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11 ETHERNET IN DER INDUSTRIE

people | power | partnership

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 _ STROMTRAG-

FÄHIGKEIT DER RJ INDUSTRIAL-FAMILIE _ ZUVERLÄSSIGKEITSPRÜFUNG IM HARTING-LABOR _ HOCH-

PRÄZISIONSFERTIGUNG _ 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

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 Gedan-

ke, mit Industrial Ethernet die in der Bürowelt

bekannten Netzwerkfunktionen in raue Indus-

trie-Umgebungen zu übertragen, ist bestechend.

Die herausragende Bedeutung dieses Ansatzes

zeigt sich auch daran, dass wenige Tage nach

dieser tec.News eine Sonderausgabe der „Elek-

tronik“ 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 tech-

nologischen 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

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HARTING tec.News 11-I-2003


Inhalt

tec.

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 nächst gelegene 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 schrift liche Genehmigung der Redaktion erforderlich. Das gilt ebenso für die Aufnahme in elektronische Daten banken 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 Produkt spezifikationen nicht vollständig ausgeschlossen werden. Bindend für die

HARTING KGaA sind daher in jedem Falle die Angaben im ent sprechenden Katalog. Umweltfreundlich gedruckt auf 100% chlorfrei gebleichtem Papier mit hohem Recyclinganteil.

© 2003 by HARTING KGaA, Espelkamp. Alle Rechte vorbehalten.

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tec.

Topthema

Dr. Joachim Belz

Ethernet, ein Gewinn für die

Industrieautomation

EDITORIAL


harting übernimmt eine führende Rolle bei der Realisierung

von standardisierten, zukunftssicheren Ethernet-Infrastruk-

turkomponenten.

Nach der erfolgreichen Etablierung in der Büroautomation tritt

Ethernet seinen Weg als zukunftssicheres Kommunikationssys-

tem auch in die Welt der Fabrik- und Prozessautomation an. Ein lo-

gischer Schritt, wenn wir berücksichtigen, dass es sich bei Ether-

net um einen offenen Standard mit hoher weltweiter Akzeptanz

handelt und die konsequente Anwendung gerade im industriellen

Bereich Chancen zur Produktivitätssteigerung, zur Reduzierung

von Montage- und Wartungszeiten oder zur Erhöhung von Pro-

zesstransparenz bietet. Gleichzeitig hat Ethernet das Potenzial,

die heute vorhandene Komplexität der im Einsatz befindlichen

Bussysteme deutlich zu mindern.

Parallel zur Realisierung der mit der Ethernet-Einführung ver-

bundenen Durchgängigkeit eines Daten- und Kommunikations-

netzwerkes – vom Zentralrechner in der Administration über

die technischen Abteilungen bis hin zur Fertigung oder sogar

zu einzelnen busfähigen Geräten einer Maschine – erfolgt die

zunehmende Dezentralisierung von Intelligenz innerhalb der

Fertigungsanlagen. Wo immer es sinnvoll und möglich ist, weicht

der zentrale Schaltschrank einer verteilten Anordnung direkt miteinander

kommunizierender Mess-, Steuer- und Regeleinheiten.

Die Wechselwirkung dieser Veränderungsprozesse führt zu einer

Beschleunigung der dezentralen Vernetzung, wobei die Fähigkeit

zur Kommunikation innerhalb eines durchgängigen Netzwerkes

und die Fähigkeit, notwendige Funktionalitäten innerhalb einer

Applikation technisch und wirtschaftlich sinnvoll „am Ort des

Geschehens“ realisieren zu können, als Schrittmacher dienen.

Ethernet ist das Rückgrat eines solchen Netzwerkes. Ethernet

gewährt die Durchgängigkeit über mehrere Automationsebenen

vom Sensor bis zur Office-Ebene, und das basierend auf einem

Daten- und Kommunikationsprotokoll.

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

Anwendung von entscheidender Bedeutung und bedarf einer

weltweiten Standardisierung der Infrastruktur, wie sie seit Jahren

in der Bürowelt gegeben ist.

Gerade die Kombination von Kompatibilität und Industrietauglichkeit

gehört zu den Kernkompetenzen der Technologiegruppe

harting. Basierend auf diesen Kernkompetenzen bietet harting

alle zum Aufbau eines industriellen Ethernet-Netzwerkes

erforderlichen Infrastrukturkomponenten an. Hierzu gehört

die inno vative, PROFInet®- konforme Produktfamilie harting

RJ Industrial® ebenso wie IP 67 Ethernet Switches, Industrial

Machine Outlets und die strukturierte Verkabelung.

