Druckfehler oder kurzfristige Änderungen der Produktspezifikationen nicht vollständig ausgeschlossen werden. Bindend für die
HARTING KGaA sind daher in jedem Falle die Angaben im entsprechenden Katalog. Umweltfreundlich gedruckt auf 100% chlorfrei gebleichtem Papier mit hohem Recyclinganteil.
© 2003 by HARTING KGaA, Espelkamp. Alle Rechte vorbehalten.
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tec.
T o p t h e m a
EDITORIAL
Dr. Joachim Belz
Ethernet, ein Gewinn für die
Industrieautomation
harting übernimmt eine führende Rolle bei der Realisierung
weltweiten Standardisierung der Infrastruktur, wie sie seit Jahren
von standardisierten, zukunftssicheren Ethernet-Infrastruk-
in der Bürowelt gegeben ist.
turkomponenten.
Gerade die Kombination von Kompatibilität und IndustrietaugNach der erfolgreichen Etablierung in der Büroautomation tritt
lichkeit gehört zu den Kernkompetenzen der Technologiegruppe
Ethernet seinen Weg als zukunftssicheres Kommunikationssys-
harting. Basierend auf diesen Kernkompetenzen bietet harting
tem auch in die Welt der Fabrik- und Prozessautomation an. Ein lo-
alle zum Aufbau eines industriellen Ethernet-Netzwerkes
gischer Schritt, wenn wir berücksichtigen, dass es sich bei Ether-
erforderlichen Infrastrukturkomponenten an. Hierzu gehört
net um einen offenen Standard mit hoher weltweiter Akzeptanz
die innovative, PROFInet®- konforme Produktfamilie harting
handelt und die konsequente Anwendung gerade im industriellen
RJ Industrial® ebenso wie IP 67 Ethernet Switches, Industrial
Bereich Chancen zur Produktivitätssteigerung, zur Reduzierung
Machine Outlets und die strukturierte Verkabelung.
von Montage- und Wartungszeiten oder zur Erhöhung von Prozesstransparenz bietet. Gleichzeitig hat Ethernet das Potenzial,
Die genannten Schnittstellen, Infrastruktur und Geräte sind das
die heute vorhandene Komplexität der im Einsatz befindlichen
Ergebnis einer engen Zusammenarbeit mit führenden System-
Bussysteme deutlich zu mindern.
anbietern im Bereich der Automation und einer konsequenten
internationalen Standardisierungs- und Normungsarbeit, in
Parallel zur Realisierung der mit der Ethernet-Einführung ver-
der harting seit Jahren eine führende Rolle einnimmt. Beides,
bundenen Durchgängigkeit eines Daten- und Kommunikations-
der unmittelbare Bezug zum Kunden und die Standardisierung,
netzwerkes – vom Zentralrechner in der Administration über
hat für uns strategische Bedeutung. In diesem Zusammenhang
die technischen Abteilungen bis hin zur Fertigung oder sogar
freuen wir uns ganz besonders über den Gastbeitrag von Prof.
zu einzelnen busfähigen Geräten einer Maschine – erfolgt die
Dr. Klaus Wucherer, Mitglied des Zentralvorstandes der Siemens
zunehmende Dezentralisierung von Intelligenz innerhalb der
AG. Nur im Verbund mit starken und verlässlichen Partnern
Fertigungsanlagen. Wo immer es sinnvoll und möglich ist, weicht
kann Standardisierungsarbeit international erfolgreich sein
der zentrale Schaltschrank einer verteilten Anordnung direkt mit-
und zur Entwicklung investitionssicherer Produkte führen. Das
einander kommunizierender Mess-, Steuer- und Regeleinheiten.
harting-Produktportfolio für industrielle Ethernet-Anwendungen
Die Wechselwirkung dieser Veränderungsprozesse führt zu einer
ist auf der einen Seite ein herausragendes Beispiel für unsere
Beschleunigung der dezentralen Vernetzung, wobei die Fähigkeit
Innovationsorientierung und auf der anderen Seite Ergebnis der
zur Kommunikation innerhalb eines durchgängigen Netzwerkes
Erkenntnis, dass nur solche Lösungen heute erfolgreich sein kön-
und die Fähigkeit, notwendige Funktionalitäten innerhalb einer
nen, die nicht nur höchsten technischen Standard bieten, sondern
Applikation technisch und wirtschaftlich sinnvoll „am Ort des
zugleich messbaren Kundennutzen und Investitionssicherheit.
Geschehens“ realisieren zu können, als Schrittmacher dienen.
Ethernet ist das Rückgrat eines solchen Netzwerkes. Ethernet
Wir laden Sie ein, eine weitere Facette der harting-Technologie-
gewährt die Durchgängigkeit über mehrere Automationsebenen
gruppe kennen zu lernen und freuen uns auf Ihren Besuch auf
vom Sensor bis zur Office-Ebene, und das basierend auf einem
dem Stand C 13 in der Halle 11 während der Hannover Messe
Daten- und Kommunikationsprotokoll.
2003.
Die zugrunde liegende dezentrale Systemarchitektur bestimmt
hierbei die notwendigen Eigenschaften der Netzwerkteilnehmer,
der Netzwerkkomponenten und der Netzwerkinfrastruktur. Zu
diesen Eigenschaften zählt neben der Kommunikationsfähigkeit
selbst auch die umfassende Industrietauglichkeit und Schnittstellenkompatibilität. Letztere ist für die breite Akzeptanz und
Dr. Joachim Belz
Geschäftsführer
HARTING Deutschland GmbH & Co. KG
[email protected]
Anwendung von entscheidender Bedeutung und bedarf einer
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tec.
T o p t h e m a
GASTBEITRAG
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Klaus Wucherer
Kommunikation, das Rückgrat der Automatisierung
Die immer stärkere globale Vernetzung der Wirtschaft und
Ohne Kommunikation zwischen den einzelnen Steuerungen einer
der damit gegebene Einsatz von industriellen Produkten und
Anlage läuft bei der modernen Automatisierungstechnik wenig.
Systemen in der Welt erfordert Standardisierung der Schnitt-
Dies wurde bei Siemens bereits in den frühen 80er Jahren erkannt.
stellen, auch die der Kommunikation. Diese sollten weltweit
Mit der Einführung von Ethernet für die Kommunikation in der
einheitlich und möglichst einfach in der Anwendung sein.
Leitebene setzte Siemens einen Meilenstein in der Geschichte
Dieses gibt dem Anwender Investitionssicherheit und dem
der Automatisierungstechnik. Heute ist Industrial Ethernet mit
Hersteller Stabilität für neue Entwicklungen.
über 400.000 allein von Siemens installierten Knoten im Feld
Als Unternehmen, das in der Fertigungs- und der Prozess-
unumstritten das erfolgreichste Kommunikationssystem in der
automatisierung gleichermaßen tätig ist, hat Siemens schon
Automatisierungstechnik. Industrial Ethernet ist dabei, dem ge-
sehr früh erkannt, welche entscheidende Rolle der Kommuni-
samten Kommunikationsmarkt neue Impulse zu geben. In einer
kation in der Gestaltung der zukünftigen Automatisierungs-
aktuellen Studie der ARC Advisory Group wird für Ethernet im
technik zukommt. Bereits im Jahre 1985 brachte Siemens
Industriebereich über 80% jährliches Wachstum vorausgesagt.
Ethernet in den industriellen Einsatz und hat seitdem über
Aber auch hinter Profibus steht eine bemerkenswerte Erfolgsstory.
400.000 Knoten installiert. 1992 entstand Profibus, der sich
Profibus ist heute der erfolgreichste Feldbus. Allein im Jahre 2001
mittlerweile zu dem erfolgreichsten Feldbussystem der Welt
wurden 1,3 Millionen Profibus-Feldknoten installiert. Die Gesamt-
entwickelt hat.
zahl wird auf fast 10 Millionen Knoten geschätzt.
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ERFOLGREICH DURCH OFFENHEIT
MEHR ALS NUR EINFACH KOMMUNIKATION
Von Beginn an setzte Siemens auf allgemein verfügbare Kommuni-
Industrial Ethernet dominiert die Leit- und Zellebene. Mit zuneh-
kationsstandards und offene Bussysteme. Diese Standards sind auch
mender Dezentralisierung entstehen auch auf der Feldebene immer
die Basis für die Nutzung von herstellerspezifischen Mechanismen,
intelligentere Geräte. Die Anbindung dieser Geräte an die Leitebene
wie z.B. die Kommunikation in der Simatic S7. Diese wurde über die
erlaubt völlig neue Möglichkeiten z.B. in der Produktionssteuerung
Applikationsebene eingebracht und so an die Anforderungen des
oder in der Wartung. Ein gemeinsames Kommunikationsmedium
industriellen Einsatzes optimal angepasst. Die Strategie zur Verwen-
Industrial Ethernet erleichtert den Geräten aus dem Feldbereich
dung von Standards wird Siemens auch in Zukunft weiter verfolgen.
den Anschluss an die Welt der Leitebene.
Denn der Einsatz und das Vorantreiben von Standards bringt dem
Einheitliche Plattformen und Hersteller übergreifende Engineer ing-
Anwender und Hersteller gleichermaßen Vorteile. Die Anwender
Standards ermöglichen eine kostengünstige Produktion und Kom-
können aus einer Fülle von Geräten, wie sie ein einzelner Hersteller
bination von Anlagen- und Maschinenvarianten. Eine Reihe dieser
niemals bieten könnte, die für sie optimale Auswahl treffen. Und
Engineering-Standards besteht bereits heute: OPC, DCOM, TCP/IP
die Geräte spielen dank der Standardisierung auch zusammen. Der
und viele mehr. Andere sind gerade dabei sich zu etablieren: So
Hersteller profitiert davon, dass er sich voll auf seine Produkte kon-
ist beispielsweise PROFInet von der Profibus-Nutzerorganisation
zentrieren kann. Er muss nicht unterschiedliche Schnittstellen be-
(PNO) als Hersteller übergreifendes Kommuni kations-, Automati-
rücksichtigen und kann so kostengünstiger produzieren.
sierungs- und Engineering-Modell konzipiert.
Industrial Ethernet bietet als Basis für die Kommunikation ent-
FÜR DIE PRAXIS OPTIMIERT
scheidende Vorteile. So lassen sich dank des hohen Datendurch-
Einen großen Anteil am Erfolg von Profibus hat neben der Standar-
satzes die Möglichkeiten zur Diagnose wesentlich erweitern und
disierung die kontinuierliche und konsequente Weiterentwicklung.
Servicefunktionen sind netzweit und Standort unabhängig verfüg-
Standen am Anfang nur einfache Kommunikationsaufgaben zu
bar. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2001 nach Erhebungen
dezentralen Peripheriebaugruppen und zwischen Steuerungen in
der Gesellschaft für Instandhaltung e.V. rund 148 Milliarden Euro
der Feldebene im Blickpunkt, haben sich die Anwendungen heute
für Instandhaltung ausgegeben. Die Folgekosten durch Maschinen-
wesentlich erweitert. Über Profibus DP kommunizieren dezentrale
stillstand, Imageverlust, Qualitätsmängel und Lieferunfähigkeit
Peripheriegeräte mit hoher Performance mit den Steuerungen sowohl
werden sogar auf das Fünffache dieser Summe geschätzt. Hier
in einem zyklischen Raster als auch ereignisgesteuert asynchron.
liegt für viele Firmen ein enormes Einsparungspotenzial. Die Zu-
Profibus DP ist auch der Systembus für die Simatic S7, über den alle
standsdiagnosen intelligenter Komponenten werden über Industrial
Peripheriebaugruppen angesprochen werden können, ohne expli-
Ethernet direkt an eine entsprechende MES-Software (z. B. Simatic
zit Datenaustausch programmieren zu müssen. Über das Verkabe-
IT Maintegrity) gemeldet, die dann die ggf. notwendigen Folge-
lungssystem ECOFAST® können die Baugruppen kostensparend und
aktionen organisiert und überwacht, wie z.B. Wartung, Upgrade
schnell sowohl mit Daten als auch mit Energie versorgt werden. Für
oder Austausch.
den Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung der Prozessindustrie steht mit Profibus PA ein eigensicheres Bussystem zur Verfügung,
das über Profibus DP transparent angesprochen wird und für die
Steuerungen dieselbe Funktionalität bietet. Um Geräte komfortabel
in Leitsysteme einbinden und von zentraler Stelle aus projektieren
zu können, wurden Hersteller übergreifend einheitliche Geräteprofile definiert. Profisafe integriert die Sicherheitsanforderungen in den
Profibus-Standard, so dass auch sicherheitsrelevante Geräte problemlos am Profibus betrieben werden können. Mit Profidrive steht ein
Profil zur isochronen Übertragung von Daten zur Verfügung, mit
dem anspruchsvolle Regelungsaufgaben über Profibus realisierbar
sind. All diese Protokolle und Profile sind standardisiert, zum Teil
in Normen verankert, und stehen allen Mitgliedern der ProfibusNutzerorganisation zur Verfügung.
Abb. 1: Industrial Ethernet und Profibus haben sich in der
Vergangenheit ideal ergänzt und wachsen in der Zukunft durch
PROFInet noch enger zusammen
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REAL-TIME-ETHERNET
Ethernet garantiert in seiner klassischen Ausprägung kein
deterministisches Verhalten bei der Übertragung von Daten. Dies
führte in den 80er Jahren zu hitzigen Auseinandersetzungen über
SIEMENS UND HARTING –
PARTNER IN DER MODERNEN INDUSTRIEVERNETZUNG
die Eignung von Ethernet in der Industrie, hat sich aber in den
bisherigen Anwendungsfällen nicht nachteilig ausgewirkt. Für
Siemens spielt seit langer Zeit eine zentrale Rolle bei der Ent-
fertigungs- und prozessnahe Aufgaben ist aber eine ausreichend
wicklung von – den Anforderungen in der Industrie angepass-
genau kalkulierbare Reaktionszeit von entscheidender Bedeutung.
ten und zukunftsorientierten – Kommunikations-Systemen.
PROFInet bietet deshalb zusätzlich einen optimierten Kommuni-
Die Technologiegruppe harting ist im Umfeld Industriever-
kationskanal auf Softwarebasis an, der zwischen zwei Geräten
netzung nicht nur seit Jahren Lieferant für Schnittstellen und
vereinbart wird. Die damit erreichbare Performance des Bus-
strukturierte Verkabelung sondern auch Partner von Siemens
systems ist vergleichbar mit der von üblichen Feldbussystemen
A&D in der Definition und Realisierung von Infrastrukturkom-
und ermöglicht Reaktionszeiten im Bereich von 5 bis 10 ms.
ponenten für Industrial Ethernet.
Für kritische Anwendungen, die hohe Anforderungen an das
Zeitverhalten haben und die sehr kurze Reaktionszeiten und
Für Anwendungen im Automatisierungsbereich hat harting
isochrone Übertragungen benötigen, wie sie im Motion-Control-
in Zusammenarbeit mit Siemens einen industrietauglichen
Bereich notwendig sind, ist der Einsatz spezieller Hardware erfor-
Ethernet-Stecker entwickelt, da die im Bürobereich etablierten
derlich. Mit Reaktionszeiten von deutlich kleiner als 1 ms, einer
RJ 45-Stecker den Ansprüchen der Industrie nach Robustheit,
taktsynchronen Übertragung und einem Jitter von weniger als
einfacher Montage im Feld und Verwendung größerer Kabel-
1 µs sind dann auch schnelle und exakte Antriebsregelungen über
querschnitte nicht genügten. Diese gemeinsam vorangetriebe-
Industrial Ethernet realisierbar. Natürlich kann man parallel zu
ne Lösung ist der harting RJ Industrial® (s. Abbildung 1). Bei
diesem Echtzeitkanal auch gleichzeitig über die TCP/IP-Standard-
dieser Praxis orientierten Steckverbindung haben die Partner
kommunikation auf der Basis der bereits bestehenden Netzwerke
ihre langjährigen Erfahrungen aus der Zusammenarbeit in
transparent auf alle Geräte zugreifen, z.B. für Parametrierung
der Feldebene – ECOFAST® oder DESINA® mit Profibus – ge-
und Diagnose.
nutzt. Die im ECOFAST-Umfeld gewonnenen Erkenntnisse zum
Energiebus und Datenbus und die dort verwendeten Schnitt-
ES GIBT NOCH EINIGES ZU TUN
stellen wie der Han-Brid® (s. Abbildung 2), wurden bei der
Viele Funktionen und Anwendungsprofile, die bei Profibus bereits
Entwicklung für die Industrial Ethernet-Lösung eingebracht.
vorhanden sind, wie z.B. Profisafe, sind bei Industrial Ethernet
Siemens A&D und harting arbeiten im Ethernet-Umfeld in
nicht verfügbar und müssen noch realisiert werden.
einer partnerschaftlichen Ebene zusammen, um einen anwendungsorientierten Gesamtansatz zu definieren. Ziel ist es,
das in der Bürowelt bekannte Ethernet für die Nutzung in der
industriellen Feldebene anzupassen.
Abb. 1: RJ Industrial
Abb. 2: Han-Brid RJ 45
Abb. 2: PROFInet integriert bestehende Anlagen bzw. ProfibusSysteme über Proxy (IE/PB Link) in die Industrial Ethernet-Welt. Dies
sichert zum einen weitgehenden Investitionsschutz und
erlaubt zum anderen den Einsatz des geeignetsten Bussystems.
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Aber auch bei den Ethernetkomponenten selbst gibt es noch einiges zu tun, damit sie industrietauglich werden. Einen für Büroumgebung entwickelten Switch einfach in ein stabileres Gehäuse
zu packen, ergibt mit Sicherheit nicht das Produkt, das Industriekunden benötigen. Beständigkeit bei rauen Umweltbedingungen,
Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Störungen, erweiterte Diagnosemöglichkeiten und geringe Ausfallraten während
des Betriebs sind Anforderungen, die schon bei der Konzeption
eines Produktes einfließen müssen. Dasselbe gilt auch für die
Verkabelungssysteme. Die in EN 50173 genormte Busstruktur
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Ing.
Klaus Wucherer
Mitglied des Zentralvorstands
der Siemens AG
für Ethernet im Bürobereich ist nicht auf den Industriebereich
übertragbar. Und auch die Netzkomponenten entsprechen nur
geboren am 9. Juli 1944 in Quakenbrück
selten den Anforderungen im Industriebereich. Betriebssichere und einfach im Feld konfektionierbare Stecker sowie robuste Kabel, mit denen eine größere Strecken überbrückt werden
können, haben bisher nur wenige Hersteller im Programm.
SYNERGIEN NUTZEN
PROFInet wird mit Echtzeitverhalten weiter in den Feldbereich
vordringen, die bestehenden Feldbussysteme aber aus heutiger Sicht nicht ablösen. Denn abgesehen von den niedrigeren
Hardwarekosten und der bereits installierten Basis sind diese
auf bestimmte Aufgaben zugeschnitten, die von Ethernet nicht
oder nur unzureichend übernommen werden können. So ist zum
Beispiel Profibus PA als eigensicherer Bus hervorragend für den
Einsatz im Ex-Bereich geeignet und AS-Interface ist kostenmäßig
unschlagbar bei der Anbindung einfacher Sensoren und Aktoren.
Die Einbindung bestehender Systeme in zukünftige Kommunikationsstrukturen ist deshalb ein wichtiger Punkt des PROFInetStandards.
Mit Hilfe von Proxys lassen sich einfach und aufwandsarm bestehende Profibus-Anlagen in eine neue PROFInet-Anlage integrieren.
Dieses Vorgehen sichert einen weitgehenden Investitionsschutz
bestehender Systeme und erlaubt es, jederzeit das für die entsprechende Aufgabe optimale Bussystem einzusetzen. Profibus spielt
seine Stärken im Feldbereich aus und die Vorteile von Ethernet
und der darauf basierenden Engineeringsysteme können für die
Gesamtanlage genutzt werden.
Die industrielle Kommunikation unterstreicht gerade in der Zeit
der vertikalen Integration ihre Bedeutung für die Automatisierungstechnik. Sie ermöglicht in der Zukunft neue Dienste wie ePS
(electronic Production Services) oder völlig neue Inbetriebnahme-
Ausbildung
Abitur, Dipl.-Ing. Elektrotechnik,
Dipl.-Ing. Maschinenbau
Dr.-Ing.
Beruflicher Werdegang
1970
Siemens AG, Zweigniederlassung Bremen,
Technisches Büro Osnabrück, Projekt-Ingenieur
1973
Gruppenleiter Technische Abteilung Geregelte
Drehstrom- und Gleichstromantriebe SIMATIC,
Zweigniederlassung Bremen
1978
Fachbereichsleiter Technische Abteilung Antriebe,
SIMATIC, Prozessrechner, Zweigniederlassung Bremen
1983
Leiter technische Abteilung, Vertrieb Anlagen
Siemens S.A., São Paulo/Brasilien
1986 - 96 Leitung der Geschäftszweige bzw. Geschäftsgebiete
in Nürnberg und Erlangen:
· Industrielle Kommunikation
· Software-Haus
· Automatisierungssysteme für Werkzeugmaschinen
· Industrie-Automatisierungssysteme (SIMATIC)
1996
Mitglied des Bereichsvorstands Automatisierungstechnik, Nürnberg
1997
Umbenennung des Bereichs in Automatisierungsund Antriebstechnik
1998
Vorsitzender des Bereichsvorstands Automatisierungs- und Antriebstechnik
1999
Mitglied des Vorstands der Siemens AG
10/2000 Mitglied des Zentralvorstands der Siemens AG
Innerhalb des Zentralvorstands Betreuung
der Bereiche:
· Automation and Drives,
· Industrial Solutions and Services,
· Asien und Australien
01/2003 Präsident des Verbandes der Elektrotechnik,
Elektronik und Informationstechnik e.V. (VDE)
Honorarprofessor
TU Chemnitz (Maschinenbau)
FH Osnabrück (Elektrotechnik, Informatik)
und Wartungskonzepte mit Augmented Reality, und sie wird ihre
Rolle als Rückgrat der Automatisierung weiter ausbauen.
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tec.
T o p t h e m a
TECHNOLOGIE
Andreas van Eckendonk & Andreas Huhmann
PROFInet® setzt neue Maßstäbe für die Installation von
Ethernet im Produktionsbereich
Ethernet stößt vom Büro kommend im industriellen Umfeld
auf kein Vakuum. Ganz im Gegenteil: In der Industrie haben
sich Lösungen auf Basis der Feldbusse, wie dem Profibus, etabliert. Die Installation der Feldbuskomponenten unterlag dabei
einer langen Entwicklung, die heute erst alle praktischen
Anforderungen des Anwenders erfüllt. Die Anforderung an
die Installation werden sich durch Ethernet nicht verändern.
