Profibus: sichere Anschlußtechnik auf Cu- und LWL-Basis

Entscheidende Koppelmanöver

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Industrielle Kommunikationstechnik wird sehr oft gleichgesetzt mit Bits und Bytes. Die mechanische Ankopplung der Feldgeräte an das Netzwerk wird leider viel zu oft vernachlässigt. Eine wesentliche Forderung der Anwender von Feldbusnetzwer-ken ist eine schnelle, betriebssichere und kostengünstige Anschlußtechnik. Profibus hat sich dieser Aufgabe gestellt und sowohl für die klassische Kupfer (Cu)-Anschlußtechnik als auch für die Lichtwellenleiter (LWL)-Anschlußtechnik moderne und zukunftsweisende Lösungen standardisiert.

Die Autoren: Dipl.-Ing. Udo Fetzer, Richard Hirschmann GmbH & Co., Neckartenzlingen und Dipl.-Ing. Joachim Betz, Geschäftsführer der Profibus Nutzerorganisation e.V., Karlsruhe

Anforderungen des Marktes
Bereits 1996 hat die Profibus Nutzerorganisation e.V. in einer Marktuntersuchung wesentliche Anforderungen der Anwender und Hersteller an zukunftsweisende Anschlußtechniken analysiert. Parallel hierzu wurde ein Arbeitskreis mit der Aufgabenstellung, die mechanischen Schnittstellen zu standardisieren, gegründet.
Wie nicht anders zu erwarten, spielte die Optimierung der Gesamtkosten für den mechanischen Anschluß eines Feldgerätes die zentrale Rolle. Übertragen auf die geforderten Produkte heißt dies:
– Installation durch fachfremdes Personal
– Verwendung von werksseitig vorkonfektionierten Leitungen
– Implementierung von diversen Schnellanschlußtechniken
Ferner steht die technologische Weiterentwicklung im Brennpunkt der Bedürfnisse des Anwenders wie Miniaturisierung der Anschlußstelle, hohe mechanische Belastbarkeit bzw. Zusammenfassung von Datenleitung und Energieversorgung.
Einen Schwerpunkt sehen die Anwender und Hersteller in der notwendigen hohen Schutzart für die jeweiligen unterschiedlichen Anschlußtechniken.
D-Sub-Steckverbinder
Der etablierte 9-polige D-Sub-Steckverbinder in Schutzart IP 20 erfordert im Feld einen sehr hohen Aufwand an Montagezeit – und somit Montagekosten. Ein neuartiges Schnellmontagekonzept – Fast Connect – verkürzt die Montagezeit des D-Sub-Steckers drastisch. Mit einem Spezialwerkzeug wird in einem einzigen Arbeitsgang der äußere Mantel des Profibus-Kabels entfernt und der Schirm auf die richtige Länge gekürzt. Die somit freigelegten Adern werden ohne weitere Abisolierung in den Steckverbinder eingelegt. Mit der, z.B. bei Sensorsteckverbindern, bewährten Isolation Displacement Technology (IDC) wird eine betriebssichere Kontaktierung hergestellt.
LWL-Steckverbinder
LWL-Steckverbindern wird zu unrecht nachgesagt, daß sie teuer, schwierig und zeitintensiv im Feld zu installieren sind. Auf dem Markt existieren in der Zwischenzeit Lösungen, welche die Vorteile der Kupfer-Technologie und der LWL-Technologie vereinigen. Für Glasfasern im Bereich mittlerer bis weiter Netzausdehnungen sind ST-Steckverbinder erhältlich, die in 2-3 Minuten installiert werden können und deutlich unter DM 5,- kosten.