Die genannten Schnittstellen, Infrastruktur und Geräte sind das

Ergebnis einer engen Zusammenarbeit mit führenden System-

anbietern im Bereich der Automation und einer konsequenten

internationalen Standardisierungs- und Normungsarbeit, in

der harting seit Jahren eine führende Rolle einnimmt. Beides,

der unmittelbare Bezug zum Kunden und die Standardisierung,

hat für uns strategische Bedeutung. In diesem Zusammenhang

freuen wir uns ganz besonders über den Gastbeitrag von Prof.

Dr. Klaus Wucherer, Mitglied des Zentralvorstandes der Siemens

AG. Nur im Verbund mit starken und verlässlichen Partnern

kann Standardisierungsarbeit international erfolgreich sein

und zur Entwicklung investitionssicherer Produkte führen. Das

harting-Produktportfolio für industrielle Ethernet-Anwendungen

ist auf der einen Seite ein herausragendes Beispiel für unsere

Innovations orientierung und auf der anderen Seite Ergebnis der

Erkenntnis, dass nur solche Lösungen heute erfolgreich sein kön-

nen, die nicht nur höchsten technischen Standard bieten, sondern

zugleich messbaren Kundennutzen und Investitionssicherheit.

Wir laden Sie ein, eine weitere Facette der harting-Technologie-

gruppe kennen zu lernen und freuen uns auf Ihren Besuch auf

dem Stand C 13 in der Halle 11 während der Hannover Messe

2003.

Dr. Joachim Belz

Geschäftsführer

HARTING Deutschland GmbH & Co. KG

joachim.belz@HARTING.com

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tec.

Topthema

GASTBEITRAG

Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Klaus Wucherer

Kommunikation, das Rückgrat der Automatisierung

Die immer stärkere globale Vernetzung der Wirtschaft und

der damit gegebene Einsatz von industriellen Produkten und

Systemen in der Welt erfordert Standardisierung der Schnitt-

stellen, auch die der Kommunikation. Diese sollten weltweit

einheitlich und möglichst einfach in der Anwendung sein.

Dieses gibt dem Anwender Investitionssicherheit und dem

Hersteller Stabilität für neue Entwicklungen.

Als Unternehmen, das in der Fertigungs- und der Prozess-

automatisierung gleichermaßen tätig ist, hat Siemens schon

sehr früh erkannt, welche entscheidende Rolle der Kommuni-

kation in der Gestaltung der zukünftigen Automatisierungs-

technik zukommt. Bereits im Jahre 1985 brachte Siemens

Ethernet in den industriellen Einsatz und hat seitdem über

400.000 Knoten installiert. 1992 entstand Profibus, der sich

mittlerweile zu dem erfolgreichsten Feldbussystem der Welt

entwickelt hat.

6

Ohne Kommunikation zwischen den einzelnen Steuerungen einer

Anlage läuft bei der modernen Automatisierungstechnik wenig.

Dies wurde bei Siemens bereits in den frühen 80er Jahren erkannt.

Mit der Einführung von Ethernet für die Kommunikation in der

Leitebene setzte Siemens einen Meilenstein in der Geschichte

der Automatisierungstechnik. Heute ist Industrial Ethernet mit

über 400.000 allein von Siemens installierten Knoten im Feld

unumstritten das erfolgreichste Kommunikationssystem in der

Automatisierungstechnik. Industrial Ethernet ist dabei, dem gesamten

Kommunikationsmarkt neue Impulse zu geben. In einer

aktuellen Studie der ARC Advisory Group wird für Ethernet im

Industriebereich über 80% jährliches Wachstum vorausgesagt.

Aber auch hinter Profibus steht eine bemerkenswerte Erfolgs story.

Profibus ist heute der erfolgreichste Feldbus. Allein im Jahre 2001

wurden 1,3 Millionen Profibus-Feldknoten installiert. Die Gesamtzahl

wird auf fast 10 Millionen Knoten geschätzt.

HARTING tec.News 11-I-2003


ERFOLGREICH DURCH OFFENHEIT

Von Beginn an setzte Siemens auf allgemein verfügbare Kommuni-

kationsstandards und offene Bussysteme. Diese Standards sind auch

die Basis für die Nutzung von herstellerspezifischen Mechanismen,

wie z.B. die Kommunikation in der Simatic S7. Diese wurde über die

Applikationsebene eingebracht und so an die Anforderungen des

industriellen Einsatzes optimal angepasst. Die Strategie zur Verwen-

dung von Standards wird Siemens auch in Zukunft weiter verfolgen.