Diese Anforderungen aus der Praxis stellen damit die Randbedingung auch für PROFInet dar. Die Migration von Ethernet
in die Industrie darf deswegen keine reine Substitution von
Industriekomponenten durch Bürokomponenten sein. Dies
müsste der Anwender mit einer nicht beherrschbaren Installation oder Inkompatibilität bezahlen.
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Die Profibus-Nutzerorganisation hat bei PROFInet bereits für
NETZTOPOLOGIEN
die Bereiche IP 20 sowie IP 67 Festlegungen getroffen und in der
Netztopologien orientieren sich an den Erfordernissen der
Richtlinie „Installation Guideline PROFInet“ dokumentiert. Die
Applikation. Im Gegensatz zur Büroumgebung, in der häufig
Richtlinie setzt auf den Standards ISO/IEC 11801 auf, die den
wiederkehrende topologische Muster vorkommen, hängen die
Bürobereich abdecken. Sie ergänzt aber diese Norm um Lösun-
vorgefundenen Topologien in der industriellen Automatisierung
gen, die die besonderen Anforderungen des Produktionsbereiches
stark von den jeweils geltenden Randbedingungen ab. Die Aus-
berücksichtigen (Bild 1). Das Ziel ist, die dort getroffenen Fest-
prägung einer Anlage bzw. Maschine hat entscheidenden Einfluss
legungen in die internationale Standardisierung einzubringen.
auf die Topologie eines PROFInet-Systems. Zur Verdeutlichung
Zu den wichtigsten Kriterien für die Akzeptanz einer neuen
ihres Aufbauprinzips werden sie in ihrer Reinform erläutert. In
Kommunikationstechnologie – wie z.B. PROFInet – durch den
der Praxis besteht eine Anlage aus einer Mischform der unten
Anwender gehört neben den Aspekten, die die Kommunikation
einzeln betrachteten Strukturen.
betreffen, eine einfache Handhabung bei der Installation. Hierbei
spielen die Netztopologie, Verkabelung und Steckerkonzepte eine
STERNTOPOLOGIE
Schlüsselrolle.
Kennzeichen der Sternstruktur ist ein zentraler Signalverteiler
(Switch) mit Einzelverbindungen zu allen Endgeräten des Netzes.
PROFInet setzt neue Maßstäbe, denn
Anwendungen für sternförmige Netzstrukturen sind Bereiche mit
· der Hersteller von Komponenten bekommt eindeutige Vorga-
hoher Gerätedichte bei geringen Längenausdehnungen, z. B. klei-
ben über die Schnittstellen und die Verkabelung und hat damit
ne Fertigungszellen oder eine einzelne Produktionsmaschine.
Sicherheit bei der Implementierung von PROFInet und
· der Anwender bekommt einfache Regeln für die Installation und
kann damit wie beim Feldbus ohne zusätzliche ethernetspezi-
BAUMTOPOLOGIE
Die Baumtopologie entsteht aus der Verbindung mehrerer Sterne
fische Planung Netzwerke erstellen. Es bleibt alles einfach wie
zu einem Netzwerk, ggf. unter Mischung von LWL- und Twisted
beim Feldbus.
Pair-Verkabelung. Die Baumtopologie findet Anwendung bei der
Gliederung komplexer Anlagen in autonome Teilanlagen.
Abb. 2: Sterntopologie
Abb. 1: Einordnung der PROFInet-Richtlinie
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InO = Industrial Outlet
PMD = PROFInet Machine Distributor
MD = Machine Distributor
Abb. 3: Baumtopologie
Abb. 4: Linienstruktur
LINIENTOPOLOGIE
VERKABELUNG MIT SYMMETRISCHEM KUPFERKABEL
Realisiert werden kann die Linienstruktur durch einen Switch
Die Signalübertragung über symmetrische Kupferkabel erfolgt
in der Nähe des anzuschließenden Endgeräts oder durch einen
nach 100 BASE-TX mit einer Übertragungsgeschwindigkeit
in das Endgerät integrierten Switch. Die Linienstruktur findet
von 100 MBit/s (Fast-Ethernet). Übertragungsmedium ist ein
bevorzugt Anwendung in Anlagen mit weitläufiger Struktur, z. B.
2-paariges, verdrilltes und geschirmtes Kupferkabel (Twisted
Fördersysteme, und zur Verbindung von Fertigungszellen.
Pair oder Sternvierer) mit einem Wellenwiderstand von 100 Ω.
Bei PROFInet sind ausschließlich geschirmte Kabel und Verbin-
RINGTOPOLOGIE (REDUNDANZ)
dungselemente zugelassen. Die einzelnen Komponenten müssen
Schließt man die Enden einer Linie durch eine zusätzliche Verbin-
die Anforderung der Category 5 und die gesamte Übertragungs-
dung, ergibt sich eine Ringstruktur. Eine einfache Unterbrechung
strecke die Anforderungen der Klasse D entsprechend ISO/IEC
der Linie an einer beliebigen Stelle hat keinerlei Auswirkungen
11801 erfüllen.
auf die Funktion des Systems. Ringtopologien werden deshalb
in Anlagen mit erhöhten Verfügbarkeitsanforderungen zum
Schutz vor Leitungsbruch oder Ausfall einer Netzkomponente
eingesetzt. Alle vorgestellten Topologien lassen sich sowohl mit
Kupferverkabelung als auch mit Lichtwellenleiter realisieren und
für PROFInet nutzen.
KABEL UND VERKABELUNG
Im Produktionsbereich ist die Kommunikationsverkabelung
meist an die Lebensdauer der Anlage oder Maschine gebunden.
Im Gegensatz zu einer in der ISO/IEC 11801 beschriebenen anwendungsneutralen Gebäudeverkabelung mit Patchfeldern und
Wanddosen ist die Verkabelung im Produktionsbereich durch die
Abb. 5: Ringtopologie
Anlage oder Maschine geprägt und damit anlagenspezifisch. Die
Verkabelung im Produktionsbereich ist durchgängig in das Gebäudenetzwerk einbezogen. Eine Übergabe der tertiären Verkabelung nach ISO/IES 11801 findet am Industrial Outlet statt. Direkte
Verbindungen zwischen Endgerät und Netzkomponente (PMD)
reduzieren Kosten und Fehlerquellen bei der Installation. Dies gilt
in besonderem Maße für Lichtwellenleiterverbindungen.
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Lösbare Verbindungen werden mit Hilfe des RJ 45- bzw. M12-
sind zwei Ausführungen, die Cu/LWL-Ausführung (2 optische
Steckverbindungssystems hergestellt. Die Geräteanschlüsse
Fasern für Datenübertragung, 4 Adern für Energieübertragung)
und informationstechnischen Anschlüsse sind als Buchse aus-
und die Cu/Cu-Ausführung (4 Adern für Datenübertragung,
geführt. Die Verbindungskabel (Geräteanschlusskabel, Rangier-
4 Adern für Energieübertragung) zulässig.
kabel) sind entsprechend beidseitig mit Steckern versehen. Alle
Geräte werden über eine aktive Netzkomponente angeschlossen.
VERKABELUNG MIT LICHTWELLENLEITER
Um eine möglichst einfache Installation zu gewährleisten, ist
PROFInet kann auch mit Multimode- oder Singlemode-Licht-
das Übertragungskabel als beidseitig gleich definiert. Diese
wellenleiterstrecken betrieben werden. Die Signalübertragung
Verbindungsleitung erfüllt damit die Funktion der aus dem Büro
erfolgt über 2-faserige Lichtwellenleiter (LWL) nach 100 BASE-
bekannten Patchleitung.
FX mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 100 MBit/s.
Die optischen Schnittstellen von PROFInet-Geräten entsprechen
Alle verwendeten symmetrischen Kupferkabel müssen die in
den Normen ISO/IEC 9314-3 (Multimode) bzw. ISO/IEC 9314-4
Tabelle 1 aufgeführten Parameter aufweisen.
(Singlemode). Für Anwendungen außerhalb des Schaltschranks
ist der Außenmantel, wie bei den Twisted Pair-Leitungen auch,
an die jeweiligen Anforderungen am Einsatzort (mechanisch,
VERKABELUNG MIT HYBRIDKABEL
Da die Teilnehmer in der Feldebene neben den Daten häufig auch
chemisch, thermisch) angepasst. Lichtwellenleiter erlauben
mit 24 Volt versorgt werden müssen, bietet sich dort eine hybride
größere Netzausdehnungen als symmetrische Kupferkabel und
Verkabelungsstruktur an. Hybridkabel enthalten gleichzeitig Lei-
sind unempfindlich gegen elektromagnetische Beeinflussung.
ter für die Signal- und für die Energieübertragung. Bei PROFInet
KABELTYP
EINSATZART A
EINSATZART B
Datenleitung
AUSFÜHRUNG
VERLEGEART
fest, keine Bewegung nach
der Installation
hochflexibel, permanente
Bewegung (Schleppkette oder
Torsion usw.), Sonderanwendungen
1,4 +/- 0,2 mm
AWG 22 / 1
AWG 22 / 7
AWG 22
grün RAL 6018
MANTELFARBE
blau, gelb, weiß, orange
ADERKENNZEICHNUNG
4
ANZAHL DER ADERN
2 Paare / 1 Sternvierer
VERSEILUNG
MANTELBESCHRIFTUNG
flexibel, gelegentliche
Bewegung oder Vibration
5,5 – 8,0 mm
AUSSENDURCHMESSER
ADERDURCHMESSER
LEITERQUERSCHNITT
EINSATZART C
PROFInet Typ A
PROFInet Typ B
PROFInet Typ C
Schirmfolie + Geflecht verzinnt, Bedeckung > 75 %
SCHIRMUNG
RJ 45 (IP 20 oder IP 67) oder M12
FÜR STECKERTYP
50 N
MINDESTZUGBELASTBARKEIT
- 20 °C bis + 70 °C
TEMPERATUR
BIEGERADIEN
während Verlegung 8 x d,
installiert 4 x d
ÜBERTRAGUNGSEIGENSCHAFTEN
EN 50 288 / 2 / 1 bzw. / 2
ÜBERTRAGUNGSLÄNGE
100 m
einmalig 6 x d,
mehrmalig 15 x d
Tabelle 1: Kabelspezifikation symmetrische Kupferkabel
14
„INNERHALB“
„AUSSERHALB“
EINSATZBEREICH
(BEISPIELE)
Warten, Elektronikräume, Schaltschränke
Fertigungs- und Feldbereiche
(Messumformer, Stellantriebe, Außenanlagen)
VERSCHMUTZUNGSGRAD
IEC 625-1 grade 2 (VDE 0110)
IEC 625-1 grade 3 (VDE 0110)
IP-SCHUTZART
IP 20
min. IP 65 + IP 67
SCHOCK
IEC 60512-4, test 6c
20 g / 11 ms 3 pro Achse beide Richtungen
IEC 60512-4, test 6c
20 g / 11 ms 3 pro Achse beide Richtungen
VIBRATION
10-500 HZ
IEC 60512-4, test 6d
0,35 mm oder 5 g
IEC 60512-4, test 6d
0,35 mm oder 5 g
BETRIEBS-TEMPERATURBEREICH
0 … +60 °C
-20 … +70 °C
Tabelle 2: Umgebungs-Anforderungen an PROFInet-Verbindungstechnik
STECKVERBINDER FÜR INDUSTRIAL ETHERNET
STECKVERBINDER AUSSERHALB DES
Die Anforderungen an Steckverbinder unterscheiden sich je nach
SCHALTSCHRANKBEREICHS
Einsatzort erheblich. Daher ist eine Differenzierung notwendig,
Steckverbinder außerhalb des Schaltschranks müssen den An-
die zu Steckverbindern mit unterschiedlichen IP-Klassen führt.
sprüchen der Industrie in besonderem Maße Rechnung tragen.
Innerhalb des Schaltschranks ist IP 20 ausreichend, außerhalb
Hier kommen die Typen RJ 45 in IP 65 oder IP 67 oder der Typ
dagegen IP 65 oder IP 67 angebracht.
M12 zum Einsatz.
PROFInet sieht für jeden Anwendungsfall den passenden Stecker
RJ 45-STECKVERBINDER
vor. Geräte, die nur für den Einsatz innerhalb des Schaltschranks
Die eingesetzten RJ 45-kompatiblen IP 67-Steckverbinder werden
vorgesehen sind, werden bei PROFInet immer mit dem RJ 45-
in der Norm CONNECTORS FOR ELECTRONIC EQUIPMENT IEC
Steckgesicht ausgerüstet. Für Feldgeräte besteht die Möglichkeit,
61076 Part 3-106: 8 way connectors for industrial environments
in Abhängigkeit der Applikation entweder eine RJ 45- oder eine
Industrial RJ 45 Variant 04 beschrieben. Als RJ 45-Kompatibili-
M12-basierte Lösung einzusetzen. Für beide Steckverbinder
tät ist definiert, dass die Kontaktgeometrie das Stecken und die
wird die einfache Vor-Ort-Konfektion gefordert. Denn im Pro-
Funktion einer Standard RJ 45-Stiftseite (Plug) in Verbindung
duktionsumfeld ist oftmals die Konfektion eines Verbindungs-
mit einer hier spezifizierten Buchse (Jack) gewährleistet. Das
kabels in der Applikation notwendig.
Büro-Patchkabel muss in jedem Fall steckbar sein, wodurch eine
Rückwärtskompatibilität zur Büroausstattung sichergestellt ist.
STECKVERBINDER FÜR SCHALTSCHRANK-
Der RJ 45 für PROFInet basiert auf einem für die industrielle
UMWELTBEDINGUNGEN
Applikation neu entwickelten RJ 45. Dieser befindet sich inner-
Im Schaltschrankbereich ist der RJ 45 in IP 20 die eindeutig
halb eines robusten Gehäuses mit Push Pull-Verriegelung. Der
definierte Schnittstelle. Die Auswahl der RJ 45-Steckverbinder-
Kabelschirm wird innerhalb des Gehäuses aufgelegt.
produkte erfolgt nach den Kriterien industrieller Maschinen und
Anlagen. Hier empfiehlt sich der Einsatz von Steckverbindern mit
gegenüber dem Büro veränderter technischer Spezifikation (Spannungsfestigkeit, Anschlusstechnik etc.). Steckverbinder, die diese
Anforderungen erfüllen, sind entsprechend gekennzeichnet.
Abb. 6: RJ 45 in IP 20 mit Industrieperformance
15
Dr. Peter Wenzel
DURCHGÄNGIGE KOMMUNIKATION
MIT PROFINET UND PROFIBUS
Die Profibus-Nutzerorganisation (PNO) wurde ursprünglich
Es steht außer Frage, dass Ethernet zunehmend in die Feldebene
durch Unternehmen gegründet, um das Hersteller neutrale
vordringt. Typische Randbedingungen von Automatisierungsan-
offene industrielle Kommunikationssystem Profibus gemäß den
wendungen, wie Determinismus, werden aber heute allein durch
Anforderungen des Marktes zu entwickeln und zu verbreiten.
Feldbusse – wie Profibus – erfüllt. Ethernet in Verbindung mit
Grundlage für die Entwicklung sind Anwenderforderungen so-
TCP/IP erfüllt sie heute nicht. Aber auch einfache Anschluss- und
wie Trends im Automatisierungsbereich. Viele Anwender fordern
Installationstechnik, niedrige Anschlusskosten und eine einfa-
heute eine durchgängige Kommunikation von der Feldebene bis
che Austauschbarkeit defekter Geräte im Feld sind relevant für
hin zur Unternehmensleitebene. Darüber hinaus wird ein Zugang
den Erfolg. Die Automatisierungstechnik wird im Wesentlichen
über das Internet gewünscht, um remote Engineeringmaßnahmen
davon profitieren, dass akzeptierte und bewährte IT-Standards
durchführen zu können. Um den Mitgliedern einen wirtschaft-
(wie Web-Technologien, Netzwerk-Management-Lösungen) kos-
lichen Fortbestand auf lange Sicht zu sichern, hat die Profibus
tengünstig übernommen werden können. PROFInet stellt hierfür
Nutzerorganisation das ethernetbasierte industrielle Kommu-
Lösungen zur Verfügung.
nikationssystem PROFInet entwickelt. PROFInet erfüllt diese
Anwenderforderungen.
Es ist zu erwarten, dass Feldbusse und Ethernet auf lange Sicht
hin in Automatisierungssystemen ein symbiotisches Zusammen-
Die erfolgreiche Arbeit der Profibus-Nutzerorganisation, durch
leben führen werden. Darauf sind Profibus und PROFInet bestens
die die heutige Profibus-Technologie entstanden ist, setzt bei
ausgerichtet.
der Entwicklung von PROFInet auf Randbedingungen auf, die
Organisationen ohne vergleichbare Vorgeschichte nicht kennen.
Anwender fordern unmissverständlich, dass bestehende Anlagen bei Erweiterungen nahtlos integriert werden können. Die
Entwicklung von PROFInet wurde deshalb ganz besonders auf
Dr. Peter Wenzel
Geschäftsführer Technik
Profibus-Nutzerorganisation
[email protected]
die Forderung nach Investitionsschutz für Anlagenbetreiber und
Gerätehersteller hin ausgerichtet. Dies stellt auf den ersten Blick
eine Einschränkung der Freiheitsgrade bei der Ausgestaltung dar.
Die Geschichte zeigt aber, dass der Erfolg einer neuen Technologie
im Investitionsgüterbereich stark davon abhängt, in welchem Maß
existierende Systeme nahtlos integriert werden können. Die Aufgabe besteht darin, PROFInet so zu konzipieren, dass eine leichte
Integration bereits installierter Profibus-Systeme in PROFInet
möglich ist. Diese wichtige Forderung nach Investitionsschutz
erfüllt PROFInet durch die PROXY-Technologie. PROFInet setzt
damit auf eine Verbindung Feldbus/Ethernet.
16
M12-STECKVERBINDER
STECKVERBINDER FÜR HYBRIDKABEL
Im Feldgeräteeinsatz erfolgen Verbindungen zwischen Übertra-
Der hybride Steckverbinder wird dort eingesetzt, wo dezentrale
gungsleitungen und Gerät bzw. Übertragungsleitungen unterein-
Feldbaugruppen über einen kombinierten Steckverbinder mit
ander standardmäßig mit einem 4-poligen M12-Steckverbin-
Daten und Versorgungsspannung verbunden werden sollen. Die
dersystem. Dieses Steckverbindersystem ist in IEC 60947-5-2
eingesetzten RJ 45-kompatiblen IP 67-Steckverbinder werden in
und IEC 61076-2-101 beschrieben. Geräte sind mit der Buchse,
folgender Norm beschrieben: CONNECTORS FOR ELECTRONIC
Anschluss- und Übertragungsleitungen mit Stiftsteckern ausge-
EQUIPMENT IEC 61076 Part 3-106: 8 way connectors for indus-
rüstet. Abweichend von den vorgenannten Normen wird der Pin
trial environments Industrial RJ 45 Variant 05.
5 nicht verwendet. Um ein Fehlstecken zu verhindern, wird die
D-Kodierung eingesetzt, wie sie vom DKE für Industrial Ethernet
STECKVERBINDER FÜR LICHTWELLENLEITER
in die Norm IEC 61076-2-101 eingebracht wird. Durch die
Die Verbindung von Lichtwellenleitern mit Geräten bzw. Lichtwel-
Auswahl dieses M12-Typs sind Vertauschungen mit Profibus-
lenleitern untereinander erfolgt nach ISO/IEC 11801 bei neuen
Leitungen sowie Sensor-/Aktorleitungen ausgeschlossen.
Einrichtungen vorzugsweise mit dem Duplex-SC-Steckverbindersystem. Dieses Steckverbindersystem ist in IEC 60874-14
beschrieben. Geräte sind mit der Buchse, Anschlusskabel mit
dem Stecker ausgerüstet. Alternativ kann der LWL-Steckverbinder BFOC/2,5 nach IEC 60874-10 eingesetzt werden. Ein wesentliches Kriterium für die industrielle Verwendbarkeit besteht in
der Beherrschbarkeit der Anschlusstechnik auch vor Ort. Hierzu
stehen entsprechende Ausführungen sowohl für M12 wie auch
für RJ 45 zur Verfügung. Diese Steckverbinder sind mit Standardwerkzeugen einfach vor Ort konfektionierbar.
ZUSAMMENFASSUNG
Die PROFInet-Verkabelung in der Feldebene wird wie beschrieben
durch einen Steckverbinderansatz ergänzt. Dieser Ansatz ermöglicht die Installation von Verbindungsleitungen nach Regeln, ohne
Abb. 7: M12 für PROFInet
eine spezielle Berechnung der Übertragungsstrecke durchführen
zu müssen. Basis einer solchen, für den Anwender vereinfachten
Installation ist aber die Vorgabe wesentlicher Grundparameter
für das Kabel und den Steckverbinder. Bei PROFInet sind Kabel,
Steckverbinder und Netzkomponenten eindeutig festgelegt. Durch
PROFInet wird Ethernet auch in der Industrie nutzbar.
Andreas van Eckendonk
Technical Development Manager
Profibus-Nutzerorganisation
[email protected]
Abb. 8: Hybridsteckverbinder für PROFInet
Andreas Huhmann
Market Manager Industry
[email protected]
17
tec.
T o p t h e m a
18
NETZWERKE
Claus Kleedörfer
Zeitverhalten und Vorteile von Switch-Based
Ethernet Networks
Die Technologiegruppe harting übernimmt auf dem Gebiet
Hauptursache für das Auftreten von Kollisionen in Ethernet-Netz-
des Industrial Ethernet eine Schlüsselrolle zum Thema Ver-
werken ist die gleichzeitige Übertragung in Verbindung mit der
bindungstechnik. Dem Unternehmen kommt dabei seine
propagation delay time (Laufzeit) der Signale auf dem Übertra-
genaue Kenntnis von speziellen Themenstellungen wie dem
gungsmedium. Zu dem Zeitpunkt, an dem ein Netzwerkknoten
allgemeinen Zeitverhalten von Ethernet oder der Kollisions-
den Zustand des physical layers überprüft, kann eine Information,
problematik zugute. Es ist hierbei hilfreich, sich noch einmal
abgesetzt von einem anderen Netzwerkknoten, bereits „auf dem
die Ethernet-Historie zu vergegenwärtigen. Die Vorteile de-
Weg“ sein, an dem prüfenden Netzwerkknoten ist dieses Signal
zentraler Switch-Komponenten allerdings können erst durch
jedoch noch nicht angekommen. Der Ethernet-Standard definiert
die langjährige Erfahrung im Industriebereich genutzt wer-
eine propagation delay time von maximal 25,6 µs, d.h. eine Kolli-
den.
sion ereignet sich maximal 25,6 µs, nachdem ein Netzwerkknoten
Als Ethernet Mitte der siebziger Jahre von Dr. Robert Metcalfe
Zeitspanne als Signalrücklaufzeit benötigt, so dass der sendende
den Datentransfer gestartet hat. Ist dies der Fall, wird die gleiche
erfunden wurde, basierte die Kommunikation auf dem Physical
Netzwerkknoten eine Kollision spätestens nach 51,2 µs erkennt.
