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Verbindungstechnik

»Sehr große Effizienzgewinne.«

Mit Industrie 4.0 ist auch die Kabeltechnik im Umbruch: Industrial Ethernet, Gleichstrom oder Hybridlösungen stellen geänderte technische Anforderungen und bieten neue Chancen, wie Guido Ege, Leiter Produktmanagement und -entwicklung bei Lapp im Interview mit Hajo Stotz erläutert.

13. November 2018
Guido Ege, Lapp (Bild: Lapp)

Herr Ege – in der Fertigung wird alles smarter: Sensoren, Motoren, Controller – werden auch die Kabel intelligenter? Dahin gehend zum Beispiel, dass sie sich selbst überwachen können?

Wir arbeiten an dem Thema »Intelligentes Kabel« und »Predictive Maintainance in der Leitung«. Doch wir müssen auch offen sagen: Es gibt nahezu keine Fälle, wo eben diese Leitungen ausfallen. In der Entwicklung auf Fälle aus der Praxis zurückzugreifen oder die nachzustellen ist daher sehr schwierig. Dazu kommt, dass die Vorhersage extrem genau sein muss – kommt die Warnung zu früh, verschenkt man Geld, kommt sie zu spät, dann steht im Extremfall die Maschine. Und diese Genauigkeit benötigt einen Aufwand, der sich in der Praxis nicht lohnt. Das heißt, es ist schwierig, mit Predictive Maintenance einen attraktiven Benefit zu generieren.

Hybride Kabel ist ein weiteres Buzzword, mit dem Anwender nicht viel anfangen können. Was sind hybride Kabel, und was sind die Vorteile für den Anwender?

Hybridleitungen kombinieren einerseits Anschluss- und Steuerelemente in einer Leitung, zum Beispiel für die Versorgung von Servomotoren. Der Anwender hat also nur noch eine Leitung zum Servo-Motor, und das Kabel überträgt sowohl die Leistungen als auch die Daten. Das ist natürlich eine erhebliche Reduktion des Verkabelungsaufwandes. Der Maschinenbauer spart Platz und Kosten, denn es fallen ja auch weniger Stecker an. Außerdem sind die vorhandenen Stecker einfacher anzuschließen. Stichwort: dezentrale Installation, dezentrale Automatisierung. Hybride Kabel bringen dem Maschinenbauer und dem Endanwender also eine ganze Reihe von Vorteilen.

»Der Konfigurator hilft dem Konstrukteur bei der Auswahl.«

— Guido Ege, Leiter Produktmanagement und –entwicklung, Lapp

Und auf der anderen Seite?

Auf der anderen Seite kann auch über Datenleitungen Energie übertragen werden – kleinere Leistungen bis 50 Watt, das sogenannte Power over Ethernet (PoE). Speziell codierte Steckverbinder ermöglichen den sicheren Anschluss. Auch hier ist der Vorteil für den Anwender, dass es nur eine Leitung für Daten und Energie gibt und damit die Verkabelung erheblich vereinfacht wird.

Ethernet ist im Büroumfeld heute Standard, doch auch in der Produktionsumgebung verdrängt Ethernet die klassischen Feldbusse immer mehr: Bei neu installierten Knoten in der Fabrikautomation hat Industrial Ethernet dieses Jahr erstmals die traditionellen Feldbusse überholt…

…ja, das ging schneller, als von vielen Experten erwartet – Industrial Ethernet wächst mit 22 Prozent, Feldbusknoten nahmen letztes Jahr um sechs Prozent zu. Und durch den Trend zur digitalen Fabrik wird das starke Wachstum von Ethernet sicherlich anhalten.

Gibt es noch Anwendungen, wo man sagt, da kann man den Feldbus nicht mit Ethernet ablösen?

Überall dort, wo zum Beispiel Motion Control ins Spiel kommt, also Echtzeit-Datenübertragung notwendig ist, sind die klassischen Bussysteme gegenüber herkömmlichem Industrial Ethernet im Vorteil. Doch mit Time Sensitive Networking (TSN) steht auch für das Ethernet eine Echtzeitkomponente bereit, und früher oder später wird IE auch in diesem Bereich die Feldbusse ablösen. Mit TSN stehen neue Mechanismen zur Verfügung, die Echtzeitverhalten bei sehr hoher Zuverlässigkeit auch für kritische Anwendungen ermöglichen. Es wird aber sicherlich noch einige Jahre dauern, bis TSN in der Breite Eingang gefunden hat.