Denn der Einsatz und das Vorantreiben von Standards bringt dem

Anwender und Hersteller gleichermaßen Vorteile. Die Anwender

können aus einer Fülle von Geräten, wie sie ein einzelner Hersteller

niemals bieten könnte, die für sie optimale Auswahl treffen. Und

die Geräte spielen dank der Standardisierung auch zusammen. Der

Hersteller profitiert davon, dass er sich voll auf seine Produkte konzentrieren

kann. Er muss nicht unterschiedliche Schnittstellen berücksichtigen

und kann so kostengünstiger produzieren.

FÜR DIE PRAXIS OPTIMIERT

Einen großen Anteil am Erfolg von Profibus hat neben der Standardisierung

die kontinuierliche und konsequente Weiterentwicklung.

Standen am Anfang nur einfache Kommunikationsaufgaben zu

dezentralen Peripheriebaugruppen und zwischen Steuerungen in

der Feldebene im Blickpunkt, haben sich die Anwendungen heute

wesentlich erweitert. Über Profibus DP kommunizieren dezentrale

Peripheriegeräte mit hoher Performance mit den Steuerungen sowohl

in einem zyklischen Raster als auch ereignisgesteuert asynchron.

Profibus DP ist auch der Systembus für die Simatic S7, über den alle

Peripheriebaugruppen angesprochen werden können, ohne explizit

Datenaustausch programmieren zu müssen. Über das Verkabelungssystem

ECOFAST® können die Baugruppen kostensparend und

schnell sowohl mit Daten als auch mit Energie versorgt werden. Für

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 Profi bus-

Nutzerorganisation zur Verfügung.

MEHR ALS NUR EINFACH KOMMUNIKATION

Industrial Ethernet dominiert die Leit- und Zellebene. Mit zuneh-

mender Dezentralisierung entstehen auch auf der Feldebene immer

intelligentere Geräte. Die Anbindung dieser Geräte an die Leitebene

erlaubt völlig neue Möglichkeiten z.B. in der Produktions steuerung

oder in der Wartung. Ein gemeinsames Kommuni kationsmedium

Industrial Ethernet erleichtert den Geräten aus dem Feldbereich

den Anschluss an die Welt der Leitebene.

Einheitliche Plattformen und Hersteller übergreifende Engineer ing-

Standards ermöglichen eine kostengünstige Produktion und Kom-

bination von Anlagen- und Maschinenvarianten. Eine Reihe dieser

Engineering-Standards besteht bereits heute: OPC, DCOM, TCP/IP

und viele mehr. Andere sind gerade dabei sich zu etablieren: So

ist beispielsweise PROFInet von der Profibus-Nutzer organisation

(PNO) als Hersteller übergreifendes Kommuni kations-, Automati-

sierungs- und Engineering-Modell konzipiert.

Industrial Ethernet bietet als Basis für die Kommunikation ent-

scheidende Vorteile. So lassen sich dank des hohen Datendurch-

satzes die Möglichkeiten zur Diagnose wesentlich erweitern und

Servicefunktionen sind netzweit und Standort unabhängig verfüg-

bar. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2001 nach Erhebungen

der Gesellschaft für Instandhaltung e.V. rund 148 Milliarden Euro

für Instandhaltung ausgegeben. Die Folgekosten durch Maschinen-

stillstand, Imageverlust, Qualitätsmängel und Lieferunfähigkeit

werden sogar auf das Fünffache dieser Summe geschätzt. Hier

liegt für viele Firmen ein enormes Einsparungspotenzial. Die Zu-

standsdiagnosen intelligenter Komponenten werden über Industrial

Ethernet direkt an eine entsprechende MES-Software (z. B. Simatic

IT Maintegrity) gemeldet, die dann die ggf. notwendigen Folge-

aktionen organisiert und überwacht, wie z.B. Wartung, Upgrade

oder Austausch.

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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SIEMENS UND HARTING –

PARTNER IN DER MODERNEN INDUSTRIEVERNETZUNG

Siemens spielt seit langer Zeit eine zentrale Rolle bei der Ent-

wicklung von – den Anforderungen in der Industrie angepass-

ten und zukunftsorientierten – Kommunikations-Systemen.

Die Technologiegruppe harting ist im Umfeld Industriever-

netzung nicht nur seit Jahren Lieferant für Schnittstellen und

strukturierte Verkabelung sondern auch Partner von Siemens

A&D in der Definition und Realisierung von Infrastrukturkom-

ponenten für Industrial Ethernet.