Layer auf Koaxial-Kabeln. Steigende technische Anforderungen
Unter Berücksichtigung der typischen Signal-Laufzeitverzöge-
in Bezug auf Datenrate und Netzwerktopologien führten zu einer
rung von 5 ns/m und den unvermeidbaren Verzögerungszeiten
stetigen Evolution der Übertragungsphysik. Heute ist Shielded
in den aktiven Netzkomponenten definiert die ISO/IEC 8802-3
Twisted Pair, STP (geschirmte Zweidrahtleitung) das bevorzugte
eine maximale Netzausdehnung von 2500 m.
Übertragungsmedium.
UNTERSCHIED
Gleich geblieben ist das Zugriffsverfahren, durch das der Daten-
Unter kritischer Betrachtung obiger Charakteristika von Ether-
austausch über diese Leitungen geregelt ist, d.h. die Prozedur, die
net-Netzwerken fällt auf, dass durch die Kollisionsproblematik
definiert, wie die Daten dem Übertragungsmedium aufgeprägt
der Sender eines Datentelegramms nicht immer zeitlich genau
werden: CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision
definieren kann, wann dieses Telegramm den Empfänger erreicht.
Detection: Besteht in einem Ethernet-Knoten der Wunsch, Daten
Dies ist bei Büroapplikationen nebensächlich, da es beispielsweise
auszutauschen, beispielsweise das Absenden einer E-Mail, über-
unwesentlich ist, ob eine E-Mail zwei Sekunden früher oder spä-
prüft der Ethernet-Controller, ob gegenwärtig Datenverkehr auf
ter den Empfänger erreicht. In industriellen Applikationen muss
der Leitung herrscht (carrier sense CS). Ist das Ergebnis dieser
jedoch in der Regel sehr genau definiert sein, wann mit einer
Prüfung negativ, startet dieser Knoten mit der Übertragungsse-
Aktion auf ein Ereignis gerechnet werden kann, zum einen um
quenz. Während dieser Sequenz kontrolliert der Knoten ständig,
den laufenden Prozess nicht negativ zu beeinflussen. Der weitaus
ob in diesem Zeitrahmen ein weiterer Ethernet-Teilnehmer eine
wichtigere Grund ist jedoch die Sicherheit des Vorganges.
Datenübertragung gestartet hat und somit Daten kollidieren und
zerstört werden.
In diesem Zusammenhang wird ein vorherbestimmbares Zeitverhalten von Netzwerken mit Determinismus oder Real Time,
Eine Kollision kann ebenfalls vorkommen, wenn zwei Netzwerk-
deutsch Echtzeit, beschrieben. Real Time bedeutet dabei, dass in
knoten zur selben Zeit mit der Datenübertragung beginnen, mit
einer Applikation garantiert ist, dass der Sender einer Nachricht
dem gleichen Ergebnis, dass das Datentelegramm unbrauchbar
eine Anwort auf diese innerhalb einer definierten Zeitspanne
wird. Alle an dieser Datenkollision beteiligten Netzwerkteilneh-
erhält. Die wichtigen Worte sind dabei: garantiert, innerhalb
mer senden bei Erkennen der Kollision ein Kollisionssignal zu
und definiert. Somit bedeutet Real Time nicht eine spezifische
deren Signalisierung. Nach dem Erhalt des Kollisionssignals
sondern eine der Applikation angemessene Zeit. Bei anspruchs-
warten diese Teilnehmer für die Dauer einer zufällig generierten
vollen Applikationen, bei denen beispielsweise Antriebe synchron
Zeitspanne, bevor sie erneut versuchen, die Daten zu senden.
betrieben werden, ist eine Genauigkeit der Synchronisierung
Der Durchschnittswert dieser Zeitspanne hängt von der Anzahl
von besser als 1 µs bei Zykluszeiten von einigen hundert Mikro-
der direkt aufeinanderfolgenden Kollisionen ab. Das heißt, dass
sekunden notwendig.
Stationen, die in einer bestimmten Zeitperiode in weniger Kollisionsereignisse verwickelt waren, eine höhere Wahrscheinlichkeit
Aktuelle STP-basierte Ethernet-Netzwerke sind in Sternstruktu-
zugebilligt bekommen, das Netzwerk zu belegen.
ren aufgebaut. Zur Vernetzung von mehreren Teilnehmern sind
20
aktive Netzwerkkomponenten notwendig, die gebräuchlichsten
Dieser Konflikt kann durch den Einsatz von Netzwerkkomponen-
sind dabei Hubs und Switches. Hubs sind dabei der zentrale
ten in hoher Schutzart gelöst werden. Das robuste Gehäuse kann
Datenverteilpunkt, der Daten, die an einem Port empfangen
an einem dezentralen, aus Installationsgesichtspunkten optima-
werden, parallel an die restlichen Ports des Hubs weitergibt.
len Punkt installiert werden. Mit dieser Struktur werden die
Durch diese Funktionalität stellen Hub-basierte Netzwerke eine
Applikationsnetzwerkkomponenten mit kurzen Leitungen mit dem
einzelne Kollisionsdomäne dar. Aus diesem Grund werden Hubs
Switch verbunden und die einzige lange Verbindung führt zu der
in industriellen Netzwerken nur dort verwendet, wo keine hohen
zentralen Steuerung im Schaltschrank. Diese optimierte Struktur
Real-Time-Anforderungen bestehen oder zusätzliche temporär
hat für den Anwender den Vorteil, dass die Installationszeit und
genutzte Ports, beispielsweise zum Verbinden eines Service-
die Kosten für die Verkabelung reduziert werden. Außerdem ist
Laptops, benötigt werden.
der zentrale Schaltschrank entsprechend kleiner dimensioniert
und die Wartung kann wesentlich vereinfacht werden.
Die bevorzugten Komponenten in industriellen Netzwerken sind
Switches. Sie besitzen eine interne Architektur, die es gestat-
Das industrielle Netzwerkkomponenten-Portfolio von harting un-
tet, gleichzeitig mehrere Übertragungswege zu eröffnen – im
terstützt mit Switches in unterschiedlichen Ausführungen und
weitesten Sinne vergleichbar der Struktur eines Telefonnetzes.
passiven Infrastrukturkomponenten mit innovativen Interfaces
Dadurch ist gewährleistet, dass die angeschlossenen Netzkom-
wie harting RJ Industrial® diese optimierten dezentralen Struktu-
ponenten nicht mehr länger die verfügbare Bandbreite teilen
ren und bietet somit maximalen Anwendernutzen im industriellen
müssen, wodurch sich der Datendurchsatz signifikant erhöht.
Umfeld.
Switches inspizieren dafür den Header eines eingehenden
Datentelegramms nach der Zieladresse und leiten dann dieses
Telegramm an den Port weiter, an den der Teilnehmer mit dieser
Adresse angeschlossen ist.
Diese Zuordnung erfolgt bereits während der Netzwerkinitialisierungsphase, während der ein Switch die empfangenen Datentelegramme nach der Quelladresse analysiert, diese in einer Tabelle
speichert, die diese Adresse dem Empfangsport zuordnet. Durch
die Implementierung von Speicherbausteinen ist gewährleistet,
dass Datenpakete solange zwischengespeichert werden, bis der
Sendeport frei ist. Mit dieser Struktur werden Kollisionen vermieden und deterministische Netzwerke aufgebaut.
ANSÄTZE VON HARTING
Ethernet wird in der industriellen Umgebung zunehmend
auch als Ersatz für die klassischen Feldbussysteme eingesetzt.
Überwiegend werden zur Zeit adaptierte Büro-Komponenten
verwendet. Diese Produkte haben keinen besonderen Schutz
gegen Umgebungseinflüsse und werden deshalb meist in den
zentralen Schaltschränken montiert. Durch die dabei notwendige
Sternstruktur sind die durch die Feldbussysteme erzielten Einsparungen im Verdrahtungsaufwand nicht mehr gültig, da dieser
Aufbau eine kurze Verbindung von der zentralen Steuerung zum
Switch und mehrere lange Verbindungen zu den jeweiligen Netz-
Claus Kleedörfer
Abteilungsleiter Strategische Märkte
HARTING Electric GmbH & Co. KG
[email protected]
teilnehmern notwendig macht.
21
tec.
T o p t h e m a
STANDARDS
Gerd Weking
Internationale Normen zur Verkabelung
von Industriekomplexen –
Normung von Datensteckverbindern für
Industrieanwendungen
Die anwendungsneutrale Verkabelung nach ISO/IEC 11801 sowie EN 50173 wird heute weltweit
in Bürogebäuden eingesetzt. Bereits 1991 wurde durch den amerikanischen Standard EIA/TIA
568 diese Entwicklung eingeleitet. Damals wurden die Anforderungen an die Verkabelung
bis 16 MHz spezifiziert. Durch ISO/IEC JTC1 SC25 und CENELEC TC 215 wurden 1995 die
internationalen Normen ISO/IEC 11801 und EN 50173 in enger Abstimmung beider Gremien
veröffentlicht. Die Definition von Kategorien und Klassen wurde eingeführt.
Die Anforderungen an die Komponenten wurden in „Kategorien“ und die an die installierten Übertragungsstrecken in „Klassen“ eingeteilt. Dieser Ansatz erlaubt es, mit Komponenten einer bestimmten
Kategorie, unter Einhaltung der Längenrestriktion von 100 m eine entsprechende Übertragungsstrecken-Klasse zu erreichen. Durch Verwendung symmetrischer Datenkabel (twisted pair) konnte
die obere Grenzfrequenz für die installierte Übertragungsstrecke auf 100 MHz erweitert werden.
Festlegungen der ISO/IEC 11801 fanden Eingang in die zweite Ausgabe des amerikanischen Standards TIA/EIA-568-A.
Für die kupferbasierende Datenübertragung entstand 1997 der Standard IEEE 802.3ab (1000BaseT).
Dieser sieht die bidirektionale Übertragung über 4 Adernpaare vor. Der Betrieb sollte über bestehende
Anlagen der amerikanischen Category 5 möglich sein. Dabei spielen aber weitere Parameter der Übertragungsstrecke eine Rolle, die im bestehenden Standard nicht berücksichtigt waren. Diese Parameter
wurden in Amerika als neue Category 5e nachspezifiziert. Dabei erhöhte man die Anforderungen an
das NEXT (Nahnebensprechen) um 3 dB und konnte damit eine zuverlässige Übertragung sicher stellen. Die erweiterten Anforderungen wurden durch ISO/IEC JTC1 SC25 in die 2. Edition der
ISO/IEC 11801:2002 und durch CENELEC TC 215 in EN 50173-1:2002 aufgenommen. Damit entsprechen beide Dokumente mit ihren Kategorien 5 der amerikanischen Category 5e.
ANWENDUNGSNEUTRALE STRUKTURIERTE VERKABELUNG IM INDUSTRIEKOMPLEX
Anwendung und Technologie der strukturierten Verkabelung von Bürogebäuden sind soweit eingeführt und gereift, dass heute neue Standardisierungsarbeiten begonnen werden, um den Erfolg aus
der Bürowelt in die Industrieumgebung zu übertragen. Unter Berücksichtigung der Besonderheiten
des Betriebes sollen dadurch folgende Vorteile auch in Industriekomplexen genutzt werden:
23
MERKMALE
PNO
IAONA
ODVA
LEITERQUERSCHNITT
AWG 22
Permanent cabling AWG 22 /24
Flexible cabling AWG 24 / 26
AWG 24
SCHIRMUNG
Ja, zwingend
Ja, zwingend
Ja, ungeschirmt ist
zulässig
STECKVERBINDER FÜR DEN
IP 67-BEREICH
IEC 61076-3-106 Variante
04 oder M12 4pol. mit
D-Kodierung
M12 4polig mit B-Kodierung
oder kompatibel zu RJ 45
IEC 61076-3-106
Variante 01
OPTIONALE MITGEFÜHRTE
ENERGIEVERSORGUNG
Durch hybride Kabel und
Steckverbinder nach IEC
61076-3-106 Variante 05
Über die Datenleitung:
(Power via MDI nach
IEEE Draft 802.3af)
· Integration der Produktion in das Unternehmensnetzwerk,
JTC 1 SC 25 WG3 – „Customer Premises Cabling“ eine neue
· ein offener Markt für Kabel und Komponenten und
Arbeitsgruppe „Industrial Premises Task Group“ gegründet.
· Unterstützung der modularen Fabrik mit schneller und wirt-
schaftlicher Anpassung zur flexiblen Nutzung.
Die erste Sitzung fand im Dezember 2002 in Deutschland
statt, Vertreter aller interessierten Gruppen waren anwesend.
Von internationalen Konsortien wie der Profibus-Nutzerorga-
Die Abgrenzung zu anderen laufenden Arbeiten wurde her-
nisation (PNO) mit 1100 Mitgliedsfirmen, der IAONA mit 130
ausgearbeitet. Normen im Bereich der Maschine fallen in die
Firmen und in USA der ODVA mit über 300 Mitgliedsfirmen sind
Zuständigkeit von IEC TC 65. Die Arbeiten wurden strukturiert,
Anforderungsprofile erarbeitet worden. Da diese Konsortien kei-
die künftigen Kapitel in Anlehnung an ISO/IEC 11801 festgelegt
nen nationalen oder internationalen Auftrag zur Normung haben,
und Autoren benannt.
sind ihre Dokumente zwar stark beachtete Empfehlungen, aber
keine „echten“ Normen.
Die wesentlichen Merkmale im Vergleich zu Büroanwendungen
(Customer Premises Cabling) betreffen
In Europa wurde die Normung zur strukturierten Verkabelung
von Industriekomplexen durch CENELEC TC 215 WG1 PTIP und in
a) den strukturellen Aufbau:
USA durch TIA/EIA TR-42.9 sowie IEEE begonnen, erste Arbeits-
· Campus und Building Backbone bleiben wie in ISO/IEC 11801.
papiere wurden vorgelegt; technische und normungsrelevante,
· Gegenüber der Bürowelt mit der üblichen Baum- und Sternstruk-
aber auch industriepolitische Unterschiede zwischen USA und
tur sind im industriellen Bereich Linien- und Ringstrukturen zu
Europa werden darin deutlich. Die technischen Abweichungen
berücksichtigen.
(siehe Tabelle) in den Dokumenten der Nutzerorganisationen kön-
· Die Übertragungsmedien sind:
nen als Startaufstellung der Interessengruppen für die Normung
- Cu-Kabel geschirmt Category 5 (UTP)
betrachtet werden. Zur Vermeidung von Fehlentwicklungen, die
- Lichtwellenleiterkabel mit HCS- oder POF-Faser.
zu Handelsbarrieren führen, ist eine weltweite Harmonisierung
· Das Horizontal Cabling Subsystem wird in Floor Backbone und
Apparatus Cabling Subsystem aufgeteilt.
dringend geboten. Aus dieser Erkenntnis wurde unter ISO/IEC
UMWELTBEDINGUNG
ART
Vibration Temperatur Feuchte Radioaktivität EM-Felder
CHEMIEANLAGEN
X
AUTOMOBIL- & MASCHINENBAU
X
-
-
-
X
KRAFTWERKE / NUCLEAR POWER
X
X
X
X
X
ELECTRONIC PRODUCTION
X
-
-
-
X
X
-
STAHLPRODUKTION
X
X
X
-
X
24
X
X
-
X
Aggressive
Öl
Flüssigkeiten
X
Gas
H2S/SO2
X
X
X
X
-
X
X
-
· Der Consolidation Point aus der Bürowelt entfällt, stattdessen
wird der Intermediate/Industrial Distributor eingeführt.
IEC 61076-3-106 enthält verschiedene Gehäusevarianten für
raue Umgebungsbedingungen, in die RJ 45-Steckverbinderein-
· Die anwendungsneutrale Verkabelung endet an der Schnittstelle
sätze, geschirmt oder ungeschirmt, für 100, 250 oder 600 MHz
zur Anwendung (Büroarbeitsplatz oder im industriellen Umfeld
einsetzbar sind. Die Gehäusevarianten unterscheiden sich durch
der Maschine). Die Bezeichnung der Schnittstelle ist noch in
Form (Rund- oder Rechtecksteckverbinder), Verriegelungsvor-
Diskussion, Arbeitstitel ist TO wie in ISO/IEC 11801; andere
richtungen (Schraub-, Bajonett-, Rasthebel-, Push Pull-Verrie-
Vorschläge sind Apparatus, Terminal oder Industrial Outlet.
gelung) und besondere Eigenschaften. Die Varianten sind nicht
steckkompatibel.
b) die Zuverlässigkeit und Umweltbedingungen:
· Anforderungen an Zuverlässigkeit: neben Sprache und konventio-
IEC 61076-2-101: Der Rundsteckverbinder M12 ist in der Feldbus-
neller Datenübertragung müssen Prozesssteuerungen und Rege-
ebene in vielen Anwendungen für raue Umgebungsbedingungen
lungen unter allen Betriebsbedingungen sicher funktionieren.
eingeführt. Die übertragungstechnische Weiterentwicklung von
· Erhöhte Umweltanforderungen in unterschiedlichen Industrie-
bereichen.
· Umweltanforderungen durch unterschiedliche Einbaubedin-
gungen:
modifizierten 4- und 8-poligen M12-Steckverbindertypen auf 100
MHz, gemäß den Anforderungen nach Category 5, wird diskutiert.
Die Normung soll durch eine Ergänzung zu IEC 61076-2-101 eingeleitet werden.
- geschützter Innenbereich (light duty, IP 20, Temperaturbereich 0 bis 60 °C)
- ungeschützter Außenbereich (heavy duty, IP 67, Temperaturbereich -20 bis +70 °C)
Für die 8-polige Ausführung wird nach heutiger Erkenntnis
die 100 MHz-Forderung nicht eingehalten. Die strukturierte
Industrieverkabelung soll mit vier differenziellen Datenleitungen
aufgebaut werden, damit würde am „Industrial Outlet“ nur ein
Die Performance-Klassen von Installation und Komponenten
8-poliger Steckverbinder eingesetzt werden können, obwohl die
werden als MICE-Konzept mit den folgenden vier Anforderungs-
Weiterführung in die Anwendungsebene (Maschine/Feldbus) auf
merkmalen diskutiert:
zwei differenziellen Leitungen erfolgt.
- Mechanisch
- Dichtigkeit / IP Rating
ZUSAMMENFASSUNG
- Klimatisch / Climatic
Die Arbeiten zur Erstellung einer Norm für die strukturierte
- Elektromagnetisch
Verkabelung von Industrieobjekten sind begonnen und sollen
zügig vorangebracht werden. Ein Steckverbinder für die indus-
STECKVERBINDERNORMUNG
trielle Schnittstelle zwischen Verkabelung und Maschine ist noch
Elektrische Steckverbinder werden in der IEC im Sub-Komitee
nicht festgelegt und die Einigung wird aus heutiger Sicht sehr
SC 48B auf Anforderung und nach Vorgabe durch die System-/
schwierig.
Gerätenormung, wie zum Beispiel durch das oben beschriebene
Fachgebiet Industrial Premises Cabling, genormt. Unterschied-
Die Steckverbinderindustrie hat bereits Lösungen für die Indus-
liche Anwendungen führen zu unterschiedlichen Varianten,
triekommunikation entwickelt und parallel hat IEC SC 48B unter
wobei die Steckverbindernormung versucht, die Variantenanzahl
maßgeblicher Beteiligung von harting mit der Normung von
gering zu halten und andererseits ein einheitliches abgestuftes
Steckverbindern für die industrielle Kommunikation begonnen.
Anforderungsprofil/Prüfprogramm für Varianten festzulegen.
Bis ein umfassender Konsens zur industriellen Verkabelung und
zu den Steckverbinderanforderungen erreicht ist, wird sicher
In den oben geschriebenen Veröffentlichungen der PNO, IAONA
noch eine Menge Pulver verschossen.
und ODVA werden aktuell zwei Steckverbinderfamilien für die
industrielle Kommunikationsstruktur diskutiert: RJ 45 nach IEC
60603-7, eingebaut in ein IP 67-Gehäuse, und der Rundsteckverbinder M12:
Gerd Weking
International Standardization,
Chairman IEC TC 48, HARTING KGaA
[email protected]
25
tec.
T o p t h e m a
PRAXIS
Heinz-Günter Spreen
Industrieumfeld. Da es sich hierbei um seit Jahren bewährte Kom-
Büro meets Industrie
ponenten handelt, ist zum einen der Preis größtenteils gering und
die Technik bekannt und beherrscht.
Ethernet ist zurzeit der Begriff und in aller Munde, wenn es
um Automatisierungstechnik und Vernetzung geht. In der
BÜROWELT
Bürowelt sind Netzwerke heute Stand der Technik und wer-
Der kostengünstige Faktor bei den Ethernet-Komponenten in der
den in breitem Umfang beherrscht. Über das Internet stellt
Bürowelt rührt in erster Linie von den überschaubaren Umwelt-
auch die weltweite Vernetzung von Computern heutzutage
bedingungen, die dort herrschen.
kein Problem mehr dar. Mit einem Klick kann man in Japan,
China oder in den USA sein. Der nächste Schritt in der Ver-
Wichtigste Faktoren sind hier
netzungsära ist der Übergang der Büro-Ethernet-Netzwerke
· geringe Temperaturanforderungen,
in die Industriewelt.
· rein statische Beanspruchungen,
· geringe elektromagnetische Anforderungen und
Die Idee ist bestechend: Man nehme bekannte Komponenten
· generell geringe mechanische Beanspruchungen,
und Techniken aus den Büronetzwerken und installiere sie im
um nur einige zu nennen.