Bei Ethernet im Büroumfeld gibt es nur einen Standard, beim Industrial Ethernet gibt es dagegen eine Vielzahl von »Standards« wie Profinet, Powerlink, Ethernet/IP, Ethercat etc. Noch verwirrender sieht es dann bei den Steckverbindungen aus. Der Konstrukteur kann sich da bei der Auswahl der Steckverbindungen also nicht nur am jeweiligen Standard orientieren?

Mit der Auswahl des Steuerungsherstellers sind auch die jeweiligen Komponenten für die Datenübertragung weitgehend definiert. Da spielen zum Beispiel Umgebungseinflüsse eine Rolle – also Vibrationen, Wärme, Chemikalien. Ebenso muss er entscheiden, welche Schutzart für die Anwendung ausreichend ist – genügt IP 20 an der Anlage, weil die Maschine im Trockenen steht, der Stecker abgedeckt und geschützt ist? Oder benötige ich nicht doch IP 69, weil die Maschine täglich mit dem Dampfstrahler gereinigt wird. Der Konstrukteur muss nur die passende Variante für seine Anwendung auswählen. Dann muss dem Maschinenkonstrukteur klar sein, ob für die Applikation die klassische RJ45-Verbindung eingesetzt wird oder ein M12-Steckverbinder, er dann aber Einschränkungen bei der Datenübertragung in Kauf nimmt.

Gibt es denn einen Online-Konfigurator, bei dem der Anlagenkonstrukteur genau über diese komplexen Fragen zum richtigen Produkt geführt wird?

Den gibt es, wir betreiben zum Beispiel einen solchen Konfigurator. Dabei beginnen Sie aber mit der Auswahl der Leitung, denn diese bestimmt dann den Stecker. Also, zum Beispiel eine Robust-Leitung, die im Food- und Beverage-Umfeld eingesetzt wird, die chemikalien- und säurebeständig ist, und natürlich sind auch die Datenübertragungseigenschaften, Flexibilität und so weiter zu beachten. Nach dieser Auswahl können Sie dann entsprechend links und rechts den Stecker wählen. Für die so definierte Konfektion sind entsprechende Standardlängen ab Lager verfügbar, andere Längen werden auf Wunsch individuell gefertigt.

Lapp hat ja die italienische Ceam, einen Hersteller von Datenleitungen, 2017 übernommen. Worin besteht denn das spezielle Know-how, das Ceam einbrachte, und gibt es seitdem gemeinsame Entwicklungen?

Ceam ist ein Spezialist für Entwicklung und Produktion industrieller Datenleitungen und spezialisiert auf Themen wie Sensor-Aktor- und Industrial-Ethernet-Leitungen – und ist unser Kompetenzzentrum für Datenleitungen.

Auf der Hannover-Messe hatten wir zum Beispiel eine 10-Gigabit-Fast-Connect-Leitung nach Cat.7 vorgestellt, die gemeinsam mit Ceam entwickelt worden ist. Weitere Entwicklungen folgen.

Ist die stark steigende Nachfrage nach Industrial-Ethernet-Leitungen auch ein Indikator dafür, dass die Digitalisierung der Fabriken zunimmt?

Ja, das sehe ich auf jeden Fall so. Und wir treiben diese Entwicklung auch mit entsprechenden Produktlösungen. Auf der anderen Seite geht die Nachfrage nach Busleitungen entsprechend zurück. Aufgrund der installierten Basis an Busleitungen ist die Nachfrage nach Retrofit oder Ersatz aber nach wie vor entsprechend hoch.

Wie groß ist der Anteil an Ethernet-Leitungen bei Ihnen?

Im Moment sind das rund 30 Prozent des Datenleitungsvolumens, aber durch das hohe Wachstum von über 20 Prozent ist der Trend eindeutig. Neben den Leitungen komplettieren die Steckverbinder und Switches das System und wachsen entsprechend.

Könnte denn eine bereits installierte Feldbusleitung zu einem Ethernet-Netzwerk umfunktioniert werden?

Über entsprechende Gateways können Feldbussysteme an das Ethernet-Netzwerk angebunden werden und so bestehende Installationen Industrie-4.0-fähig gemacht werden.