Für Anwendungen im Automatisierungsbereich hat harting

in Zusammenarbeit mit Siemens einen industrietauglichen

Ethernet-Stecker entwickelt, da die im Bürobereich etablierten

RJ 45-Stecker den Ansprüchen der Industrie nach Robustheit,

einfacher Montage im Feld und Verwendung größerer Kabel-

querschnitte nicht genügten. Diese gemeinsam vorangetriebe-

ne Lösung ist der harting RJ Industrial® (s. Abbildung 1). Bei

dieser Praxis orientierten Steckverbindung haben die Partner

ihre langjährigen Erfahrungen aus der Zusammenarbeit in

der Feldebene – ECOFAST® oder DESINA® mit Profibus – ge-

nutzt. Die im ECOFAST-Umfeld gewonnenen Erkenntnisse zum

Energiebus und Datenbus und die dort verwendeten Schnitt-

stellen wie der Han-Brid® (s. Abbildung 2), wurden bei der

Entwicklung für die Industrial Ethernet-Lösung eingebracht.

Siemens A&D und harting arbeiten im Ethernet-Umfeld in

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.

8

Abb. 1: RJ Industrial

Abb. 2: Han-Brid RJ 45

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

die Eignung von Ethernet in der Industrie, hat sich aber in den

bisherigen Anwendungsfällen nicht nachteilig ausgewirkt. Für

fertigungs- und prozessnahe Aufgaben ist aber eine ausreichend

genau kalkulierbare Reaktionszeit von entscheidender Bedeutung.

PROFInet bietet deshalb zusätzlich einen optimierten Kommuni-

kationskanal auf Softwarebasis an, der zwischen zwei Geräten

vereinbart wird. Die damit erreichbare Performance des Bus-

systems ist vergleichbar mit der von üblichen Feldbussystemen

und ermöglicht Reaktionszeiten im Bereich von 5 bis 10 ms.

Für kritische Anwendungen, die hohe Anforderungen an das

Zeitverhalten haben und die sehr kurze Reaktionszeiten und

isochrone Übertragungen benötigen, wie sie im Motion-Control-

Bereich notwendig sind, ist der Einsatz spezieller Hardware erforderlich.

Mit Reaktionszeiten von deutlich kleiner als 1 ms, einer

taktsynchronen Übertragung und einem Jitter von weniger als

1 µs sind dann auch schnelle und exakte Antriebsregelungen über

Industrial Ethernet realisierbar. Natürlich kann man parallel zu

diesem Echtzeitkanal auch gleichzeitig über die TCP/IP-Standardkommunikation

auf der Basis der bereits bestehenden Netzwerke

transparent auf alle Geräte zugreifen, z.B. für Parametrierung

und Diagnose.

ES GIBT NOCH EINIGES ZU TUN

Viele Funktionen und Anwendungsprofile, die bei Profibus bereits

vorhanden sind, wie z.B. Profisafe, sind bei Industrial Ethernet

nicht verfügbar und müssen noch realisiert werden.

Abb. 2: PROFInet integriert bestehende Anlagen bzw. Profibus-

Systeme 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.

HARTING tec.News 11-I-2003


Aber auch bei den Ethernetkomponenten selbst gibt es noch eini-

ges zu tun, damit sie industrietauglich werden. Einen für Büro-

umgebung entwickelten Switch einfach in ein stabileres Gehäuse

zu packen, ergibt mit Sicherheit nicht das Produkt, das Industrie-

kunden benötigen. Beständigkeit bei rauen Umweltbedingungen,

Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Störungen, erwei-

terte 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

für Ethernet im Bürobereich ist nicht auf den Industriebereich

übertragbar. Und auch die Netzkomponenten entsprechen nur

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 kosten mäßig

unschlagbar bei der Anbindung einfacher Sensoren und Aktoren.

Die Einbindung bestehender Systeme in zukünftige Kommunikationsstrukturen

ist deshalb ein wichtiger Punkt des PROFInet-

Standards.

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 Inbetriebnahmeund

Wartungskonzepte mit Augmented Reality, und sie wird ihre

Rolle als Rückgrat der Automatisierung weiter ausbauen.

geboren am 9. Juli 1944 in Quakenbrück

Ausbildung

Abitur, Dipl.-Ing. Elektrotechnik,

Dipl.-Ing. Maschinenbau

Dr.-Ing.

Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Ing.

Klaus Wucherer

Mitglied des Zentralvorstands

der Siemens AG

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 Automatisierungs-

und 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)

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HARTING tec.News 11-I-2003


tec.

Andreas van Eckendonk & Andreas Huhmann

Topthema

TECHNOLOGIE

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.