Daneben wirken sich natürlich die hohen Stückzahlen, mit denen
diese Komponenten in der Zwischenzeit vertrieben werden, auf
die Kosten aus.
Ein typischer Vertreter der kostengünstigen Ethernet-Komponenten in der Bürowelt ist die Ethernet-Wandanschlussdose. Jeder,
der mit einem Computer in einem Netzwerk arbeitet, kennt sie.
Man steckt einfach sein Netzwerkkabel – bestückt mit einem
RJ 45 – ein und es läuft. Und das Ganze auch noch zu einem
günstigen Preis.
INDUSTRIEUMGEBUNG
Wie oben schon beschrieben und bereits hinlänglich in den einschlägigen Fachzeitschriften publiziert, gewinnt das Ethernet in
der Industrie immer mehr an Einfluss. Was bedeutet dies jedoch
im Einzelnen?
Viele Komponenten, die wir aus der Bürowelt kennen, werden
wir auch in der Industrie wiederfinden. Der Daten-Steckverbinder
RJ 45 ist hierbei ein gutes Beispiel. Vergessen wird jedoch leider sehr
oft, dass die so genannten Bürokomponenten erst noch industrietauglich gemacht werden müssen. Warum industrietauglich?
Ganz einfach, die Umweltbedingungen in der Industrie sind viel
härter, als sie es im Büro sind:
· Temperaturen höher als 40 °C,
· auftretende Schwingungen und Vibrationen,
· Möglichkeit von sehr starken elektromagnetischen Störungen,
26
· sehr hohe mechanische Beanspruchung mit dynamischen
Anforderungen und
· Schmutz sowie Feuchtigkeit.
Diese Anforderungen stellen nur einen Abriss der industriellen
Bedingungen dar. Aber auch diese Problemstellungen sind heute weitestgehend mit den neuen Produkten für Ethernet in der
Industrie gelöst.
ETHERNET-INDUSTRIE-ANSCHLUSSDOSE
Spannend wird die Thematik, wenn wir uns genau zwischen
den Welten befinden, denn wer will schon gerne zwischen den
Stühlen sitzen?
Der übergeordnete Ethernet-Netzaufbau macht jedoch genau dieses erforderlich. Das Netzwerk erfordert speziell an der Schnittstelle zwischen Büro und Industrie eine Anschlussdose nach dem
Vorbild der o.g. Ethernet-Wandanschlussdose. Das Netzwerk kabel,
kommend vom Etagenverteiler, wird als Verlegekabel fest an
die Ethernet-Industrie-Anschlussdose angeschlossen. Da der
Anschluss von den gleichen Personen wie im Büro durchgeführt
wird, ist hier die gleiche Anschlusstechnik wie beim Bruder aus
dem Büro gefordert: LSA + Leisten.
Bis hierher kann man fast noch von Bürowelt sprechen. Ab jetzt
jedoch wird durch die Anschlussdose das Signal in die Industrieumgebung überführt. Dies bedeutet, dass die Weiterleitung
mittels industrieüblicher Steckverbinder und Kabel erfolgen muss.
Da der ganze Vorgang in der Industrieumgebung vonstatten geht,
ist hier ein robustes Gehäuse für das ganze Gerät erforderlich
– und fertig ist die Industrie-Ethernet-Anschlussdose.
harting als Experte für Steckverbinder, Komponenten und
Geräte in der industriellen Umgebung hat hier mit der EthernetIndustriedose erstmalig all die Anforderungen an das Büro und
die Industrie erfolgreich verbunden. Selbst die Unterschiede in
der Schirmungsanforderung zwischen Industrie, wo teilweise bis
zu mehrere Ampere über den Schirm fließen können, und Büro
konnten ausgeräumt werden.
Die Ethernet-Dose von harting ermöglicht es, dass die bekannte
einfache Handhabung aus dem Büro problemlos auf die rauesten
Bedingungen in der Industrie treffen kann, demzufolge kann es
nun wirklich heißen: ‚Büro meets Industrie‘.
Heinz-Günter Spreen
Abteilungsleiter Produktmarketing
[email protected]
28
tec.
T o p t h e m a
DESIGN
Markus Witte, Ulrich Wallenhorst & York Dobrick
Designoptimierungen von industriellen Schnittstellen
Entwicklungsbegleitende Optimierungen von industriellen
Category 5e entsprechen. Die ISO/IEC 11801:2002 wurde Ende
Schnittstellen beziehen sich üblicherweise auf Designfeatures,
August durch die nationalen Gremien angenommen und wird seit
welche beispielsweise einfachere Handhabung, bessere Ver-
Ende September ausgeliefert. Die zweite Ausgabe der EN 50173-1:
arbeitbarkeit, geringere Kosten etc. betreffen, weniger jedoch
2002 wurde Ende September einstimmig verabschiedet.
die Übertragungseigenschaften für schnelle digitale oder ana-
Gemäß ISO/IEC-Norm 11801:1995 sind bestimmte Grenzwerte für
loge Signale. Dieses ist anders bei der Steckverbinder-Familie
die Nahnebensprechdämpfung (NEXT) einzuhalten. Die aktuelle
harting RJ Industrial®, die die Vorteile der strukturierten Ver-
Norm 11801:2002 sieht wie erwähnt schärfere Grenzwerte für die
kabelung aus der Bürowelt mit dem Anspruch der Robustheit
Nahnebensprechdämpfung vor.
und Handhabbarkeit aus der Industriewelt kombiniert.
MECHANISCH-GEOMETRISCHE RANDBEDINGUNGEN
Dieses bedeutet auch, dass das Produkt die Übertragungsanforde-
Bei der Entwicklung des RJ Industrial-Steckverbinders stellte die
rungen der Link-Kategorie 5 (Category 5) erfüllen muss. Hierbei
Einhaltung der Werte für Nahnebensprechdämpfung eine beson-
sind beispielsweise -20 dB Rückflussdämpfung ebenso einzuhalten
dere Herausforderung dar. Nach Spezifikation sind die differenzi-
wie -43 dB Übersprechdämpfung. Wenn nun – wie im Falle des
ellen Signale über die Kontakte 1,2 und 3,6 zu übertragen.
RJ Industrial – im Verlaufe der Produktentwicklung eine Baubrei-
Abbildung 2 zeigt die Anordnung der differenziellen Paare 1,2
ten-Reduzierung einzuhalten ist, müssen die durchzuführenden
und 3,6. Die Kontakte 2 und 3 sind direkt benachbart und verur-
Änderungen an Kontakten und Isolierkörpern diesem Anspruch
sachen somit Verkopplungen, welche die Einhaltung der Werte
genügen. Hierbei kommt der 3D Finite Elemente Software-Simu-
für die Nahnebensprechdämpfung erschweren.
lation für übertragungstechnische Problemstellungen hohe Be-
Hinzu kommt in der Entwicklungsphase eine Baubreitenre-
deutung zu. Nur diese Werkzeuge erlauben eine Voraussage im
duzierung des Steckverbinders von 21 mm auf 14 mm. Diese
Planungsstadium. In diesem Artikel wird die konkrete Vorgehens-
Kundenanforderung ermöglicht die flexible Anbindung des Pro-
weise beschrieben, wie mit Hilfe dieser Software das Produkt zu
duktes auch im Patchfeld an einem Industrial Ethernet Switch mit
optimieren ist, damit bei minimalem geometrischen Abmessungen
höchster Packungsdichte in einem Standardraster von nur 14 mm.
immer noch optimale übertragungstechnische Performance erreich-
Es ist somit ein optimaler Kompromiss zwischen mechanischen
bar wird. Durch 3D FEM- und SPICE-Simulationen lässt sich das
Bedingungen und der geforderten Übertragungsperformance
Übertragungsverhalten des Steckverbinders bereits in der Entwick-
zu finden.
lungsphase bestimmen (SPICE: Simulation Program with Integrated
Circuits Emphasis). Man spart mit dieser Methode aufwändige Mus-
SIMULATION UND MESSUNG DES RJ INDUSTRIAL
teranfertigungen und Messungen und kann die Entwicklungskos-
Wie bereits in Abbildung 2 gezeigt, stellt das Hauptproblem
ten des Produktes deutlich verringern. Zudem lässt sich hierdurch
bei der Einhaltung der Nahnebensprechwerte die mechanische
die Gesamtentwicklungszeit deutlich reduzieren.
Bedingung der differenziellen Leitungspaare dar. Die differenziellen Paare 1,2 und 3,6 sind räumlich durch die Kontakte 2
PERFORMANCEANFORDERUNGEN
und 3 direkt benachbart. Das höchste Übersprechen ist in den
Die einzuhaltenden Übertragungsparameter wurden in Amerika
Bereichen, in denen die benachbarten Metallflächen besonders
als neue Category 5e-Spezifikation festgelegt. Dabei erhöhte man
breit sind. Dieses Verhalten kommt in der Elektrotechnik einem
die Anforderungen an das NEXT (Nahnebensprechen) um 3 dB
Plattenkondensator sehr nahe. Um den Simulationsaufwand ge-
gegenüber früheren Standardwerten. Denn es hatte sich gezeigt,
ring zu halten, ist deshalb nur der Stecker betrachtet worden. Um
dass die Übertragung über Strecken nach amerikanischer
das Übertragungsverhalten mit den Messkurven vergleichen zu
Category 5 nicht 100-prozentig sichergestellt werden kann. Diese
können, sollte das Simulationsmodell nahe an dem Messaufbau
zusätzlichen Parameter wurden bei der ISO/IEC in der 2. Ände-
angelehnt sein. D.h. man muss ein Modell aus Stecker-Buchse und
rung und in die EN 50173 in der 1. Änderung (Ausgabe 2000)
den entsprechenden Anschlusskabeln wählen.
mit aufgenommen, die damit weitgehend der amerikanischen
29
Da die Buchsen und Kabel von Hersteller zu Hersteller abweichen,
wurde auf eine aufwändige Modellierung verzichtet. Dennoch ist
für das Nahnebensprechverhalten der Ansatz mit der Betrachtung
des Steckers ohne Buchse und Anschlusskabel hinreichend, da
mit der Simulation festgestellt werden sollte, welche Kontaktanordnung des Steckers für die Reduzierung der Nebensprechwerte
am sinnvollsten ist. Man kann somit die Nebensprechwerte direkt
in den Optimierungsschritten vergleichen und einen Trend für die
Verbesserung ablesen. Abweichungen zwischen Simulations- und
Messwerten sind dadurch in Kauf zu nehmen. Man sieht in den
späteren Ergebnissen, dass Simulations- und Messwerte tendenziell sehr nahe beieinander liegen.
Abb. 1: Grenzwerte für die Nahnebensprechdämpfung
FEM-/SPICE-SIMULATION
Zur Simulation der HF-Übertragungseigenschaften eines Steckverbinders aus den Geometriedaten (CAD-Daten) gibt es zwei
unterschiedliche Ansätze.
Durch eine dynamische 3D-FEM (dreidimensionale Finite ElemenAbb. 2: Differenzielle Leitungspaare
1, 2 und 3,6 des 21 mm-Moduls
te Methode) Analyse lassen sich die Übertragungseigenschaften
der Geometrie im Zeit- und Frequenzbereich direkt berechnen.
Im zweiten Ansatz wird ein SPICE-Modell des Steckverbinders
erstellt. Zur Erzeugung eines SPICE-Modells bietet sich die 2D
statische und 3D statische FEM an. Das SPICE-Modell besteht
aus einer Netzliste mit Schaltkreiselementen wie Widerständen,
Kapazitäten, Induktivitäten und Koppelfaktoren. Die Vorgehensweise wird weiter unten beschrieben. Die Netzliste ist von Vorteil,
wenn man beispielsweise an den Verkopplungswerten zwischen
den Kontakten interessiert ist. Außerdem können Kunden direkt
bei dem Entwurf ihres Systems das Modell einsetzen, um die
Übertragungsperformance zu analysieren.
Der Einsatz der unterschiedlichen FEM-Tools hängt unter ande-
Abb. 3: Messaufbau des RJ Industrial-Steckverbinders
rem auch von der elektrischen Länge der Übertragungsstrecke
ab. Die statische FEM-Analyse findet Anwendung für elektrisch
kurze Übertragungsstrukturen und die 3D dynamische FEM
wird eingesetzt, wenn Ausbreitungsvorgänge auf der Leitung
nicht vernachlässigbar sind.
Die Berechnung der HF-Übertragungseigenschaften des RJ
Industrial-Steckverbinders wurde mit der 3D statischen FEMAnalyse und anschließender SPICE-Simulation durchgeführt. Die
3D-Geometrie des RJ Industrial-Steckverbinders wurde im CADProgramm, in welchem dieser konstruiert wurde, als Baugruppe
zusammengesetzt und über die Datenaustausch-Schnittstelle zur
Modelleingabe 1:1 in das FEM-Programm exportiert.
Abbildung 4 zeigt die importierten 3D-Geometrien des RJ In-
Abb. 4: Geometrien des RJ Industrial-Steckverbinders
30
dustrial-Steckverbinders im FEM-Tool über die Datenaustausch-
Schnittstelle. In den Simulationen wird das 21 mm-Modul als
Startmodell und das 14 mm-Modul mit der Kontaktanordnung
nach Designoptimierung untersucht. In dieser Abbildung wird
außerdem die Rotation der Kontakte im Bereich der Schneidklemme (eingekreiste Bereiche) verdeutlicht. Zur Simulation wurde die
Geometrie in mehrere Querschnitte unterteilt, um eine höhere
Abb. 5:
Darstellung der vernetzten Kontakte
eines Querschnitts vom 21 mm-Modul
Genauigkeit des Modells zu erreichen. In der Leitungstheorie
kann ein Mehrleitersystem durch Hintereinanderschaltung von
Kettengliedern repräsentiert werden. Die Kettenglieder bestehen
aus Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten, die über Koppelkondensatoren und Koppelfaktoren mit den einzelnen Leitern
beschaltet sind. Für eine hohe Modellgenauigkeit sollten möglichst viele Kettenglieder hintereinandergeschaltet werden. In der
SPICE-Simulation werden die Netzlisten für jeden betrachteten
Querschnitt hintereinandergeschaltet. Mit dieser Methode können
Abb. 6: Beschaltung des SPICE-Modells
die kritischen Querschnitte für das HF-Übertragungsverhalten
ermittelt werden. Zur Berechnung der Leitungs-Parameter wird
die FEM-Analyse gestartet. Hierfür müssen die elektrischen
Eigenschaften der Einzelteile bekannt sein. Die Geometrie muss
aufgrund der numerischen Berechnungsmethode vernetzt werden.
Die Abbildung 5 zeigt die vernetzten Kontakte eines Querschnitts
des RJ Industrial.
Das FEM-Programm hat eine SPICE-Schnittstelle, mit der die
Netzlisten direkt exportiert werden können. Die Beschaltung
des Modells mit Quellen und Abschlusswiderständen sowie die
Aufnahme der Simulationskurven wird in SPICE durchgeführt.
In SPICE wird sowohl die Zeitbereichs- als auch die Frequenzbereichsanalyse durchgeführt. Der Zeitbereich gibt Aufschluss
über die Position und Größe des Übersprechens in der Übertra-
Abb. 7: Elektrisches Feld in einem Querschnitt des 21 mm-Moduls
gungstrecke.
Abbildung 6 zeigt die Beschaltung des Steckverbinder-Modells in
SPICE. Die Kontakte werden mit Abschlusswiderständen terminiert, um Reflexionen der Signale zu minimieren. Zur Aufnahme
der Simulationskurven werden Messpunkte an die Beschaltung
angebracht. Man kann die kritischen Bereiche in der 2D-Analyse
noch etwas näher betrachten. Besonders in Bereichen mit breiten
Kontaktflächen ist das Nahnebensprechen hoch. Die Abbildungen
7 und 8 verdeutlichen dieses Verhalten bei der Betrachtung des
elektrischen Feldes.
Die Kontakte sind zur Darstellung des elektrischen Feldes auf
folgende Potenziale gesetzt worden:
S1,S2: S1 = +1V; S2 = -1V
Abb. 8: Elektrisches Feld in einem Querschnitt des 14 mm-Moduls
S3,S6: S3 = +1V; S6 = -1V
31
Messung betragen maximal 4 dB und sind wiederum durch die
Vernachlässigung der Buchse und Anschlusskabel begründet.
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Dieser Beitrag verdeutlicht, dass der RJ Industrial-Steckverbinder
den hohen Anforderungen der ISO/IEC 11801:2002 gerecht wird.
Obwohl die differenziellen Leitungspaare 1,2 und 3,6 direkt durch
die Kontakte 2 und 3 benachbart sind, lässt sich durch eine geschickte Anordnung der Kontakte das Nebensprechen deutlich
verringern. Die 3D-Simulation des Steckers ohne Buchse und
Anschlusskabel ist für die Berechnung der Nebensprechwerte
hinreichend. Das verdeutlichen die Simulations- und Messkurven.
Möchte man noch genauere Simulationsergebnisse erzielen, muss
Abb. 9: Ergebnisse für die Nahnebensprechdämpfung vor und nach
der Designoptimierung
das Modell dem Messaufbau entsprechend angepasst werden.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass Buchse und Kabel von Hersteller
zu Hersteller variieren und dass 3D-Geometrien nicht in allen
Abbildung 7 zeigt die starke Verkopplung zwischen den Kontak-
Fällen übermittelt werden.
ten 1, 2 und 3. Da die Kontakte 1,2 und 3,6 die differenziellen
Paare bilden, ist an dieser Stelle die Verkopplung zwischen den
· Die Reduzierung der Baugröße des RJ Industrial von 21 mm auf
Kontakten 2 und 3 besonders kritisch. Die Bereiche mit hoher
14 mm wurde trotz der hohen Performanceanforderungen erfolg-
Feldstärke sind in der Farbe Rot dargestellt und die Bereiche mit
reich durchgeführt und die Performance gleichzeitig verbessert.
niedriger Feldstärke sind Blau dargestellt. Durch eine Design-
Der RJ Industrial kann somit auch in Patch-Feldern mit einem
optimierung wurde in der 14 mm-Variante die Anordnung der
14 mm-Raster eingesetzt werden.
Kontakte geändert.
Abbildung 8 zeigt die deutliche Verbesserung durch die Design-
· Die tendenzielle Verbesserung der Nahnebensprechwerte durch
optimierung. Der Querschnitt des Kontaktes 3 wurde in unmittel-
Designoptimierungen mit einem FEM-Programm korreliert gut
barer Nähe zum Kontakt 2 deutlich reduziert und verringert somit
mit den Messwerten, obwohl Buchse und Anschlusskabel im
die Angriffsfläche für Verkopplungen. Der Kontakt 3 erscheint in
Simulationsmodell nicht berücksichtigt wurden.
dieser Betrachtung gleich zweimal. Dadurch wird die Kopplung
in dem differenziellen Kontaktpaar 3,6 zur Performanceverbes-
· Trotz Verschärfung der Norm werden die Grenzwerte des
serung erhöht.
Nahnebensprechens der ISO/IEC Norm 11801:2002 für das
Dieses spiegelt sich durch die Verbesserung der Nahnebensprech-
14 mm-Modul eingehalten.
dämpfung in dem Diagramm in Abbildung 9 wider.
Abbildung 9 zeigt die Ergebnisse für die Nahnebensprechdämpfung vor und nach der Designoptimierung. Mit den Startwerten
für das 21 mm-Modul werden die Grenzwerte für die Nahnebensprechdämpfung überschritten. Maßgeblich hierfür ist die unmittelbare Nähe der breiten Kontaktflächen der Kontakte 2 und
3. Der maximale Unterschied zwischen den Simulations- und
Messwerten beträgt 3 dB und ist durch die Vernachlässigung
der Buchse und Anschlusskabel im Simulationsmodell begründet. Durch die Designoptimierung im Stecker ist die Anordnung
der Kontaktgeometrien geändert worden. Das Ergebnis ist eine
deutliche Performanceverbesserung und Einhaltung der Grenz-
Markus Witte
Signal Integrity Engineer, Backplane Solutions
HARTING Electronics GmbH & Co. KG
[email protected]
Ulrich Wallenhorst
Director of Backplane Solutions Department
[email protected]
York Dobrick
Laboringenieur für Hochfrequenz und Elektromagnetische Verträglichkeit, HARTING KGaA
[email protected]
werte bis 100 MHz. Die Unterschiede zwischen Simulation und
32
tec.
T o p t h e m a
DESIGN
Matthias Dargel-Rabin
Virtual Reality am Beispiel des HARTING RJ Industrial® –
Visualisierungslösungen für eigene Mitarbeiter und Kunden
Innovative technische Produkte müssen hinsichtlich Qualität, Funktionalität und Design den Markt zur
richtigen Zeit und in der richtigen Darstellung adressieren. Dies muss geplant geschehen, da eine Vielzahl
von Informationen aus den unterschiedlichsten Quellen kanalisiert werden muss. Diese Quellen, z.B. Entwicklungsabteilung, Product Management, Vertrieb, Fertigung, Geschäftsleitung oder der Kunde beeinflussen
mit unterschiedlichen Intentionen Produktdesign und -funktionalität. Nur ein Vorgehen, das den beteiligten
Partnern den notwendigen Informationsaustausch ermöglicht, kann hier auf Dauer erfolgreich sein. Ein Beispiel für frühzeitige und visualisierte Darstellung der technischen Features und des Anwendernutzens eines
Produktes ist der animierte Film zum harting RJ Industrial®.
Die zunehmende Verbreitung der Informationstechnologien ab
Allgemein verständliche Symboliken verdeutlichen physikalische,
Mitte der 80er Jahre ermöglichte die Entwicklung und Verbrei-
mechanische oder funktionale Produkteigenschaften. Beim RJ
tung von Software-Einzellösungen für die unterschiedlichen
Industrial wurde so z.B. der Schutz vor Umgebungsbedingun-
Unternehmensbereiche, um abteilungsbezogene Arbeitsabläufe
gen wie Verschmutzung oder elektromagnetische Störungen
effizienter, flexibler und beherrschbarer zu gestalten. Beispiele
dargestellt.
solcher Detaillösungen sind Warenwirtschaftssysteme in der
Auftragsabwicklung, CAD/CAE für Design und Entwicklung
ABLAUF DER FILMERSTELLUNG
oder CAM für die Fertigung.