Mit einem kaltaushärtendem Zweikomponentenklebstoff wird die Faser in weniger als 30 Sekunden im Steckverbinder fixiert. Anschließend erfolgt ein mehrstufiger, im Feld durchführbarer, trockener Polierprozeß. Für Kunststoffaser kann ebenfalls der ST-Steckverbinder eingesetzt werden. Jedoch sind am Markt kostengünstigere herstellerspezifische Applikationen erhältlich. Diese können ohne Spezialwerkzeug – und ohne Abisolierung – einfach auf die Faser geklemmt werden. Mit einem scharfen Messer wird die Faser an deren Stirnfläche abgeschnitten und anschließend mit handelsüblichem Schleifpapier kurz poliert. Somit ist ein Anschluß einer 12 MBaud Datenleitung extrem kostengünstig und störsicher realisierbar.
Die Übertragung dieser relativ einfachen Anschlußtechniken (wie oben erläutert) in eine höhere Schutzart ist jedoch nicht ohne weiteres möglich. Unterschiedlichste Anforderungen im Naßbereich erfordern unterschiedlichste Konzepte. Durch die bis dato fehlende Standardisierung wurden unterschiedliche, zueinander nicht kompatible Anschlußtechniken implemen-tiert.
Selbstverständlich sind bei einer Standardisierung diverse Herstellerinteressen sowie die installierte Basis zu berücksichtigen. Ziel der Standardisierung war die Reduktion auf die absolut notwendige minimale Variantenanzahl.
Verbindungen im Naßbereich
Für Anwendungen im Naßbereich, die ausschließlich die Verbindung der beiden Daten-Adern erfordern, ist der aus der Sensorik bekannte und bewährte M 12 Steckverbinder ideal. Er ermöglicht eine sehr kleine und kompakte Anschlußtechnik. Für Profibus – sowohl im eigensicheren als auch im nicht eigensicheren Bereich – wird die geschirmte M 12 Version benötigt. Durch unterschiedliche Codierungen wird eine Verwechslung zwischen eigensicheren und nicht eigensicheren Anschlüssen vermieden. In Kombination mit der M 12 Anschlußtechnik wurde eine Schnellanschlußtechnik – ebenfalls wie für den D-SUB-Steckverbinder in Schutzart IP 20 in IDC-Technologie – entwickelt. Hiermit sind im Feld sehr schnell T-Abzweige in IP 67 realisierbar.
Die Ports des T-Stückes können entweder mit M 12 Anschlüssen bestückt werden oder die Bus-Kabel über eine PG-Verschraubung direkt aufnehmen. Im T-Stück können sogar die benötigten Bus-Abschluß-Elemente integriert werden.
Hybrid-Technologie
Für Applikationen, die neben den Bussignalen auch die Übertragung der Energie in einem gemeinsamen Kabel/Steckverbinder erfordern, wurden sogenannte Hybrid-Anschlußtechnologien entwickelt. Bei Nutzung des Cu-Cu-Hybridkabels gelten für das Bus-Signal die gleichen technischen Spezifikationen wie bei Nutzung einer einzelnen Zweidrahtleitung.
Die letzten Busteilnehmer sind entsprechend der Profibus-Richtlinien mit einem elektrischen Busabschluß zu terminieren. Dies geschieht beim Einsatz des Hybridkabels durch einen speziellen Abschlußsteckverbinder mit integriertem Abschlußwiderstand. Mit Aufstecken des Abschlußsteckverbinders ist so der erforderliche Busabschluß gewährleistet. Alternativ kann der Busabschluß auch im Gerät implementiert werden.
Desina-Konzept
Die höchste Integrationsstufe wird mit dem Desina-Konzept verfolgt. Hier wird, anstatt einer Twisted-Pair-Leitung aus Kupfer zwei Kunstoff-LWL-Fasern zu den Energieadern in ein Hybridkabel implementiert.
Auf Grund der hohen EMV-Anforderungen im Werkzeugmaschinenbau, z.B bei der Vernetzung von Servoantrieben, ist die Übertragung mit LWL-Fasern die erste Wahl. Die Reichweiten in einer Werkzeugmaschine sind so kurz, daß hier ohne weiteres Kunststoff-LWL-Fasern zum Einsatz kommen können. Für den Übergang auf Cu-LWL-Hybridkabel werden Medienkonverter eingesetzt.