11


Die Profibus-Nutzerorganisation hat bei PROFInet bereits für

die Bereiche IP 20 sowie IP 67 Festlegungen getroffen und in der

Richtlinie „Installation Guideline PROFInet“ dokumentiert. Die

Richtlinie setzt auf den Standards ISO/IEC 11801 auf, die den

Bürobereich abdecken. Sie ergänzt aber diese Norm um Lösun-

gen, die die besonderen Anforderungen des Produktionsbereiches

berücksichtigen (Bild 1). Das Ziel ist, die dort getroffenen Fest-

legungen in die internationale Standardisierung einzubringen.

Zu den wichtigsten Kriterien für die Akzeptanz einer neuen

Kommunikationstechnologie – wie z.B. PROFInet – durch den

Anwender gehört neben den Aspekten, die die Kommunikation

betreffen, eine einfache Handhabung bei der Installation. Hierbei

spielen die Netztopologie, Verkabelung und Steckerkonzepte eine

Schlüsselrolle.

PROFInet setzt neue Maßstäbe, denn

· der Hersteller von Komponenten bekommt eindeutige Vorga-

ben über die Schnittstellen und die Verkabelung und hat damit

Sicherheit bei der Implementierung von PROFInet und

· der Anwender bekommt einfache Regeln für die Installation und

kann damit wie beim Feldbus ohne zusätzliche ethernetspezifische

Planung Netzwerke erstellen. Es bleibt alles einfach wie

beim Feldbus.

12

Abb. 1: Einordnung der PROFInet-Richtlinie

NETZTOPOLOGIEN

Netztopologien orientieren sich an den Erfordernissen der

Applikation. Im Gegensatz zur Büroumgebung, in der häufig

wiederkehrende topologische Muster vorkommen, hängen die

vorgefundenen Topologien in der industriellen Automatisierung

stark von den jeweils geltenden Randbedingungen ab. Die Ausprägung

einer Anlage bzw. Maschine hat entscheidenden Einfluss

auf die Topologie eines PROFInet-Systems. Zur Verdeutlichung

ihres Aufbauprinzips werden sie in ihrer Reinform erläutert. In

der Praxis besteht eine Anlage aus einer Mischform der unten

einzeln betrachteten Strukturen.

STERNTOPOLOGIE

Kennzeichen der Sternstruktur ist ein zentraler Signalverteiler

(Switch) mit Einzelverbindungen zu allen Endgeräten des Netzes.

Anwendungen für sternförmige Netzstrukturen sind Bereiche mit

hoher Gerätedichte bei geringen Längenausdehnungen, z. B. klei-

ne Fertigungszellen oder eine einzelne Produktionsmaschine.

BAUMTOPOLOGIE

Die Baumtopologie entsteht aus der Verbindung mehrerer Sterne

zu einem Netzwerk, ggf. unter Mischung von LWL- und Twisted

Pair-Verkabelung. Die Baumtopologie findet Anwendung bei der

Gliederung komplexer Anlagen in autonome Teilanlagen.

InO = Industrial Outlet

PMD = PROFInet Machine Distributor

MD = Machine Distributor

HARTING tec.News 11-I-2003

Abb. 2: Sterntopologie


LINIENTOPOLOGIE

Realisiert werden kann die Linienstruktur durch einen Switch

in der Nähe des anzuschließenden Endgeräts oder durch einen

in das Endgerät integrierten Switch. Die Linienstruktur findet

bevorzugt Anwendung in Anlagen mit weitläufiger Struktur, z. B.

Fördersysteme, und zur Verbindung von Fertigungszellen.

RINGTOPOLOGIE (REDUNDANZ)

Schließt man die Enden einer Linie durch eine zusätzliche Verbin-

dung, ergibt sich eine Ringstruktur. Eine einfache Unterbrechung

der Linie an einer beliebigen Stelle hat keinerlei Auswirkungen

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

Abb. 3: Baumtopologie

Im Produktionsbereich ist die Kommunikationsverkabelung

meist an die Lebensdauer der Anlage oder Maschine gebunden.

Im Gegensatz zu einer in der ISO/IEC 11801 beschriebenen an-

wendungsneutralen Gebäudeverkabelung mit Patchfeldern und

Wanddosen ist die Verkabelung im Produktionsbereich durch die

Anlage oder Maschine geprägt und damit anlagenspezifisch. Die

Verkabelung im Produktionsbereich ist durchgängig in das Ge-

bäudenetzwerk einbezogen. Eine Übergabe der tertiären Verkabe-

lung 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.