Das Projekt „Animierte Darstellung der Produktvorteile RJ Indus-
Seit Mitte der 90er wird angestrebt, diese Einzellösungen mittels
trial“ begann mit einem Kick-Off zur Festlegung von Filmaussage,
geeigneter Planungs- bzw. Managementlösungen (Produkt-Daten-
Animationsverlauf, Kamerafahrten und Festlegung der virtuellen
Management, Enterprise-Ressource-Planning, Product-Lifecycle-
Szenerie. Die vorliegenden I-deas 3D-Konstruktionsdaten wurden
Management) zu integrieren. Der strategische Ansatz ist dabei,
übernommen und in der virtuellen Szenerie aufbereitet. In engem
die Produktentwicklung durch teilweise Parallelisierung der
Dialog mit harting wurde innerhalb weniger Wochen eine Com-
Entwicklungstätigkeiten (FuE, Prototypenbau, Produktion) zu
puteranimation fertig gestellt, welche die erarbeiteten Vorgänge
verkürzen, qualitativ zu verbessern und änderungstoleranter
in verständlicher und interessanter Form dem Fach- und dem
zu machen.
Laienpublikum angemessen präsentiert.
Problematisch bei der „klassischen Prozesskette“ ist die man-
Schon in der frühen Entwicklungsphase konnte damit das
gelnde Einbindung weiterer Mitarbeiter, z.B. im Vertrieb, im
Produkt den Interessenten vorgestellt, die Anwendervorteile
Marketing oder in der Geschäftsleitung sowie der Kunden bzw.
präsentiert und die Akzeptanz getestet werden. Jedes Feedback
sonstiger Partner. Dieses Defizit kann dazu führen, dass „am
während dieser Phase konnte im weiteren Engineering berück-
Markt vorbei entwickelt“ wird oder dass Produktvorteile und der
sichtigt werden und vermied so kostspielige Änderungen im
Anwendernutzen erst zu spät dargestellt werden können. Kunde,
späteren Projektverlauf.
Marketing, Vertrieb und Geschäftsführung realisieren das neue
Nach Abschluss dieser Phase wurde das Produkt in der virtuel-
Produkt erst, wenn erste be„greifbare“ Prototypen vorliegen – am
len Darstellung weiteren Mitarbeitern, Kunden oder sonstigen
Ende der Entwicklungsphase. Änderungen in dieser Stelle des
Interessierten nahe gebracht. So verwendete harting den Film z.B.
Produktlebenszyklus führen zu erheblichen zeitlichen und mone-
zur Schulung des Vertriebspersonals. Das Product Management
tären Verlusten. Deshalb hat die Technologiegruppe harting sich
von harting setzte den animierten Film über den RJ Industrial
schon frühzeitig entschlossen, eine entsprechende visualisierte
erstmals extern während der Hannover Messer Industrie 2002
Darstellung über die RJ Industrial-Produktfamilie einzusetzen.
auf dem Messestand ein. Außerdem erläuterte das Unternehmen
im Rahmen einer Fachpressekonferenz den technologischen
ERWEITERTE VISUELLE KOMMUNIKATION
Ansatz der Ethernet-Steckverbinder-Familie. Auch die Vertreter
Die erweiterte visuelle Kommunikation ergänzt die klassische
technischer Publikationen konnten so schnell und präzise infor-
Prozesskette um die Möglichkeit der Computeranimation. Das
miert werden.
bedeutet die Erzeugung von Industriefilmen auf dem Rechner
mit dem Ziel, Funktionsabläufe innerhalb virtueller Szenarien
NUTZEN FÜR DEN KUNDEN
photorealistisch darzustellen. Dabei veranschaulichen freie
Innovative Produkte wie der RJ Industrial entsprechen aufgrund
Kamerabewegungen das Produkt von allen Seiten. Technische
des rasanten technischen Fortschritts nur innerhalb eines defi-
Vorgänge – im Fall des RJ Industrial z.B. die Anschlusstechnik –
nierten Zeitfensters den Marktanforderungen. Die Vorbereitung
werden nach Wunsch in Realzeit, in Zeitlupe oder im Zeitraffer
des Marktes auf kommende Entwicklungen zum frühestmögli-
dargestellt (s. Abbildung 1).
chen Zeitpunkt verlängert die Verkaufsphase und ist daher ein
Anwendungsorientierte Funktionsvorgänge „im Inneren“ – wie
entscheidender Wettbewerbsvorteil für ein Unternehmen.
die Übertragung von Daten und die Spannungsversorgung –
Dem Vertriebspersonal wird außerdem ein exzellentes Instrument
werden verdeutlicht (s. Abbildung 2).
an die Hand gegeben, um während der gesamten Produktlebens-
34
Abb. 1 & 2: Szenen aus dem Industriefilm mit Animationen der RJ Industrial-Funktionalität
zeit auf Messen oder bei Kunden Aufmerksamkeit zu erzeugen,
komplexe Sachverhalte zu veranschaulichen und diskutieren und
obendrein das eigene Unternehmen adäquat zu präsentieren.
Matthias Dargel-Rabin ist Vertriebs- und Projektleiter bei den Schwesterfirmen APCAD GmbH
und K.A.T. GmbH in Bremen. Diese Firmen bieten
IT-Dienstleistungen, Automatisierungstechnik
und Maschinenbau aus einer Hand.
35
36
tec.
T o p t h e m a
SIMULATION
Dr. rer. nat. Achim Brenner
Stromtragfähigkeit der
HARTING RJ Industrial®-Familie
Die Herausforderungen bei der Entwicklung von Steckverbindersystemen wachsen mit
deren Komplexität. Der entwicklungsbegleitende Einsatz von CAE-Werkzeugen hilft
hier die Komplexität zu beherrschen und reduziert die Notwendigkeit teurer Muster
auf ein Minimum. Dies wirkt sich positiv sowohl auf die Entwicklungskosten als auch
auf die Entwicklungszeit aus.
Die Migration der strukturierten Verkabelung hinein in die Werkhallen schafft zusätzliche
Anforderungen an die Verbindungstechnik. Die Möglichkeit der Leistungsübertragung parallel zur Signalübertragung führt in vielen Fällen zu Wettbewerbsvorteilen für den Steckverbinderkunden. Der Einsatz von CAE-Werkzeugen wie I-deas ESC und ABAQUS erlaubt es, mittels
numerischer Simulation wichtige Produkteigenschaften, wie z.B. die Stromtragfähigkeit,
schon während der Konstruktionsphase zu ermitteln.
37
GRENZEN
Durch den Stromfluss kommt es zu einer Erwärmung der Kontaktelemente. Den Temperaturunterschied zur Umgebung nennt
man Übertemperatur. Die Summe aus Umgebungstemperatur und
Übertemperatur ergibt die Temperatur des Steckverbinders. Die
obere zulässige Grenztemperatur wird hauptsächlich durch die
Eigenschaften der eingesetzten Materialien bestimmt. So nimmt
mit steigender Temperatur die Spannungsrelaxation der Metalle
zu. Dies führt in der Praxis zu einem Abfall der Kontaktnormalkräfte. Darunter leidet die Gasdichtheit der Kontaktstellen und die
Übergangswiderstände nehmen zu. Im Falle der Isoliermaterialien kommt es bei erhöhten Temperaturen zu einer Erweichung. Die
Diagramm 1: Widerstandsvergleich verschiedener
Kontaktmaterialien (Bezugswiderstand Cu bei 20 °C)
Formstabilität des Isolierkörpers ist dann nicht mehr gegeben. Im
Falle der üblicherweise eingesetzten Kunststoffmaterialien wird
Diagramm 1 zeigt das Verhältnis der Widerstände von Kupfer,
von einer oberen Grenztemperatur von 125 °C ausgegangen.
einem Bronze- (CuSn6) , einem Messing- (CuZn39Pb3) und einem
legierten Kupferwerkstoff (CuNi3Si1Mg) zu dem Kupferwiderstand (20 °C) bei einer Temperatur von 20 °C und 125 °C.
LAUTER WIDERSTÄNDE
Der Bemessungsstrom ist der Strom, den ein Steckverbinder oder
eine Steckvorrichtung gleichzeitig durch alle Kontakte dauernd
Der Einsatz der Legierungen CuNi3Si1Mg führt gegenüber der
(nicht intermittierend) führen kann, ohne dass dabei die obere
Zinnbronze CuSn6 zu einer Halbierung der Materialwiderstände,
Grenztemperatur überschritten wird.
so dass bei gleicher Verlustleistung die Stromstärke um ca. 40%
erhöht wird.
Die Steckverbindertemperaturen werden durch das Gleichgewicht
von Verlustleistung im Steckverbinder und der an die Umwelt ab-
IM VERGLEICH
gegebenen Leistung bestimmt. Im Falle von Leistungskontakten
Im Falle der RJ Industrial-Familie wurde mittels eines Finite-
können die dielektrischen Verluste im Vergleich zu den ohmschen
Elemente-Simulationsprogramms untersucht, inwieweit der
Verlusten im Leitermaterial vernachlässigt werden. Die Verlust-
Kontaktwiderstand des gestanzten Kontaktes von dem eines
leistung P V im Steckverbinder ergibt sich in diesem Fall einfach
gedrehten Standardkontaktes (Han D®) abweicht.
aus dem Produkt des Stromquadrates
I2
mit dem Gesamtwider-
stand RG. Der Gesamtwiderstand setzt sich aus dem Bulkwider-
Die Auswertung des berechneten Spannungsabfalls über den
stand R B der Kontakte, dem Engewiderstand R E im Kontaktbereich
Kontakten ergab sowohl für den Han D als auch für den neu
sowie aus den Übergangswiderständen der Anschlusstechnik R A
entwickelten Leistungskontakt einen Bulkwiderstand von ca.
(z.B. Löt-, Crimp- oder Schneidklemmtechnik) zusammen.
1 mΩ (siehe Abb. 1).
Die Leistungsbilanz kann durch den Einsatz von hochleitfähi-
Den zweiten wichtigen Bestandteil des Gesamtwiderstandes RG
DAS NADELÖHR
gen Legierungen günstig beeinflusst werden. Wichtig ist hierbei
stellt der Engewiderstand R E dar. Ursache für den Engewiderstand
jedoch, dass dabei auch der Temperaturkoeffizient mit beachtet
ist die Tatsache, dass der Strom im Bereich der Berührungsflä-
wird, da die Temperatur der Kontakte bei Maximalstrom im Be-
chen zweier Kontakte nicht mehr den gesamten Leiterquerschnitt
reich von über 100 °C liegt. Höhere Materialleitfähigkeiten führen
nutzen kann. Die Kontaktfläche wird dabei von der Kontaktgeo-
in der Regel auch zu höheren Temperaturkoeffizienten. Empirisch
metrie, den Materialeigenschaften der Beschichtungsmaterialien
wurde dabei folgender Zusammenhang gefunden:
und der Kontaktnormalkraft bestimmt. Der Engewiderstand kann
unter der Voraussetzung einer plastischen Verformung wie folgt
mit Hilfe der elektrischen Leitfähigkeit σ, der Kontakthärte H und
der Kontaktnormalkraft FN abgeschätzt werden:
38
Einen wichtigen Beitrag zur Ableitung der Stromwärme liefern die
angeschlossenen Kabel bzw. Leitungen. Durch die hohe thermische
Leitfähigkeit der Kupferadern wird die Wärme schnell von den
Kontaktstellen abgeführt und über den Kabelmantel an die Umgebung abgegeben. Da dieser Mechanismus in der Praxis erheblich
zur Wärmeableitung beiträgt, sind simulierte bzw. gemessene
Stromtragfähigkeiten eines Stecksystems nur unter Angabe des
verwendeten Kabel- bzw. Leitungstyps aussagekräftig.
Durch eine gekoppelte elektrisch-thermische Simulation, welAbb. 1: Potenzialverteilung bei einem Strom von 1 A
che auch alle inneren Wärmewiderstände des Steckverbinders
berücksichtigt, konnte so während der Konstruktionsphase
nachgewiesen werden, dass der Steckverbinder das Ziel von 16 A
Stromtragfähigkeit bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C
erreicht.
Die Kontakthärten liegen für übliche Beschichtungsmaterialien
im Bereich von 0,6 … 1 GPa, woraus sich bei Kontaktnormalkräften im unteren Newtonbereich Kontaktwiderstände um 1 mΩ
ergeben.
Im Falle von mehreren Kontaktflächen ergibt sich der GesamtEngewiderstand aus der Parallelschaltung der einzelnen Engewiderstände. Unter der Annahme eines linearen Zusammenhanges
zwischen Betätigungs- und Kontaktnormalkraft folgt aus (3), dass
bei gleicher Betätigungskraft die Verwendung von mehreren Kontaktflächen gegenüber einer einzelnen Kontaktfläche vorteilhaft
für den Gesamt-Engewiderstand ist. Eine Abschätzung nach Gleichung (3) ergab, dass der Engewiderstand für den Stanzkontakt
bei 0,25 mΩ liegen wird.
Abb. 2: Berechnung des Wärmeabgabeparameters h
(CFD-Simulation, dargestellt ist der Strömungsverlauf in einer
ausgewählten Ebene)
WOHIN MIT DER WÄRME?
ZIEL ERREICHT
Die im Steckverbinder in Wärme umgesetzte Verlustleistung
Die Stromtragfähigkeit wird hauptsächlich von der Wahl der Kon-
muss an die Umgebung abgegeben werden. Dies geschieht über
taktmaterialien, der Kontaktform, der Anzahl der Kontaktstellen,
die Oberfläche des Steckverbinders durch natürliche Konvektion
der Kontaktnormalkraft, dem Wärmewiderstand des Gehäuses
und Strahlung sowie durch Wärmeleitung über die angeschlosse-
zur Umgebung und der Eigenschaften der angeschlossenen Kabel
nen Leitungen bzw. Kabel. Die Energieabgabe an den Oberflächen
bzw. Leitungen beeinflusst. Durch geeignete Simulationsmodelle
kann mit dem Abgabeparameter h beschrieben werden. Er gibt
ist man in der Lage, schon in der Designphase die Stromtrag-
an, wie viel Leistung pro Quadratmeter Oberfläche und Kelvin
fähigkeit zu prüfen.
Temperaturunterschied zur Umgebung abgegeben wird. Die in
Abb. 2 beispielhaft dargestellte CFD-Simulation des Steckverbinder-Gehäuses ergab für freie Konvektion einen mittleren Wärmeabgabeparameter h von 12,5 W/m2K. Der Temperaturunterschied
Dr. rer. nat. Achim Brenner
Intellectual Property Management
Simulation Technique / FEM, HARTING KGaA
[email protected]
zur Umgebung betrug dabei 5 K.
39
40
tec.
T o p t h e m a
STANDARDS
York Dobrick & Ulrich Wallenhorst
Zuverlässigkeitsprüfung des HARTING RJ Industrial®Steckverbinders durch das akkreditierte HARTING-Labor
Die Zuverlässigkeit von elektromechanischen Bauelementen
der mechanischen und elektrischen Anforderungen sowie der
in Hinblick auf ihren Einsatz in rauer Industrieumgebung
Übertragungseigenschaften erweitert, an internationale Normen
bei hohen elektromechanischen, klimatischen und über-
angepasst und aktualisiert.
tragungstechnischen Belastungen ist von grundlegender
Bedeutung für ein Verkabelungssystem. Veränderungen der
LEISTUNGSANFORDERUNGEN
Leistungscharakteristika aufgrund von Betriebs- oder Um-
Bereits in der Vorentwicklungsphase der RJ Industrial-Steckver-
gebungsbelastungen können die Übertragungseigenschaften
binderfamilie wurden Normentwürfe mit ihren Leistungsanfor-
und damit die Funktionalität des gesamten Systems negativ
derungen berücksichtigt. Der Typenprüfplan für den RJ Industrial
beeinflussen. Die RJ Industrial-Steckverbinderfamilie wird
orientiert sich dabei an den entsprechenden Produktnormen. Für
deshalb im Zuge ihrer Markteinführung einer eingehenden
die Prüfung der Übertragungsparameter des Steckverbinders
Konformitätsbeurteilung unterzogen. In umfangreichen Zu-
werden die schärfsten Grenzwerte der Normenentwürfe zugrun-
verlässigkeitsprüfungen wird dabei festgestellt, ob die Pro-
degelegt.
dukteigenschaften sowie die Spezifikationen aus aktuellen
Normen wie auch Normenentwürfen erfüllt werden und ob
Der Steckverbinder RJ Industrial ist in der Category 5 der Verbin-
das Produkt für den industriellen Einsatz in strukturierten
dungstechnik für eine Übertragung bis 100 MHz eingestuft:
informationstechnischen Systemen geeignet ist.
In internationalen und europäischen Normen werden die System-
PRÜFUNG (GEMÄSS NORM)
SPEZIFIKATIONEN
komponenten (Kabel, Verbindungstechnik) sowie die gesamte in-
Einfügedämpfung (IEC 60512-25-2)
0,4 dB @ 100 MHz
stallierte Verkabelung spezifiziert.
Reflexionsdämpfung (IEC 60512-25-5)
20 dB @ 100 MHz
Signallaufzeit (IEC 60512-25-4)
< 2,5 ns
Sie definieren den Mindestumfang an Prüfparametern und be-
Signallaufzeit-Skew (IEC 60512-25-4)
< 1,25 ns
schreiben die erforderlichen Prüfverfahren, Prüfkriterien und
Nah-Nebensprechdämpfung (IEC 60512-25-1)
43 dB @ 100 MHz
Prüfgeräte, um sicherzustellen, dass korrekt installierte Steck-
Fern-Nebensprechdämpfung (IEC 60512-25-1)
35,1 dB @ 100 MHz
Transfer Impedanz (IEC 60512-25-5)
0,1 Ω @ 1 MHz,
0,2 Ω @ 10 MHz,
1,6 Ω @ 80 MHz
verbinder und Kabel keinen unzulässig hohen Einfluss auf die
Qualität der Übertragungsstrecke ausüben.
In der derzeit gültigen internationalen Norm für „Anwendungsneutrale Verkabelungssysteme“ ISO/IEC 11801 bzw. DIN EN
Tabelle 1: Leistungsanforderungen @ 100 MHz des RJ Industrial
50173 werden die Leistungsanforderungen an eine informationstechnische Verkabelung primär für Büroumgebungen
definiert. Neben der Struktur des Verkabelungssystems werden
ZUVERLÄSSIGKEITSPRÜFUNGEN
auch grundsätzliche Produkteigenschaften der Kabel und der
Die Konformitätsbeurteilung des RJ Industrial hat der Bereich
Verbindungstechnik beschrieben.
Corporate Technology Services (CTS) der harting KGaA übernommen. Es ist ein anerkanntes Labor für die Prüfung von elektrome-
Aufgrund der Zunahme der Übertragungsgeschwindigkeiten in
chanischen Bauelementen, elektronischen Übertragungssystemen
lokalen Netzen und der fortschreitenden Installation von Übertra-
und ihrer elektromagnetischen Verträglichkeit.
gungssystemen im industriellen Bereich investieren Anwender in
hochwertige symmetrische Netze. Entsprechend dieser Entwick-
Das Labor ist nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert und
lung werden in technischen Arbeitskreisen die Anforderungen an
unterstützt in der Produktentwicklung sowie bei der Produkt-
strukturierte informationstechnische Verkabelungen hinsichtlich
qualifizierung.
41
Abb. 1: Messung der Rückflussdämpfung am
RJ Industrial mit einem Netzwerkanalysator
Abb. 3: Schliffbilder – Überprüfung der Kontaktsicherheit
der HARAX®-Schnellanschlusstechnik am RJ Industrial
Abb. 2: Prüfablauf für Zuverlässigkeitsprüfungen am RJ Industrial-Steckverbinder
42
Die CTS verfügt über eine entsprechende Ausstattung moderner
Dies trifft auch auf die Klima- und Umweltprüfungen der Prüf-
Prüf- und Messsysteme. Die Einrichtungen bieten ein höchstes
folgen 2, 4 und 5 zu. Hierbei wird neben der feuchtheißen Wärme-
Maß an Präzision bei der Durchführung der Prüfungen. Mechani-
lagerung mit anschließender oder gleichzeitiger Stromerwärmung
sche und elektrische Prüfungen gehören ebenso zum Prüfumfang
und Spannungsfestigkeits-Messungen auch die Prüfung in stark
wie Umweltprüfungen.
korrosiver Industrie-Atmosphäre durchgeführt. Hierbei können
nicht nur die beiden Standard-Industriegase Schwefelwasserstoff
Im Rahmen der übertragungstechnischen Überprüfung der
und Schwefeldioxid im ppb-Bereich als Prüfmedium benutzt wer-
Leistungsdaten werden Eigenschaften wie Reflexions- und
den, sondern daneben auch Chlorgas (Cl2) und Stickoxide (NOX)
Durchgangsdämpfung,
im Mehrkomponenten-Industriegastest.
Nebensprechen,
Schirmdämpfung,
Transferimpedanz, Wellenwiderstand und Signallaufzeit gemessen (Abbildung 2, Prüffolge 3).
Da die verwendete Verbindungstechnik lötfrei ist, müssen darüber hinaus die Anforderungen der Isolationsdurchdringungs-
Neben den Übertragungseigenschaften wird auch die dauer-
technik (hier: HARAX®-Schnellanschlusstechnik) eingehalten
hafte Zuverlässigkeit des Industrie-Steckverbinders geprüft,
werden.
um die Eignung des Produktes für den industriellen Einsatz in
strukturierten informationstechnischen Systemen festzustellen.
Für die gesamte Zuverlässigkeitsprüfung wird eine Prüfdauer
Dazu wird das Produkt einer Reihe von mechanischen Umwelt-
von ca. 1,5 Monaten angesetzt. Im Rahmen der Umweltprü-
bedingungen unterworfen. Es darf zu keiner Zeit während oder
fungen sind neben einer industriellen Schadgasbelastung mit
nach den Prüfungen Anzeichen einer Veränderung hinsichtlich
H2S (Schwefelwasserstoff) und SO2 (Schwefeldioxid) auch eine
des zuverlässigen mechanischen Anschlusses, der Sicherheit oder
21-tägige Auslagerung in feuchter Wärme (40 °C, 93% r.h.)
anderer funktioneller Eigenschaften aufweisen.
vorgesehen.