Neben der zusätzlichen 24 Volt Einspeisung stehen Schnittstellen (Konverter) zur Verfügung, um 24 Volt und Daten zu separieren. Bei der Implementierung der Hybrid-Steckverbinder sind mechanische und funktionale Gesichtspunkte zu berücksichtigt. Geräteseitig werden sowohl bei dem Cu-Cu Hybridsteckverbinder als auch bei dem Cu-LWL Hybridsteckverbinder die Datensignale über eine Leiterplatte zugeführt. Korrekte Abmaße der Leiterplatte für einen paßgenauen Einbau und die genaue Plazierung der relevanten Bauteile sind einzuhalten. Das Steckverbinderkonzept sieht vor, daß die Leiterplatte entweder als einzelne Modulleiterplatte für jeden Steckverbinder ausgeführt wird oder Bestandteil der gesamten geräteseitigen Elektronik ist.
In der Ausführungsform als Modulleiterplatte wird die Verbindung zur Geräteseite über handelsübliche Steckverbinder hergestellt.
Zur Ansteuerung der LWL-Bausteine ist neben der Treiberschaltung für die Sende- und Empfangsmodule sicherzustellen, daß Schnittstellenbausteine verwendet werden, welche die auftretenden Signalverzerrungen ausgleichen (bit-retiming). Nur so ist die Kaskadierbarkeit mehrerer Baugruppen sichergestellt.
Diese Bausteine müssen gleichermaßen das Signalmanagement vornehmen. Dazu gehört u.a. die Sende- und Empfangsportselektion. Nähere Angaben enthält die Richtlinie „Optische Übertragungstechnik für den Profibus“.
Vielfalt eingrenzen!
Bei einer Feldbaugruppe sind jeweils ein Steckverbinder für die kommende Leitung (Hybridanschluß 1) und die gehende Leitung (Hybridanschluß 2) realisiert. Diese sind so angeordnet, daß die 24 Volt Spannungsversorgung ausgehend von der kommenden Leitung in einer Steckverbinderbuchse endet.
Ein Buskabel hat damit immer eine Stift- und eine Buchsenseite. Die mittlere Kontaktkammer der 24 Volt Spannungsversorgung ist optional für den Einsatz eines PE-Leiters reserviert.
Die Richtlinie „Anschlußtechnik für Profibus“ berücksichtigt zum einen die installierte Basis und eröffnet mit neuen Anschlußtechnologien Profibus die Erschließung neuer Märkte.
Die vorliegende Richtlinie richtet sich vor allem an die Hersteller von Profibus-Feldgeräten und an die Hersteller von Steckverbindern. Diese Richtlinie hat das Ziel, die Vielfalt von eingesetzten Profibus-Anschlußarten einzugrenzen. Aufgrund von Vorteilen, die insbesondere im Bereich Service, Inbetriebnahme und Test liegen, sind Steckverbinder zum Anschluß der Profibus- Feldgeräte anderen Anschlußarten vorzuziehen. In der Richtlinie sind die unterschiedlichen Anforderungen an den Profibus-Anschlußstecker berücksichtigt.
Da die verschiedenen Anforderungen nicht mit einem Steckverbindertyp erfüllt werden können und eine Verwechslungssicherheit teilweise gegeben sein muß, wurden den Anforderungen entsprechend unterschiedliche Steckervarianten spezifiziert.
Verschiedene Firmen arbeiten schon an der nächsten Entwicklungsstufe, der nicht leitungsgebundenen Übertragungstechnik; u.a. existieren bereits Lösungen für die Übertragung von Profibus mit Infrarot.
Ausführliche Informationen
Profibus
KEM 457
Zu dem seit nunmehr 10 Jahren bei Profibus bewährten 9-poligen D-SUB-Steckverbinder für die Schutzart IP 20 sind nun weitere Lösungen für höhere Schutzarten hinzugekommen. Für Applikationen im Umfeld von Werkzeugmaschinen wurde die Desina-Anschlußtechnologie implementiert.
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