Abb. 4: Linienstruktur

VERKABELUNG MIT SYMMETRISCHEM KUPFERKABEL

Die Signalübertragung über symmetrische Kupferkabel erfolgt

nach 100 BASE-TX mit einer Übertragungsgeschwindigkeit

von 100 MBit/s (Fast-Ethernet). Übertragungsmedium ist ein

2-paariges, verdrilltes und geschirmtes Kupferkabel (Twisted

Pair oder Sternvierer) mit einem Wellenwiderstand von 100 Ω.

Bei PROFInet sind ausschließlich geschirmte Kabel und Verbindungselemente

zugelassen. Die einzelnen Komponenten müssen

die Anforderung der Category 5 und die gesamte Übertragungsstrecke

die Anforderungen der Klasse D entsprechend ISO/IEC

11801 erfüllen.

Abb. 5: Ringtopologie

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Lösbare Verbindungen werden mit Hilfe des RJ 45- bzw. M12-

Steckverbindungssystems hergestellt. Die Geräteanschlüsse

und informationstechnischen Anschlüsse sind als Buchse ausgeführt.

Die Verbindungskabel (Geräteanschlusskabel, Rangierkabel)

sind entsprechend beidseitig mit Steckern versehen. Alle

Geräte werden über eine aktive Netzkomponente angeschlossen.

Um eine möglichst einfache Installation zu gewährleisten, ist

das Übertragungskabel als beidseitig gleich definiert. Diese

Verbindungsleitung erfüllt damit die Funktion der aus dem Büro

bekannten Patchleitung.

Alle verwendeten symmetrischen Kupferkabel müssen die in

Tabelle 1 aufgeführten Parameter aufweisen.

VERKABELUNG MIT HYBRIDKABEL

Da die Teilnehmer in der Feldebene neben den Daten häufig auch

mit 24 Volt versorgt werden müssen, bietet sich dort eine hybride

Verkabelungsstruktur an. Hybridkabel enthalten gleichzeitig Lei-

ter für die Signal- und für die Energieübertragung. Bei PROFInet

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sind zwei Ausführungen, die Cu/LWL-Ausführung (2 optische

Fasern für Datenübertragung, 4 Adern für Energieübertragung)

und die Cu/Cu-Ausführung (4 Adern für Datenübertragung,

4 Adern für Energieübertragung) zulässig.

VERKABELUNG MIT LICHTWELLENLEITER

PROFInet kann auch mit Multimode- oder Singlemode-Licht-

wellenleiterstrecken betrieben werden. Die Signalübertragung

erfolgt über 2-faserige Lichtwellenleiter (LWL) nach 100 BASE-

FX mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 100 MBit/s.

Die optischen Schnittstellen von PROFInet-Geräten entsprechen

den Normen ISO/IEC 9314-3 (Multimode) bzw. ISO/IEC 9314-4

(Singlemode). Für Anwendungen außerhalb des Schaltschranks

ist der Außenmantel, wie bei den Twisted Pair-Leitungen auch,

an die jeweiligen Anforderungen am Einsatzort (mechanisch,

chemisch, thermisch) angepasst. Lichtwellenleiter erlauben

größere Netzausdehnungen als symmetrische Kupferkabel und

sind unempfindlich gegen elektromagnetische Beeinflussung.

KABELTYP EINSATZART A EINSATZART B EINSATZART C

AUSFÜHRUNG Datenleitung

VERLEGEART

fest, keine Bewegung nach

der Installation

flexibel, gelegentliche

Bewegung oder Vibration

HARTING tec.News 11-I-2003

hochflexibel, permanente

Bewegung (Schleppkette oder

Torsion usw.), Sonderanwendungen

AUSSENDURCHMESSER 5,5 – 8,0 mm

ADERDURCHMESSER 1,4 +/- 0,2 mm

LEITERQUERSCHNITT AWG 22 / 1 AWG 22 / 7 AWG 22

MANTELFARBE grün RAL 6018

ADERKENNZEICHNUNG blau, gelb, weiß, orange

ANZAHL DER ADERN 4

VERSEILUNG 2 Paare / 1 Sternvierer

MANTELBESCHRIFTUNG PROFInet Typ A PROFInet Typ B PROFInet Typ C

SCHIRMUNG Schirmfolie + Geflecht verzinnt, Bedeckung > 75 %

FÜR STECKERTYP RJ 45 (IP 20 oder IP 67) oder M12

MINDESTZUGBELASTBARKEIT 50 N

TEMPERATUR - 20 °C bis + 70 °C

BIEGERADIEN

während Verlegung 8 x d,

installiert 4 x d

ÜBERTRAGUNGSEIGENSCHAFTEN EN 50 288 / 2 / 1 bzw. / 2

ÜBERTRAGUNGSLÄNGE 100 m

Tabelle 1: Kabelspezifikation symmetrische Kupferkabel

einmalig 6 x d,

mehrmalig 15 x d


EINSATZBEREICH

(BEISPIELE)

STECKVERBINDER FÜR INDUSTRIAL ETHERNET

Die Anforderungen an Steckverbinder unterscheiden sich je nach

Einsatzort erheblich. Daher ist eine Differenzierung notwendig,

die zu Steckverbindern mit unterschiedlichen IP-Klassen führt.