Um sicherzustellen, dass die Prüflinge in symmetrischen 100 Ω-
Eine anforderungsgerechte Funktion der Steckverbinder alleine
Verkabelungssystemen im installierten Zustand zuverlässig
stellt noch nicht die geforderten Systembedingungen sicher. Die
funktionieren, müssen sie in der Lage sein, in fünf Prüflosen
Leistungsfähigkeit der Verkabelungsstrecke hängt auch von den
die Prüffolgen nach Abbildung 2 zu bestehen. In den Prüffolgen
Kabeleigenschaften, der Anzahl der Verbindungen, der Sorgfalt
werden jegliche Widerstandsänderungen gemessen, die zu vor-
bei der fachgerechten Installation sowie der Wartung des Über-
geschriebenen Zeitpunkten und nach dem Prüfzyklus auftreten.
tragungssystems ab. Unter diesen Aspekten trägt die feldkonfek-
Die Produktübereinstimmung ist auf der Grundlage der un-
tionierbare RJ Industrial-Steckverbinderfamilie mit der über viele
günstigsten Messwerte festzustellen, die an mehreren zufällig
Jahre bewährten HARAX-Anschlusstechnik maßgeblich dazu bei,
ausgesuchten Mustern ermittelt werden.
dass der Anwender eine dauerhafte und zuverlässige EthernetVerbindung mit seinen jeweiligen Endgeräten eingeht.
Zu Beginn der Prüfablauffolge aller Prüflose erfolgt zunächst
die Messung der Durchgangs- und Isolationswiderstände inkl.
Spannungsfestigkeit. Diese Tests werden am Ende aller Einzelprüfungen wiederholt, um etwaige Abweichungen zu ermitteln.
Prüffolge 1 simuliert im Wesentlichen den Einfluss der thermischen Relaxation, von Vibrationen auf die Kontaktsicherheit und
die mechanische Stabilität. Solcherlei Einflussfaktoren können
beispielsweise in der Nähe von Stanzen oder Schmelzöfen, bei
Produktionswerken in feuchten und heißen Regionen oder
in Werkhallen mit Fertigungsstraßen aber auch in informationstechnischen Einrichtungen mit sehr hoher thermischer
Verlustleistung auftreten.
York Dobrick
Laboringenieur für Hochfrequenz und Elektromagnetische Verträglichkeit, HARTING KGaA
[email protected]
Ulrich Wallenhorst
[email protected]
43
tec.
T o p t h e m a
PRODUKTION
Andrew Wenger & Ulrich Wallenhorst
Hochpräzisionsfertigung des
RJ Industrial in Biel/Schweiz –
Anforderungen an die
Fertigungstechnik
munikation dar. Die nachfolgenden Beispiele geben dabei einen
Einblick in Details.
ISOLIERKÖRPER FÜR LEISTUNGSKONTAKTE
Isolierkörper für die Leistungskontakte
Die an Filmscharnieren befestigten vier Einzelelemente des
HARTING Schweiz
Isolierkörpers zur Aufnahme der einzelnen Litzen werden mit
einem mehrfach fallenden Spritzgusswerkzeug hergestellt und
Industrial Ethernet – als Synonym für innovative Vernetzung
beinhalten eine Vielzahl von Kernen und Schiebern, welche
in der Automatisierungstechnik – bringt die Vorteile der aus
extrem hohen thermischen und mechanischen Belastungen
der Bürowelt bekannten Funktionalität in die raue Industrie-
ausgesetzt sind.
umgebung. Von herausragender Bedeutung im Fertigungsprozess ist dabei eine hohe Präzision bei der Herstellung der
IP 67-DATEN-GEHÄUSE
notwendigen elektromechanischen Bauelemente.
In kürzester Zeit wurde in Zusammenarbeit zwischen dem Product
Management in Espelkamp, der Entwicklungsabteilung in Paris
und der Fertigungsstätte Biel/Schweiz das Engineering-Projekt
geplant und realisiert. Basierend auf professionellem ProjektIP 67-Daten-Gehäuse
management, flexiblen Produktionsabteilungen und zuverlässigen
Lieferanten wurde die notwendige Produktqualität erzielt.
Für die hohe Dichtheitsklasse des IP 67-Gehäuses ist ein Spritz-
Für die Technologiegruppe harting bedeutete dies, dass in
gusswerkzeug mit komplexen Dichtflächen an vier Schiebern
einem Zeitraum von zehn Wochen ausgehend von den ersten
notwendig. Der durch die designbedingten Materialanhäufun-
Produktideen Werkzeuge im Serienstatus entwickelt wurden
gen verursachte Verzug wurde durch geeignete Maßnahmen im
mit dem Ziel, auf der Hannover Messe Industrie 2003 mehrere
Werkzeug unterdrückt.
Produktvarianten im Serienstatus präsentieren zu können und
verfügbar zu haben.
DATEN-KONTAKTE
KOMPONENTENVIELFALT
Für die Produktion der harting RJ Industrial®-Steckverbinder
stand aufgrund der vorhandenen Marktdaten eine entsprechende
Komponenten-Vielfalt im Vordergrund. So sind für die Produktfamilie insgesamt zwölf komplexe Spritzguss- und zehn Folgeverbundstanzwerkzeuge erforderlich, die wiederum in ihrem Aufbau,
Daten-Kontakt
den technischen Anforderungen und der Materialauswahl sehr
Auch bei den Datenkontakten war höchste Präzision notwendig.
unterschiedlich sind. Die RJ Industrial-Produktfamilie stellt aus
So erforderte die komplexe Geometrie feinste Schnittstempel und
Sicht der Produktion einen Querschnitt der Fertigungstechno-
einen Werkzeugaufbau mit verringertem Schnittspalt inklusive
logien aus den Bereichen Industrie-Elektronik und Datenkom-
Vor- und Nachschnitt. Dies gewährleistet eine optimale Kontakt-
44
fläche der drei unterschiedlichen Kontakte, welche im Verlaufe
des Design-Prozesses aufgrund von drastischen Baubreiten-
AUTOMATISIERTE MONTAGE
Begrenzungen (14 mm anstatt 21 mm Modulbreite) von Grund
Zentrale Know-how-Stelle in der harting-Gruppe zu allen
auf neu ausgelegt werden mussten.
Fragen der Werkzeuggestaltung und -herstellung, sei es für
Spritz- oder Druckgusswerkzeuge genauso wie für Stanzoder Verbundwerkzeuge, ist die Tochtergesellschaft harting
LEISTUNGSKONTAKTE
Applied Technologies. Schon im Vorfeld der Serienproduktion
sind die Spezialisten von Applied Technologies kompetente
und daher begehrte Ansprechpartner. Hochgenaues Schleifen oder Mehrachsen-Fräsen, funkenerosives Senken oder
Schneiden mit Draht sind ebenso tägliche Vokabeln wie Oberflächenrauigkeiten, Werkstoffhärten oder SchwindungsmaLeistungskontakt
ße.
Die Leistungskontakte weisen nicht nur komplexe Biegungen
auch im Bereich der Verprägungen auf. Es waren vielmehr auch
Doch neben diesem Kompetenzfeld wartet Applied Technolo-
mehrfache Verprägungen des Materials auf bis zu 1/3 der ur-
gies mit weiteren mindestens ebenso wichtigen Fähigkeiten
sprünglichen Materialstärke notwendig.
auf. Die Produktion von Einzelteilen aus Metall oder Kunststoffen mit kostenoptimalen und qualitativ höchstwertigen
Werkzeugen ist die eine Sache – die Herstellung von kom-
SCHIRMGEHÄUSE
plexen Produkten erfordert aber auch Montagelinien und
Handlingstationen von kompromissloser Zuverlässigkeit,
Genauigkeit und herausragender Produktivität. Hier muss
man genauso viel von mehrdimensionaler Greif- und Fügetechnik, eine Menge von hochdynamischen elektrischen,
magnetischen oder pneumatischen Antrieben ebenso
Schirmgehäuse
wie von intelligenter CNC- und SPS-Steuerungstechnik
Trotz der komplexen Geometrie mit diversen Verprägungen,
verstehen. Programmiersprachen sind hier keine Fremd-
mehrfachen Biegeoperationen und schwieriger Stanzgitteran-
sprachen. Selbstverständlich ist es bei der Auslegung von
bindung wird die normativ notwendige Schirmdämpfung des
Montageeinrichtungen von Vorteil, wenn man im Vorfeld
Steckverbinders deutlich erfüllt.
bei der Teilegestaltung und Werkzeugauslegung bereits
eingeschaltet war.
Die Entwicklung und Fertigung der RJ Industrial-Steckverbinderfamilie zeigt, dass sich die Marktanforderungen, Produktspezifi-
In modernen Montagelinien sind heute die Inline-Prozesskon-
kationen und die daraus folgenden Fertigungsbedingungen in kür-
trolle mit Sensoren oder Kameras ebenso selbstverständlich
zester Zeit verbinden ließen. Das Ziel, zeitgerecht, kostenorientiert
wie die Laserkennzeichnung, um zum Beispiel die Rückver-
und mit hoher Qualität zu fertigen, konnte so erreicht werden.
folgbarkeit sicherzustellen. Und natürlich ist die Erfüllung
der Leistungsmerkmale bis hin zur Hochspannungsfestigkeit
Andrew Wenger
Manager PRODUCT Development & Engineering
Electronic Connectors, HARTING AG Biel
[email protected]
Ulrich Wallenhorst
[email protected]
längst geprüft und dokumentiert, wenn das fertige Produkt
am Ende der Linie in seiner kundengerechten Verpackung
landet.
Heinz-Wilhelm Meier
Projektleitung
HARTING Applied Technologies GmbH & Co. KG
[email protected]
45
tec.
T o p t h e m a
ANSCHLUSS
Volker Sorhage
Industrial Ethernet Field Termination Technology –
industriegerechte Vorortkonfektionierung
des HARTING RJ Industrial®
Das Industrial Ethernet birgt enormes Rationalisierungspotenzial für die industrielle
Kommunikaton in sich. Der höchstmögliche Nutzen wird erreicht, wenn neben
den Kommunikationsvorteilen auch eine
einfache Installation möglich ist. Durch
eine reine Portierung von Bürolösungen
auf Industrieanwendungen ergeben sich
für den Anwender ein erheblicher Installationsmehraufwand und Probleme bei
der Zuverlässigkeit der Systeme. Eine der
Schlüsselkomponenten bei der Portierung
von Office Ethernet auf Industrial Ethernet
ist der Steckverbinder. Er übernimmt die
Aufgabe, Geräte und ganze Netzsegmente
steckbar zu verbinden. Damit diese Verbindung zuverlässig funktioniert, ist eine
Auslegung der Schnittstellen entsprechend
der industriellen Umgebungsanforderungen notwendig.
Im Industriebereich muss ein Energie- oder ein Kommunikationssteckverbinder in vielen Anwendungen vor Ort konfektionierbar
sein. harting setzt deswegen konsequent auf die Schnellanschlusstechnik, die sich in vielen Industrieapplikationen bewährt
Abb. 2: Schliffbild einer HARAXSchneidklemm-Verbindung.
Der saubere Schnitt durch die
Isolation und die gute Kontaktgabe mit dem massiven Leiter
(AWG 23) sind ersichtlich.
hat und mit der der Anwender den Steckverbinder ohne Spezialwerkzeug anschließen kann. Diese Technik wird nun auch in
Ethernet-Steckverbindern im industriellen Umfeld genutzt.
HARAX® IDC-TECHNOLOGIE FÜR INDUSTRIETAUGLICHE
ETHERNET-STECKVERBINDER
Um einen Ethernet-Steckverbinder für das industrielle Umfeld
entwickeln zu können, ist eine Kombination aus den klassischen
Kernkompetenzen im Bereich der schnellen Datenübertragung
Abb. 3: Foto eines AWG 24-Litzenleiters
nach dem Einschneidevorgang durch die
HARAX-Schneidklemme
und dem Know-how des klassischen industriellen Steckverbinderbaus notwendig. Durch Bündelung dieser beiden Kernkompetenzen der Technologiegruppe harting konnte das Unternehmen im
Bereich der industriellen Ethernet-Verkabelung einen entsprechenden Standard setzen.
DIE HARTING RJ INDUSTRIAL-ETHERNET-STECKVERBINDER-
Für Standard Office RJ 45-Steckverbinder mit Piercing-Techno-
FAMILIE
logie (siehe Abb. 1) können lediglich flexible Adern bis maximal
Die modular aufgebaute harting RJ Industrial-Steckverbinder-
AWG 24 genutzt werden. Damit lässt sich nur eine nicht-gasdichte
familie basiert auf dem Standard RJ 45-Steckgesicht und wurde
Verbindung herstellen.
speziell für den Einsatz im rauen Industrieumfeld entwickelt.
harting verwendet dagegen konsequent die HARAX®-Schnell-
Sie weist neue Wege in der Verkabelung von industrietauglichen
anschlusstechnik (siehe Abb. 2). Diese kommt ohne Abisolierung
Ethernet-Komponenten auf. Mit dem durchgängigen Schnellan-
der Adern und ohne Spezialwerkzeug (siehe Abb. 3) aus und
schlusskonzept der Steckverbinder, selbst bei hybriden Verka-
erzeugt einen gasdichten und vibrationssicheren Kontakt.
belungsstrukturen, werden dezentrale Ethernet-Komponenten
Die Handhabung dieser Steckverbinder ist nicht nur einfacher,
sicher in ein Netzwerk eingebunden. Der harting RJ Industrial
sondern aufgrund reduzierter Einzelteile auch rationeller. Der
ist der weltweit einzige RJ-Steckverbinder, an dem robuste Ether-
Anwender kann eine HARAX-Verbindung in wenigen Sekunden
net-Kabel mit einem Querschnitt von AWG 22 in massiver und
perfekt herstellen und ebenso schnell wieder lösen. Dabei lassen
flexibler Ausführung mit IDC-Technologie angeschlossen werden
sich alle Komponenten bis zu zehn Mal wieder verwenden. Für
können.
die Datenkontakte können sowohl massive Adern mit Leiterquerschnitten von AWG 22 bis AWG 23 als auch flexible Adern mit
Das Kernstück eines jeden Steckverbinders ist das RJ 45-Daten-
Leiterquerschnitten von AWG 22 bis AWG 24 verarbeitet werden.
modul mit Schnellanschlusstechnik. Das Datenmodul verfügt
Für die Stromkontakte, die bis zu 16 A belastbar sind, kann der
über 4 HARAX-Schnellanschlusskontakte, die flexible industrie-
Anwender flexible Adern mit einem Querschnitt von 1,5 mm2
taugliche Category 5e-Kabel mit einer Abmessung AWG 22 bis 24
nutzen.
und massive Kabel mit Leiterquerschnitten von AWG 22 bis 23
sicher kontaktieren. Das RJ 45-Steckgesicht wurde durch die Erweiterungen der Luft- und Kriechstrecken so ausgelegt, dass die
in IEEE 802.3 AF geforderten Eigenschaften für Power over MDI
auch in zukünftigen Applikationen voll unterstützt werden.
Abb. 1: Schliffbild eines herkömmlichen
Isolationsdurchdringungsanschlusses in
Piercing-Technologie
48
Um dieses innovative Datenmodul herum hat harting eine komplette Steckverbinderfamilie entwickelt, die alle Anforderungen
der Kunden im industriellen Umfeld abdeckt. Es sind Lösungen
für die Schutzarten IP 20 und IP 67, Standard-, Push Pull- und
harting Han® 3A-Steckverbinders und hoher Schutzart (IP 6x)
Rastbügelverriegelungen verfügbar. Als Leitungen können Daten-
(siehe Abb. 5). Damit bietet harting eine Lösung für RJ 45-
und Hybridleitungen genutzt werden.
basierte Steckverbinder, die in allen industriellen Anwendungen
nutzbar ist. Die Kupplungsseite dieses Steckverbinders ist zu
Auf der Geräteseite sind Wanddurchführungen oder direkt in
100 Prozent kompatibel zu Standard RJ 45-Steckverbindern und
die Geräte integrierte Kupplungen möglich. Die konsequente
erlaubt somit für Service- und Testzwecke eine Verwendung von
Verwendung von SMD-Komponenten für Daten und Energie auf
Standard-Patch-Kabeln. Für das Gehäuse kann die komplette
der Geräteseite ermöglicht geringe Herstellungskosten und eine
Familie der harting Han 3A-Gehäuse verwendet werden, wodurch
hohe Packungsdichte auf der Baugruppe.
Lösungen in Kunststoff, Metall, gewinkelt, gerade und mit Schutzarten IP 65, IP 67 und IP 68 zur Verfügung stehen.
RJ INDUSTRIAL IP 20-DATEN
Durch die konsequente Umsetzung eines einheitlichen Steck-
Die IP 20-Datenvariante des RJ Industrial ist der weltweit kleinste
gesichts aller auf der 3A-Kontur basierten Steckverbinder für
und einzige Ethernet-Steckverbinder, an den AWG 22-Leitungen
Daten- und Hybridlösungen sind alle Versionen für die Daten-
mit IDC-Technologie angeschlossen werden können (siehe Abb. 4).
signale steckkompatibel. Eine optionale Kodierung verhindert
Der Steckverbinder ist mit einem Standard-Rastermaß von nur
ein Vertauschen mit der Hybridversion.
14 mm ausgeführt, was höchste Packungsdichte in der Applikation
garantiert, zum Beispiel in einem Patchfeld mit 8 in einer Reihe
liegenden Anschlüsse, für einen Industrial Ethernet-Switch. Mit
diesem Steckverbinder können industrielle Ethernet-Installationskabel direkt ohne Wanddurchführung an einen IP 20-Switch
angeschlossen werden. Da keine Wanddurchführung notwendig
ist, kann auf eine Umsetzung der Schutzklasse IP 67 auf IP 20
verzichtet werden. Für den Kunden ergeben sich dadurch ein deutlich verringerter Installationsaufwand und durch die geringere
Anzahl von Kontaktstellen eine erhöhte Zuverlässigkeit.
Die Profibus-Nutzerorganisation (PNO) hat den Steckverbinder für
PROFInet als Lösung für den Innenbereich spezifiziert.
Abb. 5: IP 67-Datenmodul. Die Nutzung der weltbekannten
Kontur des HARTING Han 3A-Steckverbinders gewährleistet
uneingeschränkte Nutzung im industriellen Umfeld.
RJ INDUSTRIAL IP 67-DATEN PUSH PULL
Die IP 67-Datenvariante des RJ Industrial im Push Pull-Gehäuse
ist eine komplette Neuentwicklung mit innovativer Gehäuse-Verriegelungstechnik (siehe Abb. 6). Die Datenleitungen mit Leiterquerschnitten bis AWG 22 werden über das RJ 45-Datenmodul
Abb. 4: Konfektioniertes IP 20-Datenmodul. Die Baubreite beträgt
nur 14 mm, was eine höchste Packungsdichte erlaubt.
RJ INDUSTRIAL IP 67-DATEN
Die IP 67-Datenvariante des RJ Industrial bietet alle Vorteile des
modularen RJ 45-Datenmoduls mit Schnellanschlusstechnik.
Sie besitzt ein Industriegehäuse mit der bekannten Kontur des
Abb. 6: IP 67 Datenmodul als Push-Pull Variante.
Innovative Gehäuseverriegelungstechnik für den Einhandbetrieb
gepaart mit hoher industrietauglicher Schutzart.
49
mit IDC-Technologie angeschlossen. Das Steckverbindergehäuse
Der Datenanschluss erfolgt über das RJ 45-Datenmodul mit IDC-
verrastet sicher über eine umlaufende Verriegelungshülse mit
Schnellanschlusstechnik. Die bis 16 A belastbaren 4 Kontakte
der Kupplung. Der Steckverbinder läßt sich mit nur einer Hand
des Hybridmoduls sind ebenfalls in Schnellanschlusstechnik
und geringer Kraft ver- und entriegeln. Das Gehäuse ist trotz der
ausgeführt und erlauben den Anschluss von flexiblen Leitern bis
hohen Schutzart sehr kompakt und es benötigt bei einem Ein-
zu einem Durchmesser von 1,5 mm2. Alle Kontakte können bis zu
baumaß von 27 x 21 mm in der Wanddurchführung den gleichen
zehn Mal wiederverwendet werden. harting hat die Einbaulänge
Platz wie eine M12-Buchse. Damit ist der RJ Industrial Push Pull
des Industriestandardgehäuses Han 3A in seiner hybriden IP 67-
der weltweit kleinste Industrial Ethernet-Steckverbinder basie-
Variante um 30 Prozent reduziert und damit die Hand habung
rend auf RJ 45 mit IDC-Anschlusstechnik.
und Verwendbarkeit in kompakten Industrieapplikationen deutlich verbessert.
Auch in der Push Pull-Version ist die Kupplungsseite zu 100 Prozent kompatibel zu Standard RJ 45-Steckverbindern, wodurch
FAZIT
auch hier Standard-Patch-Kabel für Service- und Testzwecke
Für eine übergreifende Netzwerkfähigkeit spielt Kompatibilität
genutzt werden können.
eine herausragende Rolle. Erst wenn der ungehinderte Datenaustausch sichergestellt ist, funktionieren Kommunikations-
RJ INDUSTRIAL IP 67 HYBRID
aktivitäten reibungslos. Ist eine durchgängige Kommunikation
Im Gegensatz zum Büro benötigen dezentrale Peripheriegeräte
gefragt, so darf diese nicht an der Schnittstelle „Steckverbinder“
in einer IP 67-Umgebung für die Stromversorgung der 24 V-
scheitern. Der heutige RJ 45 ist zweifellos der Standard für
Aktorik eine hybride Verkabelung, d.h. neben der Verbindung
die Kommunikation, es geht damit an ihm kein Weg vorbei.
der Signalleitungen ist auch die Spannungsübertragung zu
Die harting RJ Industrial-Familie ist ein gelungenes Beispiel
gewährleisten.
dafür, dass De-Facto-Standards (wie der RJ 45) aus bestehenden
Systemen (nämlich der Bürowelt) auf der einen Seite und Markt-
Mit dem RJ Industrial-Hybridsteckverbinder hat harting eine
anforderungen mit den entsprechenden Rahmenbedingungen
Schnittstellenlösung entwickelt, die für hybride Ethernet-Netz-
(aus der industriellen Feldebene) durch Nutzung entsprechenden
werke Datenleitungen und Stromversorgung in einem Kabel
Know-hows und Erfahrungen der Technologiegruppe harting zu
vereint, wobei die Lösung gleichzeitig steckbar ist (siehe Abb.
einer anwendungsorientierten Lösung verschmolzen wurden.
7). In der Steckgeometrie sind jedoch Daten und Power sauber
voneinander getrennt. Dadurch werden die Kosten für Installation und industrietaugliche Feldgeräte mit hybrider Verkabelung
drastisch reduziert.