Welche Anforderungen gibt es denn an die Kabeltechnologie der Zukunft?

Die wichtigsten Trends in der elektrischen Verbindungstechnik sind sicherlich Miniaturisierung, Gewichtsersparnis, Kostenreduktion und einfache Verkabelung. Für die Ethernet-Technology geht der Trend in Richtung Cat.8, aber mittelfristig nur in Rechenzentren. Dort läuft die wachsende Menge an Daten zusammen. Die Übertragungsdistanzen sind innerhalb des Rechenzentrums zudem gering, da ist es zu verschmerzen, dass die hohen Übertragungsraten nur auf kurze Entfernung möglich sind.

Für Lapp ist dieser Bereich allerdings kein Geschäftsfeld, denn in der Industrie gibt es für solch hohe Anforderungen bisher keine Anwendungen. Dort ist Cat.7 noch nicht wirklich angekommen, Standard ist noch Cat.5. Ein weiterer Trend ist die DC-Technologie, also hin zu Energieverteilung per Gleichstrom in einzelnen Fertigungslinien in Fabriken.

»Man könnte zwei Braunkohlekraftwerke abschalten.«

— Guido Ege, Lapp

Bietet DC so viele Vorteile, dass die Umstellung lohnt?

Wir bei Lapp sind überzeugt, dass sich in den nächsten Jahren ein Wandel in der Energieübertragung und Nutzung vollziehen wird – weg vom reinen Wechselstrom hin zu mehr Gleichstrom. Denn die Effizienzgewinne sind aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht sehr groß. Dass wir heute auf eine Wechselstromtopologie schauen, liegt daran, dass die Stromübertragung über große Distanzen mit Wechselstrom früher besser möglich war, weil Transformatoren mit Wechselstrom arbeiten und es ermöglicht haben, die Spannungsstärke im Netz zu erhöhen.

Durch die heutige Leistungselektronik kann aber auch Gleichstrom kostengünstig in der Spannungshöhe verändert und so über große Distanzen übertragen werden. Deswegen gibt es in Deutschland die Diskussion um die sogenannten HGÜs, die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsnetze. Denn die sind die Grundlage um Gleichstrom, der über erneuerbare Energien erzeugt wird, auch über große Strecken zu transportieren.

Können Sie eine Hausnummer nennen, was bei Umstellung von Wechsel- auf Gleichstrom eingespart werden könnte?

Würde unser komplettes Stromnetz auf Gleichstrom umgestellt, wäre das eine Einsparung von 35 Prozent des gesamten Stromverbrauchs in Deutschland. Bei einer Einsparung von zehn Prozent könnten die beiden größten Kraftwerke in Deutschland, die übrigens Braunkohle verfeuern, abgeschaltet werden. Das würde deutschlandweit den CO2-Ausstoß um 12 Prozent reduzieren und den Stickoxid-Ausstoß sogar um 29 Prozent. 48 Prozent unseres gesamten Stromverbrauchs heute gehen übrigens auf das Konto der Industrie, davon fast 70 auf elektrische Antriebe. 10 Prozent Einsparung halten wir daher für nicht unrealistisch.

Es gibt allerdings einen Haken: Gleichstrom stellt neue Anforderungen an die Technik und die Leitungen.

Gibt es denn spezielle Leitungen für Gleichstrom?

Wir haben uns als einer der ersten Hersteller von Verbindungssystemen intensiv mit diesen Herausforderungen befasst und werden auf der SPS ein erstes Serienprodukt vorstellen: die Ölflex DC 100, die eigens entwickelt wurde für die Versorgung von Motoren und Anlagen mit Gleichstrom. Sie ist das Ergebnis umfangreicher Untersuchungen. Denn obwohl die Gleichstromtechnik schon im 19. Jahrhundert erfunden wurde, gibt es bezüglich der Lebensdauer von Kabeln und Leitungen im Niederspannungsbereich erstaunlich wenig gesicherte wissenschaftliche Erkenntnisse.

Mittlerweile gibt es Hinweise, dass Gleichfelder den Kunststoff des Isolators anders beanspruchen als Wechselfelder. Es ist daher wichtig, diesen Zusammenhang genau zu kennen. Die ersten Erkenntnisse sind daher in die Entwicklung der neuen Ölflex DC 100 eingeflossen. hjs

Erschienen in Ausgabe: Nr. 08 /2018