Innerhalb des Schaltschranks ist IP 20 ausreichend, außerhalb

dagegen IP 65 oder IP 67 angebracht.

PROFInet sieht für jeden Anwendungsfall den passenden Stecker

vor. Geräte, die nur für den Einsatz innerhalb des Schaltschranks

vorgesehen sind, werden bei PROFInet immer mit dem RJ 45-

Steckgesicht ausgerüstet. Für Feldgeräte besteht die Möglichkeit,

in Abhängigkeit der Applikation entweder eine RJ 45- oder eine

M12-basierte Lösung einzusetzen. Für beide Steckverbinder

wird die einfache Vor-Ort-Konfektion gefordert. Denn im Produktionsumfeld

ist oftmals die Konfektion eines Verbindungskabels

in der Applikation notwendig.

STECKVERBINDER FÜR SCHALTSCHRANK-

UMWELTBEDINGUNGEN

Im Schaltschrankbereich ist der RJ 45 in IP 20 die eindeutig

definierte Schnittstelle. Die Auswahl der RJ 45-Steckverbinderprodukte

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.

„INNERHALB“ „AUSSERHALB“

Warten, Elektronikräume, Schaltschränke

STECKVERBINDER AUSSERHALB DES

SCHALTSCHRANKBEREICHS

Steckverbinder außerhalb des Schaltschranks müssen den Ansprüchen

der Industrie in besonderem Maße Rechnung tragen.

Hier kommen die Typen RJ 45 in IP 65 oder IP 67 oder der Typ

M12 zum Einsatz.

RJ 45-STECKVERBINDER

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

VIBRATION

10-500 HZ

IEC 60512-4, test 6c

20 g / 11 ms 3 pro Achse beide Richtungen

IEC 60512-4, test 6d

0,35 mm oder 5 g

IEC 60512-4, test 6c

20 g / 11 ms 3 pro Achse beide Richtungen

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

Die eingesetzten RJ 45-kompatiblen IP 67-Steckverbinder werden

in der Norm CONNECTORS FOR ELECTRONIC EQUIPMENT IEC

61076 Part 3-106: 8 way connectors for industrial environments

Industrial RJ 45 Variant 04 beschrieben. Als RJ 45-Kompatibili-

tät ist definiert, dass die Kontaktgeometrie das Stecken und die

Funktion einer Standard RJ 45-Stiftseite (Plug) in Verbindung

mit einer hier spezifizierten Buchse (Jack) gewährleistet. Das

Büro-Patchkabel muss in jedem Fall steckbar sein, wodurch eine

Rückwärtskompatibilität zur Büroausstattung sichergestellt ist.

Der RJ 45 für PROFInet basiert auf einem für die industrielle

Applikation neu entwickelten RJ 45. Dieser befindet sich innerhalb

eines robusten Gehäuses mit Push Pull-Verriegelung. Der

Kabelschirm wird innerhalb des Gehäuses aufgelegt.

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

durch Unternehmen gegründet, um das Hersteller neutrale

offene industrielle Kommunikationssystem Profibus gemäß den

Anforderungen des Marktes zu entwickeln und zu verbreiten.

Grundlage für die Entwicklung sind Anwenderforderungen sowie

Trends im Automatisierungsbereich. Viele Anwender fordern

heute eine durchgängige Kommunikation von der Feldebene bis

hin zur Unternehmensleitebene. Darüber hinaus wird ein Zugang

über das Internet gewünscht, um remote Engineeringmaßnahmen

durchführen zu können. Um den Mitgliedern einen wirtschaftlichen

Fortbestand auf lange Sicht zu sichern, hat die Profibus

Nutzerorganisation das ethernetbasierte industrielle Kommunikationssystem

PROFInet entwickelt. PROFInet erfüllt diese

Anwenderforderungen.