Abb. 7: IP 67-Hybridmodul. Die Kombination von
Daten- und Leistungskontakten in einem Gehäuse
50
Volker Sorhage
Product Manager RJ Industrial & InduCom
[email protected]
FELDKONFEKTIONIERUNG VON INDUSTRIAL ETHERNETSTECKVERBINDERN
5a
Die Vor-Ort-Konfektionierung stand im Mittelpunkt bei der Entwicklung der neuen Steckverbinderfamilie harting RJ Industrial. Das Ergebnis: Ein Installateur kann die Montage für die
IP 20-Datenversion in weniger als einer Minute und für die IP 67-
5b
Hybridversion in weniger als zwei Minuten vor Ort durchführen.
Aber auch ungeübte Kräfte können alle einzelnen Arbeitsschritte innerhalb kürzester Zeit erlernen und zuverlässig realisieren.
5c
Unterschiedliche Spezialwerkzeuge für die Verarbeitung des
RJ 45-Datenmoduls und der Power-Leitungen sind nicht notwendig.
harting liefert alle Komponenten in einem übersichtlichen Set.
Datenmodul und Spleißelement mit
Hilfe des IDC-Montagewerkzeuges
zusammenpressen und damit
die Schneidklemm-Verbindung
herstellen
6
Oberes Schirmblech aufsetzen und
über den Kabelschirm drücken
Es sind nur wenige Schritte nötig, um ein industrielles EthernetKabel an einen harting RJ Industrial-Steckverbinder mit IDC-Anschlusstechnik schnell und zuverlässig anzuschließen.
7
Unteres Schirmblech aufsetzen und
mit dem oberen Schirmblech mit
einem hörbaren „Klick“ verrasten
1
Gehäuse und Verschraubung über
den Kabelmantel schieben
8
Gehäuse über das montierte Datenmodul schieben und mit einem
hörbaren „Klick“ verrasten
2
Kabelmantel und Schirmgeflecht
auf die korrekte Länge abisolieren
9
3
Kabelverschraubung festziehen
Adern ausformen und in das
mit dem Farb-Code versehene
Spleißelement einführen
Ein weiterer Vorteil der Schnellanschlusstechnik zeigt sich auch
in der industrietauglichen Schirmung des Datenmoduls im Steck-
4
verbinder, wodurch eine bisher übliche Crimpung des Schirmes
überflüssig ist. Bei der HARAX-Schnellanschlusstechnik werden
einfach zwei Schirmbleche über das Datenmodul gesteckt und
Spleißelement auf das RJ 45-Datenmodul aufsetzen und einrasten
mit einem hörbaren Klick zusammengedrückt. Schon ist eine
komplette 360-Grad-Schirmanbindung des Mantels erreicht.
51
tec.
T o p t h e m a
TECHNOLOGIE
Dr. Christian Ernst
Micro Packaging – die Verbindung von der Mikro- mit der Makrowelt
Zum Portfolio der Technologiegruppe harting gehört neben
den weltweit bekannten Kompetenzen in der elektrischen Verbindungstechnik oder in der Übertragung von Daten unter
härtesten Bedingungen auch ein ausgewiesenes Know-how
in der Mikrofertigung, Mikromechanik und Mikrokontaktierung.
Der strategische Ansatz des Unternehmens ist die konsequente
Weiterentwicklung des ehemaligen Steckverbinder- und Automaten-Herstellers zur Technologiegruppe und zum Systemlieferanten harting. Eine Thematik, die diese Weiterentwicklung
Abb. 1: Micro Packaging als Weiterentwicklung der Verbindungstechnik zu Mikrosystemen und Halbleiter-Anbindung
exemplarisch darstellt, ist die Verbindung unterschiedlichster
Technologien der Unternehmens-Gruppe im Micro Packaging.
Die erste Technologie, die auf einem Gehäuse mit integrierter
Micro Packaging kommt in der Mikrosystemtechnik eine beson-
FlexPCB, d.h. einer flexiblen Leiterplatte basiert, besitzt Vor-
dere Bedeutung zu, da hier eine hohe Wertschöpfung entsteht
teile in den Bereichen der hohen Packungsdichte und der guten
(der Kostenanteil am Produkt beträgt heute bis über 50%) und
Hochfrequenzleistung. Deshalb wird diese Technologie zurzeit
spezifisches Know-how und Systemwissen kostensenkend
bei harting im Bereich der elektro-optischen Wandler für die
eingesetzt werden können. Industrialisierbare technische oder
Datenübertragung hoher Bandbreiten eingesetzt (Abb. 2).
gar standardisierte Lösungen sind jedoch gerade in diesem Feld
wenig ausgeprägt. harting eröffnet Anwendern in diesem Umfeld
Der zweite Ansatz basiert auf MicroMID™ (MID = Moulded
anforderungsorientierte und kostenoptimierte Lösungen.
Interconnect Device), d.h. einen dreidimensionalen spritzgegos-
ZUKUNFTSMARKT MIKROSYSTEMTECHNIK
Funktionalitätserhöhung hat. Durch die vorhandenen Freiheits-
Mikrosystemtechnik wird von unterschiedlichen Studien als einer
grade des Spritzgusses ergeben sich vielfältige Möglichkeiten,
der zukünftigen Wachstumsmärkte mit höchsten Zuwachsraten
zusätzliche Funktionen direkt in das MID zu integrieren. Dies
angesehen. Bereits heute gehören viele Mikrosysteme zum tägli-
kann bis zu dem Punkt führen, dass die Außenseite des MID
chen Leben, ohne dass die Anwender der Produkte dies bemerken.
die Gehäuseschale bildet. Damit ist ebenfalls eine Verringerung
So sind heute in modernen Automobilen über 30 Mikrosysteme
des Montageaufwandes gegenüber Packaging-Konzepten von
senen Schaltungsträger, der vor allem Vorteile im Bereich der
im Einsatz. Aber auch in den Bereichen Medizintechnik, Kommu-
herkömmlichen Leiterplatten verbunden (Abb. 3). Sowohl bei 2-
nikationstechnologie und Sensortechnik z.B. für die Industrieau-
Komponenten-MIDs als auch bei laserstrukturierten MIDs besitzt
tomatisierung werden in zunehmenden Maße Mikrosysteme
harting die vollständige Fertigungstiefe im eigenen Haus, wobei
eingesetzt.
Gründe für die Miniaturisierung sind die Steigerung der Funktionalität je Raumeinheit, die Erhöhung der Sicherheit und der
Abb. 2: Ankontaktierung mit Flex PCB
Leistung und natürlich Kostensenkungsaspekte.
PACKAGING-ANSÄTZE VON HARTING
Um die Mikrosysteme an die Makrowelt zu kontaktieren, sind die
Interconnection- und Packaging-Lösungen eine Schlüsseltechnologie der Mikrosystemtechnik. harting hat verschiedene PackagingLösungen entwickelt, die im Folgenden dargestellt werden.
harting kann Technologien mit unterschiedlichen Eigenschaften
und Leistungen liefern, die sich im Micro Packaging-Umfeld in
drei Hauptzweige unterteilen lassen. Alle drei Zweige dieser Technologien sind bei harting in hoher Fertigungstiefe vorhanden.
54
Abb. 2: Ankontaktierung mit Flex PCB
GEHÄUSE MIT INTEGRIERTER FLEXPCB
MICROMIDTM
UMSPRITZTER KONTAKT
Abbildung 2
Abbildung 3
Abbildung 4
Hohe Packungsdichte
Leiterbahnbreite > 50 µm
Justieraufbauten nur mit zusätzlichem
Montageaufwand
Integration weiterer Funktionen nur mit
erhöhtem Montageaufwand
Zweidimensionaler Aufbau
Mittlere Packungsdichte
Geringe Packungsdichte
Kein Montageaufwand zwischen LeiterCovering als Umgebungsschutz
platte und Gehäuse
Justieraufbauten nur mit zusätzlichem
Justieraufbauten leicht zu integrieren
Montageaufwand
Integration weiterer Funktionen (Spiegel, Integration weiterer Funktionen nur mit
Fasern, Kanäle) möglich
erhöhtem Montageaufwand
Dreidimensionaler Aufbau
Zweidimensionaler Aufbau
Mehrlagiger Aufbau
Einlagiger Aufbau mit Shielding
Montage von FlexPCB und Gehäuse
Einlagiger Aufbau
Tab. 1: Micro Packaging-Lösungen bei HARTING
die eigentliche Laserstrukturierung mit einem Kompetenz-Part-
Der große Vorteil, den harting durch die verschiedenen Techno-
ner bearbeitet wird.
logien bietet, ist die auf die spezifischen Wünsche angepasste
Die dritte Technologie basiert auf umspritzten Kontakten (Abb.
Packaging-Lösung, die adäquat entwickelt und mit großer Ferti-
4). Diese Vorgehensweise, die ihren Einsatz im Bereich geringer
gungstiefe produziert werden kann.
Packungsdichte und Leiterbahnbreiten ≥ 200 µm findet, hat
vor allem Vorteile im Bereich der großen Stückzahlen und der
Kostenreduktion. Ein Beispiel ist der von harting gefertigte
ABS-Sensor.
Für alle drei Technologien gilt, dass im Hause harting sowohl die
vertikale als auch die horizontale Fertigungstiefe vorhanden ist.
Die Vorteile der drei Technologien sind in der Tabelle 1 zusammengefasst dargestellt.
Je nach Kundenanforderungen wird die entsprechende Technologie ausgewählt und angepasst, um den Kundennutzen zu
Abb. 4: Umspritzter Kontakt
maximieren. Je nach Kundenanforderungen stehen je nach
Projekt Miniaturisierung, Reduktion des Montageaufwandes,
Erhöhung der Funktionalität, Kostenreduktion oder Erhöhung
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
der Funktionssicherheit im Vordergrund.
Die drei Technologie-Zweige, mit denen harting an potenzielle
Partner herantritt, werden durchgehend positiv aufgenommen.
Es wurden Gespräche mit Partnern im Bereich Automotive und
Medizintechnik geführt. In nächster Zeit werden die Kontakte
insbesondere zu Partnern im Bereich Sensorik vertieft. Insgesamt
entwickelt sich das Technologieumfeld „Micro Packaging“ bei
harting sehr positiv, so dass in nächster Zeit neue Produkte auf
dem Gebiet Micro Packaging aus dem Hause harting präsentiert
werden können.
Abb. 3: MicroMID™
Dr. Christian Ernst
Manager Polymer Technologies
HARTING Electro Optics GmbH & Co. KG
[email protected]
55
tec.
T o p t h e m a
TECHNOLOGIE
Dr. Jens Krause
Der parecon®
unter voller Belastung 10 GigaBit pro Sekunde
Die Datenraten in der digitalen Kommunikationstechnik steigen unvermindert an. Inzwischen ist die serielle Übertragung
von 10 GigaBit pro Sekunde ein aktuelles Thema.
Wie schon in der Vergangenheit bestimmt oftmals die Verfügbarkeit entsprechender Halbleiter-Komponenten das Fortschrittstempo. Die Verfügbarkeit von 90 nm CMOS-Prozessen ist für die
zweite Hälfte 2003 angekündigt. Damit werden Datenraten von
10 GigaBit/s auf digitalen Standard-Chips (CMOS) möglich. Dann
muss auch die Datenperipherie eine entsprechende Leistung liefern, um das Potenzial der Halbleiter auszuschöpfen.
Folgerichtig entwickeln sich in den Zielmärkten schnell Applikationen, die von der neuen möglichen Datenrate Gebrauch machen.
Das weit verbreitete Ethernet-Protokoll stellt z.B. bereits eine 10
GigaBit/s-Norm bereit. Sie beinhaltet neben parallelen Lösungen
auch die serielle Datenübertragung auf einem Kanal.
Eine Reihe von Halbleiterherstellern präsentieren Chipentwicklungen für 4- bis 12-kanalige elektro-optische Wandler. Die
Verfügbarkeit dieser Halbleiter wird auch hier eine Einführung
der Applikation in naher Zukunft bewirken, denn die Bedarfe
an zusätzlichen Datenkapazitäten wachsen trotz der aktuellen
wirtschaftlichen Gesamtsituation.
Die Verfügbarkeit von speziellen Equalizer-Chips scheint inzwischen sogar die Übertragung von 10 GigaBit/s in Backplanes zu
ermöglichen. Dadurch wird eine wichtige Lücke geschlossen, die
bisher für die Durchsetzung der Datenrate hin zu einem durchgängigen Standard bestand.
MARKT
harting hat im Jahre 2001 mit der Entwicklung eines elektrooptischen Wandlersystems begonnen. Im Unterschied zu vergleichbaren Entwicklungen von Wettbewerbern sind die Wandlermodule
elektrisch steckbar. Diese Steckbarkeit der Wandlermodule ist
eine essentielle Systemeigenschaft. Sie vereinfacht Aufrüstung
und Wartung von Host-Boards. Außerdem kann eine elektrische
Steckung vielfach zuverlässigkeitskritische optische Steckungen
vermeiden.
56
Steckernorm aufgebaut sind, konnte allerdings noch nicht die
gesamte Leistungsfähigkeit des parecon sichtbar gemacht werden.
Die Störungen der SMA-Koaxial-Kontakte und der Messumgebung überwiegen immer noch die äußerst geringen Einflüsse
des neuen Steckverbinders. Dieser für sich erfreuliche Umstand
erfordert, dass zur Zeit spezielle Testboards und eine verbesserte
Anbindung an die Messgeräte entwickelt werden.
Abb. 1: parecon®
DER IMPEDANZVERLAUF
Ein Steckverbinder ist in diesem Fall als ein Wellenleiter zu
Die Idee bei der Realisierung der elektrischen Steckung ist, die
betrachten. Wichtiges Merkmal ist der Wellenwiderstand des
hochfrequenten Signale auch innerhalb des Steckverbinders in
Signalpfades. Eine der differenziellen Impedanz des Signals
einer definierten Wellenleiterstruktur verlustarm zu führen.
nicht optimal angepasste Wellenleiterstruktur führt zu Signal-
Diese Eigenschaft der aktuellen elektrischen Steckverbinderent-
verlusten.
wicklung von harting stößt am Markt auf breites Interesse. Es ist
Um die optimale Geometrie für die Wellenleiterstruktur zu
schon jetzt absehbar, dass die Applikation nicht auf die eigenen
ermitteln, wurden im Vorfeld Simulationen durchgeführt, die
elektro-optischen Systeme beschränkt bleiben wird.
jetzt durch TDR- (Time Domain Reflectometry) Messungen an
So ist harting beim XFP MultiSourceAgreement für „10 GigaBit/s
parecon-Steckverbindern bestätigt wurden. Die Vorhersage, die
serielle elektro-optische Transceiver“ inzwischen als Projektpart-
Zielimpedanz von 100 Ω mit ± 10 Ω einzuhalten, wurde über-
ner für die Ankontaktierung der Transceiver-Module nominiert.
troffen. Die Messungen zeigen einen Impedanzverlauf mit ± 5 Ω.
Auf dem Weg dorthin musste die harting-Lösung, die inzwischen
Das bedeutet, dass innerhalb des Steckverbinders eine optima-
den Namen parecon trägt, ihre überlegene Performance gegen-
le Signalführung gewährleistet ist und Signale weitestgehend
über Entwicklungen von etablierten Wettbewerbern beweisen.
unverzerrt und verlustfrei passieren können.
Wesentlich zum Erfolg des parecon beigetragen haben die
Applikationsanforderungen und das positive Feedback der Kunden,
die rechtzeitig zur electronica 2002 mit parecon-Testboards
versorgt wurden.
TECHNIK
Die herausfordernden Entwicklungsziele für den parecon-Steckverbinder liegen in der Optimierung der Hochfrequenzeigenschaften. Messungen im zertifizierten harting-Labor belegen
hervorragende Übertragungseigenschaften des parecon für
10 Gb/s-Signale. Mit gängigen Testboards, die auf der SMA-
Abb. 3: Der Impedanzverlauf
DAS AUGENDIAGRAMM
Eine weitere wichtige Messung stellt das Augendiagramm dar.
Ein beliebiges digitales Signal durchläuft den Prüfling und wird
viele Male überlagert auf einem Oszilloskop dargestellt. Gut zu
unterscheidende Signalverläufe für High- und Low-Bits aus dem
Signalverlauf bedeuten, dass die digitale Information beim EmpAbb. 2: Testboard
fänger ankommt. Man sagt, das Auge ist geöffnet.
57
Abb. 4: Augendiagramm
DIE s-PARAMETER
Die so genannten s-Parameter beschreiben die frequenzabhängigen Durchlass- und Reflexionsanteile des Signalpfads durch den
Steckverbinder. Eine große negative Einfügedämpfung und eine
Abb. 6 + 7: Übersprechen
geringe Durchlassdämpfung im Bereich bis zu 10 GHz zeigen
die Tauglichkeit des parecon-Steckverbinders für 10 GigaBit/sAnwendungen.
AUSBLICK
Die Möglichkeit, eine verlustarme elektrische Steckverbindung
für 10 GigaBit/s zwischen zwei Boards zu erzeugen, eröffnet eine
Vielzahl von Applikationen. Aufgrund der treibenden Dynamik
der Halbleiterentwicklung ist abzusehen, dass ein drastisch steigender Bedarf an Hochfrequenz-Steckverbindungen mit hoher
Signaldichte entstehen wird. Nicht zuletzt die PC-Technik mit
Prozessortaktraten von zur Zeit fast 3 GHz wird in nächster Zeit
zum Bedarfsträger werden. Eine flächige Anordnung der parecon
zugrundeliegenden Kugelkontaktierung ermöglicht eine Vervielfachung der Signaldichte. Entsprechende Konzepte werden zur
Zeit diskutiert.
Abb. 5: Die s-Parameter
Die prinzipielle Eignung der Stecktechnologie für noch höhere
Frequenzen wird erprobt, um die Zukunftsfähigkeit der Steck-
ÜBERSPRECHEN
verbinderfamilie zu gewährleisten. Erste Messungen bis 40 GHz
Das Übersprechen, englisch Cross-Talk, ist das Maß, inwieweit
zeigen ein prinzipielles Potenzial, mit veränderten Materialien
sich Signalverläufe innerhalb eines Mehrfachsteckverbinders
auch die nächste Entwicklungsstufe bis 40 GigaBit/s vollziehen
gegenseitig beeinflussen und damit stören können. Als Crosstalk
zu können.
eines Signals wird das auf einer anderen Leitung empfangene
Störsignal bezeichnet. Gemessen wird der Crosstalk als Verhältnis zwischen Störsignal und Ursprungssignal in dB. Ziel ist es,
den Crosstalk möglichst gering zu halten.
58
Dr. Jens Krause
Head of Development
HARTING Electro Optics GmbH & Co. KG
[email protected]
tec.
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PRAXIS
Konstantin Berditchevsky
Han-Brid® verbindet russische
Ethernet-Anwendung
Die neue von Nienschanz-Avtomatica in Russland vorgestellte Geräteserie PLS NZ-6000 greift auf die Schnittstelle Han-Brid RJ 45 zurück.
Der bekannte russische Hersteller von elektronischen Datenerfassungs- und
Datenverarbeitungssystemen sowie Systemen für die Fabrikautomatisierung
bietet die neue Serie mit folgenden technischen Leistungsmerkmalen an:
· CPU: DM&P (Ali) M6117D
· Flash Disc: 32MB
· COM 1: RS-232, COM 2: RS-485
· Ethernet 10 Mbps
· Betriebstemperatur: 0 - 60 °C
Die offene Architektur der Steuerung ermöglicht neben dem Programmieren mit den Programmiersprachen IEC 61131 - FB, LD, ST, SFC, IL auch ein
Programmieren mit Hilfe traditioneller Kommandosprachen. Die Modulbautechnik umfasst ein wasserdichtes Gehäuse, das für alle Zugangselemente
zum Netzwerk und die entsprechenden E/A-Modulen den Schutzgrad IP
65 bietet. Hier beweist die Schnittstelle Han-Brid RJ 45 ihre Fähigkeit, die
Ethernet-Netzverbindung zuverlässig zu schützen. Die Geräteserie kann
somit auf einfache Weise direkt in das Netzwerk der Fabrikautomatisierung
eines Produktionsbetriebs integriert werden.
Konstantin Berditchevsky
Marketing & Product Management
HARTING ZAO Russia
[email protected]
59
tec.
T o p t h e m a
PRAXIS
Thomas Wolting & Jürgen Bösch
Han® 3A-Standardschnittstelle
Integriert in Metall- oder Kunststoffgehäuse der Serie Han 3A bietet harting ein
umfangreiches Sortiment industrietauglicher Steckverbindereinsätze zur Datenkommunikation an.
Speziell die Baureihe Han-Brid® steht dabei für die zukunftsweisende industrielle
Kommunikationsschnittstelle. Die kompakte Bauform unterstützt die fortschreitende
Miniaturisierung innovativer Automatisierungskonzepte. Han-Brid steht für die Kombination einer Daten- und Energieschnittstelle auf kleinstem Raum. Die Bauteile der
Hybrid-Steckverbinderfamilie beinhalten immer eine 50 V-Spannungsversorgung der
dezentralen Baugruppen. Die Stromtragfähigkeit der Energieversorgung beträgt für alle
Komponenten 10 A, somit steht einer Busstruktur mit 50 V-Spannungsversorgung nichts
mehr im Weg. Hierbei greift man auf bewährte Han D®-Kontakte zurück, die schon zu
Millionen in der Industrie im Einsatz sind.
60
Zur Datenübertragung stehen in der Han-Brid-Familie mehrere Übertragungsmedien zur
Verfügung:
· Han-Brid FO für Lichtwellenleiter aus Kunststoff oder HCS Faser
· Han-Brid Cu für den Einsatz von geschirmten twisted pair-Leitungen
· Han-Brid RJ 45 für Ethernet-Anbindung für die industrielle Kommunikation
· Han-Brid Quintax 3A für 4-Draht-Bussysteme mit kompletter Schirmanbindung
In enger Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern ist
das Programm der Han 3A-Standardschnittstellen um zwei
anwendungsorientierte Varianten erweitert worden.
Han-Brid USB
Der Einsatz von dezentralen Komponenten mit einer USBSchnittstelle macht auch vor den Fertigungsprozessen in der
Industrie nicht halt. Die aus der Computeranwendung generierten Anwendungsfelder wie Anschluss von Drucker, externen Speichereinheiten, Laufwerken,
Webcam usw. werden für die Industrie immer wichtiger.
Die neue Han-Brid USB-Schnittstelle erfüllt das Anforderungsprofil und schließt die unterschiedlichen Komponenten über USB am Schaltschrank im erhöhten IP-Bereich an.
