Fachartikel

Über die Anforderungen von Industrie 4.0 für die elektrischen Leitungen

Dem Hype um Schlagworte wie Industrie 4.0, Integrated Industry und dem Internet der Dinge kann sich heute keiner mehr entziehen. Das gilt auch und sogar insbesondere für die Kabelhersteller. Denn „das Kabel wird zum Rückgrat der Industrie 4.0. Ohne das feinmaschige Verbindungsnetz zwi­schen den unzähligen Komponenten in einer automati­sierten Fabrik geht gar nichts“, sagt Horst Messerer, Produktmanager der Daten-, Netzwerk- & Bustechnik, bei der HELUKABEL GmbH, Hemmingen.

Industrie 4.0 ist ein cleverer Schachzug der deutschen Industrie. In einem Hochlohnland wie unserem müssen wir clever automatisieren, Prozesse optimieren und damit beste Qualität liefern. Nur so können wir langfristig produktiv im globalen Wettbewerb bestehen. Immer höhere Taktzahlen, minimale Nebenzeiten und einwandfreier Output benötigen horizontal und vertikal vernetzte Produktionsstrukturen, intelligente Waren und Werkzeuge sowie die Mensch-Maschine-Kommunikation und direkte Interaktion zwischen den Maschinen selbst. Zum Kommunizieren aller am Produktionsprozess Beteiligten braucht es Verbindungsglieder. Und das sind die Kabel, die diese faszinierende neue Welt erst möglich machen.

Auch wenn Messerer das große Wort „Revolution“ im Zusammenhang mit Industrie 4.0 für überzogen hält und lieber auf dem Boden der Tatsachen bleibt, sieht er: „dass sich die Fertigung nachhaltig verändern wird und die Chancen der heute verfügbaren Technologien genutzt werden müssen“. Das Internet der Dinge wird diese Prozesse sicher begleiten.

Entwicklung der Kabelbranche

Die Entwicklung in der Kabelbranche lässt sich in drei Phasen einteilen: Vor mehr als drei Dekaden benötigten kapazitätsarme Steuerleitungen für jede Funktion eine eigene Leitung. Sprich: Wer 20 Sensoren adressierte, brauchte ein 20-paariges Kabel. Seit gut 25 Jahren haben sich Bussysteme etabliert, bei denen ein Kabel viele Teilnehmer ansprechen kann, weil Adressen hinterlegt sind. Heute mit Industrie 4.0 stößt der Feldbus an seine Grenzen. „Keineswegs aber ist der Feldbus am Ende“, so Messerer. Er bekomme nur seine Grenzen aufgezeigt. In der Buswelt redet man von Datenraten im Bereich von 1 bis 20 Mbit und bestenfalls Reaktionszeiten von 20 ms. Echtzeit­kommunikation aber braucht ein reaktionsfreudigeres Medium mit Antwortzeiten kleiner 100 μs sowie Datenraten im Bereich von 100 Mbit und mehr.

Bezogen auf die Kabeltechnologie ist das Industrial Ethernet diesen hohen Anforderungen gewachsen. Egal ob Profinet, Ethernet/IP, EtherCAT, Powerlink oder SERCOS: Die in der IT schon lange etablierten Protokolle halten in der Fabrik Einzug. Leider zeichnet sich dabei wie im Feldbuskrieg der achtziger Jahre bis dato kein Standard ab. Fast ein Dutzend Lösungen konkurrieren derzeit um das Attribut Marktstandard.

Daseinsberechtigung Feldbus

„In manchen Fällen lösen die Protokolle den Feldbus ab, aber nicht unbedingt und auch nicht künftig“, so der gelernte Industriekaufmann und Fachkaufmann für Marketing. „Geht es um schnelle Taktung, ist das Industrial Ethernet dank seiner Leistungsdaten im Vorteil. Aber wer braucht schon in einer Raffinerie mit lang andauernden Prozessen Millisekunden genaue Echtzeitkommunikation?“, gibt Messerer zu bedenken. In vielen Fällen hat der Feldbus nach wie vor eine Zukunft und diverse Bussysteme werden noch weitere Zuwächse verzeichnen. Das Industrial Ethernet ist die Antwort auf die Anforderungen der Echtzeitkommunikation, auch wenn es nicht ganz neu ist. Ein Blick auf die Marktentwicklung zeige, dass erst 2014 die Feldbus-Applikationen einen Dämpfer erhalten haben und das Industrial Ethernet überproportional wächst. „Also sind wir erst im vergangenen Jahr an einem Wendepunkt angelangt“, so Messerer und weiter: „Für uns hat das Konsequenzen. Wir brauchen bei HELUKABEL für jedes Protokoll das passende Kabel. Leider sind Kabel im Blickwinkel des Anwenders ein C-Teil, von der Funktion in der Automatisierungstechnik her allerdings ein A-Teil.“