Der Kontakteinsatz für diese neue Anschlussmöglichkeit in der Han 3A-Gehäusebaureihe ist
ausschließlich als Wanddurchführung erhältlich. Die sich dadurch ergebenden Möglichkeiten
sind vielfältig und ermöglichen den Anschluss, ohne den Schaltschrank zu öffnen. Die Integration in die bewährte Han 3A-Gehäusebaureihe ist ein weiterer Schritt, ein bewährtes Konzept für die industrielle Kommunikationstechnik zu nutzen.
Han 3A SC
Ergänzt wird die Baureihe Han 3A weiterhin durch einen neuen Kontakteinsatz, der die Verwendung handelsüblicher SC-Kontakte
ermöglicht. Dabei wird jeder Han 3A-Einsatz mit bis zu vier LWL SC-Kontakten bestückt.
Dem Anwender eröffnet sich somit die Möglichkeit einen mit GI-Fasern der Typen 50/125 GI und 62,5/125GI bestückten mehrpoligen
Steckverbinder nutzen zu können, der ohne zusätzliche Maßnahmen eine Schutzart bis IP 68 erreicht. Die Kodierung des Steckverbinders vermeidet daneben Vertauschungen und erhöht die Servicefreundlichkeit.
Besonders im Hinblick auf neue, vorwiegend auf Ethernet basierende Systeme, schafft harting mit dem SC-Kontakteinsatz eine weitere
Lösung für die Integration neuer Technologien im industriellen Umfeld.
Thomas Wolting
Produktmanager
[email protected]
Jürgen Bösch
Produktmanager
[email protected]
61
62
tec.
T o p t h e m a
TECHNOLOGIE
Jens Kahle
Von der Technologie zur Lösung – HARTING Vending, der
Spezialist für elektronische Shop- und Service-Systeme
Als Teil der Technologiegruppe harting ist die harting Vending
GmbH & Co. KG einer der weltweit führenden Spezialisten
für ELEKTRONISCHE SHOP- und SERVICE-SYSTEME (e3S).
Der Anspruch des Unternehmens ist es, seine Technologien
und die vorhandenen Erfahrungen zu nutzen, um Marktanforderungen zu erfüllen.
63
Mit den vier Kernkompetenzen METALLBEARBEITUNG, GELD-
Das Biegezentrum, das mit CNC-gesteuerten Gesenkbiegepressen
MANAGEMENT, ELEKTRONIKSYSTEME und NETZWERKTECH-
mit bis zu fünf frei programmierbaren Vollachsen ausgerüstet
NOLOGIEN werden neue Produktzweige erschlossen und neue
ist, erlaubt die selbständige Errechnung der Prozessdaten durch
Ideen verwirklicht (Abbildung 1).
Eingabe der Teilegeometrie, Materialzugfestigkeit und Material-
METALLBEARBEITUNG
automatisierten Biegezentrum die Möglichkeit zur Herstellung
Der Technologiebereich Metallbearbeitung setzt sich aus einzel-
finaler Geometrien für Metallgehäuse aller Art.
nen Kompetenzen zusammen, die sich in der Vergangenheit auf
Auch die vorhandenen Schweißtechnologien umfassen ein breites
Grund der Entwicklung von Zigarettenautomaten ergeben haben.
Portfolio:
dicke. Damit besitzt harting im vollständig computergestützten,
Die einzelnen Fähigkeiten sind insbesondere in Hinsicht auf die
technologische Entwicklung in den letzten Jahren permanent auf
· Roboterschweißen
modernsten elektronischen und mechanischen Stand gebracht
· Widerstandspressschweißen
worden.
· Bolzenschweißen
harting verwendet in seiner Produktionsstätte modernste CNC-
· Bolzenschweißmaschine
Stanzsysteme mit rotierenden Stanzköpfen, automatischem
· Schutzgasschweißen
Werkzeugwechsel sowie automatischer Teileentsorgung. Die
Palletierung und die Möglichkeit zur automatischen Blechtafel-
Mit der vollautomatischen Lackierstraße für pulverbeschichtete
zuführung aus dem integriertem Blechlager erlauben die rasche
Metallteile beliebiger Geometrie wird auch hier auf modernste
und präzise Erstellung von Blechteilen beliebiger Geometrie zur
Bearbeitungstechnologien Wert gelegt. Sie erlaubt einen raschen
Ausbildung von Gehäuseteilen, Türen, Sicherheitsschränken und
Farbwechsel innerhalb kürzester Zeit und im selben Fertigungs-
Einschüben, welche im Industrie- aber auch im Dienstleistungs-
los. Dabei geschieht die komplette Steuerung mittels einer rech-
bereich eingesetzt werden können.
nergeführten Anlagensteuerung.
Systems Solutions
Electronic Shop and Service Systems
Sheet Metal
l
l
l
l
Money
management
Electronic
systems
CNC punching
Bending
technology
Welding
technology
Surface
techniques
l
l
Coin In and Out
l
PCB-design
Notes In and Out
l
Schematic design
l
Payment card
l
Software design
l
Customised cards
l
Micro controller
l
Data report and
data transfer
l
PC based control
units
Networking
l
GSM/GPRS/
UMTS technologies
l
DECT technologies
l
Bluetooth
Abb. 1: Kompetenzmodell von HARTING Vending
64
GELDMANAGEMENT
gien wie der GSM-Mobilfunktechnologie in Warenverkaufsauto-
Sämtliche zur Geldverarbeitung notwendigen Technologien
maten hin gearbeitet. Auch DECT- und Bluetooth-Technologien
sind vorhanden. Dazu gehören insbesondere Münzprüfer, Münz-
werden in aktuelle und zukünftige Projekte integriert.
wechsler, Geldkartenleser und auch Banknotenleser, die als
Komponenten innerhalb der Automaten sowohl in elektronischer
All diese Kompetenzen gilt es sinnvoll und effektiv einzusetzen.
als auch mechanischer Hinsicht integriert werden. harting besitzt
Um das zu garantieren, werden Produkte und Projekte ständig
in diesem Zusammenhang eine über dreißig Jahre reichende
den aktuellen Gegebenheiten am Markt angepasst.
Erfahrung in allen die Sicherheit, die Funktionsstabilität und die
elektronische Integration betreffenden Aspekte.
Ein Beispiel hierfür ist die Einführung des Pfandes auf bestimmte
Einweggebinde.
ELEKTRONISCHE SYSTEME UND SOFTWAREENTWICKLUNG
Auch Elektronische Systeme und Softwareentwicklung sind
RÜCKNAHMESYSTEME VON HARTING
Kernkompetenzen von harting. Der Verkaufsvorgang und die
Die jahrelange Erfahrung mit dem Lebensmitteleinzelhandel
Datenerfassung erfolgt bei modernen elektronischen Automa-
und den entsprechenden Bedürfnissen der Verkaufsstellen haben
ten gesteuert über Mikrocontroller. Die Erstellung der hierzu
gezeigt, dass harting mit seinen Kompetenzen eine entsprechende
nötigen Programme geschah in der Vergangenheit vorwiegend
Lösung für Rücknahmesysteme entwickeln kann. Zusammen mit
in Assembler für den 80C51/52. In der Zwischenzeit wird die
starken Kooperationspartnern wie der Giesecke & Devrient GmbH
immer komplexer werdende Funktionalität (EVA-DTS Protokoll,
wurde ein gemeinsames Pfand-System konzipiert.
Programmupdate, etc.) des Automaten durch eine Hochsprache
abgebildet. harting setzt hierzu den Keil C-Compiler mit einer
integrierten Entwicklungsumgebung ein. Des Weiteren wird
moderne, auf PC gestützte Software entwickelt, die zum Beispiel
dazu dient, die Automaten zu „flashen“, d. h. mit einem SoftwareUpdate zu versehen.
Innerhalb des Technologiebereiches Electronic System-Development verwendet harting modernste elektronische Entwicklungssysteme zur sicheren Handhabung und kompletten Abbildung
aller elektronischen Einzelheiten für die Erstellung von elektro nischen Steuerungen und bestückten Leiterkarten. Die mechanische Konstruktion von Automaten und zugehörigen Komponenten
erfolgt auf einem parametrischen 3D-CAD-System. Schwerpunkt
ist dabei die Modellierung von Blech- und Kunststoffspritzgussteilen, sowie die Ableitung entsprechender Baugruppen mit dem Ziel
der annähernd vollständigen Endgerätekonfiguration. Daten für
Zulieferteile – d. h. in erster Linie Kunststoffformteile – können
über entsprechende Datenschnittstellen an Zulieferer und Werkzeugbauer weitergegeben werden. Vorgeschaltet ist hier oftmals
eine Anfertigung von funktionsfähigen Stereolithographiemusterteilen, die auf der Basis von übermittelten 3D-Daten
innerhalb kürzester Zeit möglich ist.
NETZWERKTECHNOLOGIEN
Auch im Bereich der Netzwerktechnologien hat harting in den
letzten Jahren verstärkt auf die Integration moderner Technolo-
Abb. 2: Rücknahmesystem
65
Das Rücknahme- (bzw. Reverse-Vending-) System von harting ist
eine kostengünstige und kompakte Lösung zur Entwertung von
pfandpflichtigen Einweggebinden. Dieses Produkt erleichtert es
kleinen und mittleren Verkaufsstellen wie Kiosken, Tankstellen,
kleineren Einzelhändlern usw. mit einem angemessenen Investitionsaufwand eine einfache und sichere Leergut-Rücknahme und
Pfandausgabe zu gewährleisten. Die Aufstellung kann sowohl im
als auch außerhalb von Gebäuden erfolgen. Die automatisierte
Rücknahmelösung ermöglicht die Erkennung und Entwertung
der unterschiedlichen Einweg-Pfandgebinde unabhängig von
der Materialbeschaffenheit, Form und Größe. Das manipulationssichere System zerstört das auf den Gebinden aufgebrachte
Label und stellt somit sicher, dass Mehrfach-Auszahlungen und
Fälschungen jeglicher Art ausgeschlossen sind, ohne dabei das
Pfandgut zerstören zu müssen.
Wahlweise ist dabei die Auszahlung von Bargeld oder die Ausgabe eines Gutscheins möglich. Unter Einsatz einer integrierten
Funkanbindung über GSM oder GPRS kann außerdem eine direkte Übertragung von Servicedaten und auch ein zukunftssicheres
Software-Update vorgenommen werden.
LOAD & CALL
Abb. 3: Hängendes load&call-System
Ein weiteres Beispiel für die Vielseitigkeit der Produktpalette ist
die Geräteserie „LOAD & CALL“ – ein Verkaufssystem für virtu-
1. Der Kunde entnimmt den Bon mit dem Pincode aus der Entnah-
elle Produkte. Mit dieser Neuentwicklung können zum Beispiel
me. Dieser Pincode wird wie bei den schon handelsüblichen
Prepaid-Handys aufgeladen oder Tickets für Fußballspiele oder
Guthabenkarten über das Handy an den Provider übermittelt,
sonstige Veranstaltungen unabhängig von Ladenschlusszeiten im
der dann das Guthaben in wenigen Minuten zubucht.
Innenbereich und im geschütztem Außenbereich verkauft werden.
Alleine in Deutschland gibt es derzeit ca. 51 Millionen Mobiltelefo-
2. Statt der Eingabe des Pincodes wird bei dieser Variante nur
ne, von denen rund 70% mit einer Prepaid-Karte ausgestattet sind.
noch die Rufnummer des betreffenden Mobiltelefons über die
Erst nach dem Aufladen dieser Geräte mit einem Guthaben kann
Tastatur von load&call eingegeben und aus Sicherheitsgründen
telefoniert werden. Bis heute erfolgt die Aufladung durch den
ein weiteres Mal bestätigt. Anschließend bucht der Provider
Kauf einer Guthabenkarte, dem Freirubbeln eines Pincodes und
das Guthaben in wenigen Minuten zu.
der Übermittlung dieses Pincodes mittels Handy an den Provider.
Der Provider bucht dann auf das Konto des Prepaid-Handys das
Auf Basis der Plattformstrategie wurde das Geldmanagement,
Guthaben zu, und es kann telefoniert werden. Von diesen Karten
die Steuerung, die Funkübertragung, das Display, die Tastatur
werden jährlich bis zu 350 Millionen Stück über Tankstellen,
und der Drucker von den vorhandenen Verkaufsautomaten für
Supermärkte und Fachgeschäfte vertrieben.
Zigaretten übernommen.
Zukünftig kann die Aufladung der Prepaid-Kartengeräte mittels
Im Bereich des Geldmanagements kommen Münzwechsler zum
load&call unabhängig von Öffnungszeiten erfolgen. Der Kunde
Prüfen der Münzen und zur Auszahlung von Retourgeld zum
wählt den gewünschten Provider sowie den Betrag der Aufladung
Einsatz. Des Weiteren sind alle Geräte mit einem Banknoten-
über die Tastatur und zahlt per Geldschein, Münzen oder Geld-
akzeptor inkl. Stacker ausgerüstet, welche die Geldscheine
karte. Bei der Aufladung hat der Kunde folgende Möglichkeiten,
neben dem Prüfen auch stapeln. Als Option kann load&call mit
welche durch Klartext im Display beschrieben werden:
einer Kartenleseeinheit zum Zahlen mit Geldkarte ausgestattet
66
werden. Die Umstellung der Geldmanagement-Systeme auf andere Wertigkeiten oder andere Währung erfolgt durch einfaches
Aufspielen einer neuen Software und dem Tausch der Münztuben
im Münzwechsler.
Die Kommunikation mit dem jeweiligen Provider erfolgt über
ein GSM-Funkmodul (GPRS), welches die Pincodes vom Provider abruft und bei der Variante 2 „Aufladen durch Eingabe
der Handynummer“ den Pincode mit der Handynummer an
den jeweiligen Provider übermittelt. Des Weiteren können alle
Statistikfunktionen, Störungsmeldungen, Alarmfunktionen
(Einbruch, kein ausreichendes Druckerpapier) sowie SoftwareUpgrades per GSM übertragen werden. In der Gerätesoftware
ist ein Bestandsmanagement mit einer Datenbank für Pincodes
integriert, welches erst bei Unterschreiten des Mindestbestandes
eine größere Anzahl von Pincodes abruft. Dadurch wird nicht
bei jedem Verkauf eine Verbindung hergestellt und somit keine
unnötigen Kosten für den Betreiber verursacht.
Die einfache Menüführung geschieht über ein zweizeiliges oder
über ein voll graphikfähiges Display.
Der Ausdruck von Quittungen sowie der Pincodes erfolgt mit
einem graphikfähigen Thermotransferdrucker auf ein Spezialpapier. Nach dem Druck wird das Papier automatisch getrennt
und dem Endkunden in der Entnahme zur Verfügung gestellt.
Der Ausdruck einer Quittung geschieht nur auf Kundenwunsch.
Integriert sind die einzelnen Komponenten in ein einbruchsicheres und pulverbeschichtetes Stahlblechgehäuse, das je
nach Aufstellort die Befestigung am Boden bzw. an der Wand
bietet. Zur besseren Wahrnehmung durch den Endkunden ist auf
dem Gerät ein beleuchteter Werbeaufsatz platziert. Des Weiteren
gibt es Werbeflächen an den Seiten des Gehäuseoberteils sowie
optional als beleuchteter Standfuß.
Durch die hohe Verfügbarkeit von load&call, der zu vermarktenden Werbefläche und der geringen laufenden Kosten ist
dieses Gerät für den Aufsteller attraktiv und bringt auch dem
Endkunden durch die Unabhängigkeit vom Ladenschluss einen
hohen Nutzen.
Jens Kahle
Geschäftsführer
HARTING Vending GmbH & Co. KG
[email protected]
Abb. 4: Stehendes load&call-System
67
Dr.-Ing. Bernhard Minge
Industrielle Bildverarbeitung
und Industriesteckverbinder im LKW-Mautsystem
VITRONIC und HARTING gehen gemeinsame Wege
In naher Zukunft wird für alle Autobahnbenutzer in Deutsch-
VITRONIC identifiziert und klassifiziert mit dem so genannten
land der Anblick von Brücken-Mautsystemen zur Tagesord-
TollChecker, einer automatischen Kontrolleinrichtung zur strecken-
nung gehören. Diese LKW-Mautsysteme werden mit einem
bezogenen LKW-Maut, Lastkraftwagen größer 12 Tonnen im flie-
Erkennungssystem von VITRONIC, einem Spezialisten für
ßenden Verkehr (s. Abbildung 1). Anhand der Achsenanzahl und
industrielle Bildverarbeitung, ausgestattet. Partner in der
Fahrzeuggeometrie wird überprüft, ob ein Fahrzeug mautpflich-
Verbindungstechnik und Vernetzung ist dabei die Techno-
tig ist. Das System erkennt Nicht- oder Falschzahler und liefert
logiegruppe harting.
einen Beweismitteldatensatz kryptographisch gesichert an die
Kontrollzentrale. Bei Bedarf können diese Daten auch an eine
tragbare Ausleithilfe zur manuellen Ausleitung der betroffenen
LKW gesendet werden.
Dabei wird eine vollautomatische Kontrolle auf dem gesamten
Autobahnquerschnitt gewährleistet, unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit oder einem Spurenwechsel.
Abb. 1: VITRONIC TollChecker
Es entsteht keine Beeinträchtigung, wie z.B. Geschwindigkeitsbeschränkungen oder Staus an Zahlstellen für den Verkehr.
TECHNISCHE REALISIERUNG
Der VITRONIC-TollChecker vermisst die Fahrzeuge dreidimensional, ermittelt anhand der gewonnenen Daten ein geometrisches
Fahrzeugmodell, bestimmt die Anzahl der Achsen und erkennt
Anhänger. Aus diesen Daten ermittelt das System die Fahrzeugklasse und die Zuordnung zu den unterschiedlichen Gebührenklassen. Außerdem werden Übersichts- und Kennzeichenbilder
mit Hilfe einer für den Fahrer unsichtbaren Infrarot-Blitzbeleuchtung aufgenommen und das Kfz-Kennzeichen automatisch gelesen. Die vom Kontrollsystem gewonnenen Informationen werden
schließlich über entsprechende Kommunikationsschnittstellen
mit den Daten eines Bordgerätes im Fahrzeug bzw. mit den
Abb. 2: Systemverkabelung
Buchungsdaten der Zentrale verglichen. Falls ein Verdacht auf
Falschzahlung besteht, wird ein Beweismitteldatensatz erstellt.
68
tec.
T o p t h e m a
PRAXIS
ANFORDERUNGEN AN DIE VERBINDUNGSTECHNIK
Sowohl die Umgebungsbedingungen für industrielle Bildverarbeitung als auch für Industriesteckverbinder erfordern einen optimalen Schutz der Funktionalität. Da VITRONIC und harting u.a. über
langjährige Erfahrungen im Fabrikumfeld verfügen, konnten die
Lösungen für das Mautsystem entsprechend gestaltet werden.
Durch den Einsatz von harting-Steckverbindern und Kabelsystemen des Kabelspezialisten Ernst & Engbring (s. Abbildung 2) ist
der Anschluss einfach und zuverlässig. Bedingungen wie Kälte,
Nässe, Hagel oder Schnee wirken sich durch eine hohe Schutzart
nicht negativ auf die Funktion aus. Da die Maut-Brücken vernetzt
sind bzw. Kommunikationsebenen mit Fahrzeugen und der Zentralstelle betrieben werden, kommt der Verbindungstechnik eine
entsprechende Bedeutung zu.
Die Zusammenarbeit und die Nutzung der jeweiligen Kernkompetenzen der Unternehmen VITRONIC, Ernst & Engbring und
harting am Beispiel der Mautsysteme zeigt, dass Know-how und
Technologien nicht auf klassische Industriemärkte beschränkt
bleiben sondern oft in völlig anderen Applikationenfeldern neue
Anwendung finden.
Dr.-Ing. Bernhard Minge
Leiter Roll Out Verkehrstelematik
VITRONIC Dr.-Ing. Stein Bildverarbeitungssysteme GmbH
www.vitronic.com
69
70
tec.
T o p t h e m a
MESSE
HARTING Messepräsenz 2003
01. - 04.04.
TSCHECHISCHE REPUBLIK, PRAG, AMPER
07. - 12.04
DEUTSCHLAND, HANNOVER, HANNOVER MESSE INDUSTRIE
06. - 08.05.
DEUTSCHLAND, DÜSSELDORF, EUROCIS
20. - 24.05.
ITALIEN, MAILAND, INTEL 2003
28. - 31.05.
RUSSLAND, MOSKAU, EXPO-ELECTRONICA
13. - 15.05.
BELGIEN, GENK, TECHNISCOOP 2003
03. - 05.06.
GB, N.E.C BIRMINGHAM, DRIVES & CONTROLS 2003
10. - 13.06.
JAPAN, TOKYO, FOOMA JAPAN
16. - 19.06.
SPANIEN, MADRID, EUROPEAN WIND ENERGY CONFERENCE
18. - 21.06.
RUSSLAND, SAMARA, POWER EXPO
13. - 17.08.
BRASILIEN, JOINVILLE, EXPOMAC
03. - 05.09.
BELGIEN, BRÜSSEL, TECHNOLOGY 2003
02. - 05.09.
SCHWEIZ, BASEL, INELTEC
02. - 05.09.
SCHWEDEN, GÖTEBORG, KOMPONENT/EP
10. - 13.09.
RUSSLAND, MOSKAU, METALO-OBRABOTKA
15. - 19.09.
TSCHECHISCHE REPUBLIK, BRNO, MSV
21. - 25.09.
ITALIEN, RIMINI, ECOC
23. - 27.09.
DEUTSCHLAND, HUSUM, HUSUM WIND
22. - 25.10.
CHINA, SHANGHAI, MODERN RAILWAY
18. - 21.11.
SCHWEDEN, GÖTEBORG, SCANAUTOMATIC
25. - 27.11.
DEUTSCHLAND, NÜRNBERG, SPS/IPC/DRIVES
71
Belgien
HARTING N.V./S.A.
Doornveld 8, B-1731 Zellik
Tel. +322/4660190, Fax +322/4667855
E-Mail: [email protected]
Brasilien
HARTING Ltda.
Av. Dr. Lino de Moraes , Pq. Jabaquara
CEP 04360-001 - São Paulo - SP - Brazil
Tel. +5511/5034-0073, Fax +5511/5034-4743
China
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283 Huai Hai Road (M), Shanghai 200021, China
Tel. +86 21-6390-6935, 6390-6936
Fax +86 21-6390-6399
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