A-Teil-Bedeutung für C-Teile

Diese Tatsache lässt sich an Beispielen ganz gut festmachen: Ethernet-Hybridleitungen wie die „HM­CB500S“ transportieren in zwei separaten Adern Strom und Daten. Das stellt höchste Anforderungen an Schirmung, elektromechanische Verträglichkeit und Konfektionierung. Schließlich darf der Datenfluss in keinem Fall gestört werden. So kommen immer höhere Anforderungen auf die Kabelhersteller zu. Das Ganze wird tangiert durch Themen wie Rückflussdämpfung als Qualitätsmerkmal oder das Verhältnis von Kabeldämpfung zur Nebensprechdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz. „Wir Kabelhersteller bewegen uns im Bereich der Hochfrequenztechnik. Das fordert insbesondere unsere Produktion. Immer genauer und feinjustierter müssen unsere Produkte werden“, gibt der Kabelexperte zu bedenken. „Ethernet-Hybridleitungen markieren derzeit die Spitze der Entwicklung“, so Messerer.

Ein zweites Beispiel sind Kabelsysteme für die neuen Digitalgebersysteme mit der Schnittstelle Hyperface DSL. Bisher wurden Servomotoren und Umrichter mit je einer Leitung für die Leistungsübertragung und für die Übertragung der Lageinformationen verbunden. Die neuen Gebersysteme ermöglichen künftig Einkabellösungen. Die Servoleitung „Topserv Hybrid“ in den Ausführungen PUR für hochdynamische Schleppkettenanwendungen und PVC für bedingt schleppkettenfähige Anwendungen sind dafür ausgelegt. „Da das Paar für die Datenübertragung in die Servoleitung integriert wird, ist die Haltbarkeit des Datenschirms von besonderer Bedeutung. Tests an neuen Leitungen sind nur bedingt aussagekräftig, da die Qualität des Schirms im Laufe des Einsatzes in einer Schleppkette nachlässt. Besonderes Augenmerk haben wir deshalb auf Qualität und Lebensdauer des Kupferschirms gelegt, der das Datenpaar vor den Störungen der Leis­tungsadern schützt“, erklärt Messerer.

Empirische Ermittlung durch Kabelfolter

Um die Dauerhaltbarkeit sicher zu stellen, gibt es am mittelfränkischen Standort Windsbach die sogenannte Folterkammer. Im Testzent­rum mit Schleppketten- und Torsionsprüfanlagen erfolgt die Stressbelastung. Beispielsweise werden dort Hybridleitungen in einem hochdynamischen Schleppkettentest mit über 5 Millionen Zyklen auf die Probe gestellt. Weil die Beanspruchung der Leitungen von Parametern wie Verfahrweg, Biegeradius, Geschwindigkeit und Beschleunigung abhängt, werden diese Daten vom Kunden benötigt. Je präziser die Anga­ben sind, desto detaillierter lässt sich die maßgeschneiderte Leitung auslegen. Berechnen lässt sich das nicht, sondern nur empirisch ermitteln. „Auch wenn wir umfangreiche Erfahrungswerte in einer Datenbank haben, braucht es immer den Test. Der Praxiseinsatz bestätigt dann die Haltbarkeit der Leitungen“, so Messerer.

Industrie 4.0 stellt die Kabel- und Leistungshersteller also vor die größten Herausforderungen – vor allem in der Robotik und im Schleppketteneinsatz. Da kommen dann hohe elektrischen Anforderungen auf unsere Produkte zu wie Abriebfestigkeit, Biegefähigkeit, Medienbeständigkeit und Torsionsfähigkeit. „Zudem steigt der ‚IQ-Wert‘ der Produkte, denn sie werden immer intelligenter“, schmunzelt der mit drei Jahrzehnten Erfahrung ausgestattete ‚alte Hase‘ und schließt mit dem wunderbaren Satz: „Kabel sind mein Leben“.

SPS IPC Drives Halle 6, Stand 160/260

Bilder:

Bild oben: HELUKABEL bietet ein umfangreiches Portfolio für Industrie 4.0 Applikationen.

Industrie4.02.jpg: Horst Messerer, Produktmanager der Daten-, Netzwerk- & Bustechnik, bei der HELUKABEL GmbH, Hemmingen: „Das Industrial Ethernet ist die Antwort auf Anforderungen der Echtzeitkommunikation.“

Industrie4.03.jpg: HELUKABEL stellt Kabel für die neuen digitalen Gebersysteme in der Antriebstechnik bereit, hier die Einkabellösung.

Industrie4.04.jpg: Aufbau der HMCB500S Ethernet-Hybridleitung

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