Die erfolgreiche Arbeit der Profibus-Nutzerorganisation, durch

die die heutige Profibus-Technologie entstanden ist, setzt bei

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

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

Es steht außer Frage, dass Ethernet zunehmend in die Feldebene

vordringt. Typische Randbedingungen von Automatisierungsanwendungen,

wie Determinismus, werden aber heute allein durch

Feldbusse – wie Profibus – erfüllt. Ethernet in Verbindung mit

TCP/IP erfüllt sie heute nicht. Aber auch einfache Anschluss- und

Installationstechnik, niedrige Anschlusskosten und eine einfache

Austauschbarkeit defekter Geräte im Feld sind relevant für

den Erfolg. Die Automatisierungstechnik wird im Wesentlichen

davon profitieren, dass akzeptierte und bewährte IT-Standards

(wie Web-Technologien, Netzwerk-Management-Lösungen) kostengünstig

übernommen werden können. PROFInet stellt hierfür

Lösungen zur Verfügung.

Es ist zu erwarten, dass Feldbusse und Ethernet auf lange Sicht

hin in Automatisierungssystemen ein symbiotisches Zusammenleben

führen werden. Darauf sind Profibus und PROFInet bestens

ausgerichtet.

Dr. Peter Wenzel

Geschäftsführer Technik

Profibus-Nutzerorganisation

info@profibus.com

HARTING tec.News 11-I-2003


M12-STECKVERBINDER

Im Feldgeräteeinsatz erfolgen Verbindungen zwischen Übertra-

gungsleitungen und Gerät bzw. Übertragungsleitungen unterein-

ander standardmäßig mit einem 4-poligen M12-Steckverbindersystem.

Dieses Steckverbindersystem ist in IEC 60947-5-2

und IEC 61076-2-101 beschrieben. Geräte sind mit der Buchse,

Anschluss- und Übertragungsleitungen mit Stiftsteckern ausgerüstet.

Abweichend von den vorgenannten Normen wird der Pin

5 nicht verwendet. Um ein Fehlstecken zu verhindern, wird die

D-Kodierung eingesetzt, wie sie vom DKE für Industrial Ethernet

in die Norm IEC 61076-2-101 eingebracht wird. Durch die

Auswahl dieses M12-Typs sind Vertauschungen mit Profibus-

Leitungen sowie Sensor-/Aktorleitungen ausgeschlossen.

Abb. 7: M12 für PROFInet

Abb. 8: Hybridsteckverbinder für PROFInet

STECKVERBINDER FÜR HYBRIDKABEL

Der hybride Steckverbinder wird dort eingesetzt, wo dezentrale

Feldbaugruppen über einen kombinierten Steckverbinder mit

Daten und Versorgungsspannung verbunden werden sollen. Die

eingesetzten RJ 45-kompatiblen IP 67-Steckverbinder werden in

folgender Norm beschrieben: CONNECTORS FOR ELECTRONIC

EQUIPMENT IEC 61076 Part 3-106: 8 way connectors for industrial

environments Industrial RJ 45 Variant 05.

STECKVERBINDER FÜR LICHTWELLENLEITER

Die Verbindung von Lichtwellenleitern mit Geräten bzw. Lichtwel-

lenleitern untereinander erfolgt nach ISO/IEC 11801 bei neuen

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 ermög-

licht die Installation von Verbindungsleitungen nach Regeln, ohne

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

info@profibus.com

Andreas Huhmann

Market Manager Industry

HARTING Deutschland GmbH & Co. KG

andreas.huhmann@HARTING.com

17


tec.

18

Topthema

NETZWERKE

HARTING tec.News 11-I-2003


Claus Kleedörfer

Zeitverhalten und Vorteile von Switch-Based

Ethernet Networks


Die Technologiegruppe harting übernimmt auf dem Gebiet

des Industrial Ethernet eine Schlüsselrolle zum Thema Ver-

bindungstechnik. Dem Unternehmen kommt dabei seine

genaue Kenntnis von speziellen Themenstellungen wie dem

allgemeinen Zeitverhalten von Ethernet oder der Kollisions-

problematik zugute. Es ist hierbei hilfreich, sich noch einmal

die Ethernet-Historie zu vergegenwärtigen. Die Vorteile de-

zentraler Switch-Komponenten allerdings können erst durch

die langjährige Erfahrung im Industriebereich genutzt wer-

den.

Als Ethernet Mitte der siebziger Jahre von Dr. Robert Metcalfe

erfunden wurde, basierte die Kommunikation auf dem Physical

Layer auf Koaxial-Kabeln. Steigende technische Anforderungen

in Bezug auf Datenrate und Netzwerktopologien führten zu einer

stetigen Evolution der Übertragungsphysik. Heute ist Shielded

Twisted Pair, STP (geschirmte Zweidrahtleitung) das bevorzugte

Übertragungsmedium.

Gleich geblieben ist das Zugriffsverfahren, durch das der Daten-

austausch über diese Leitungen geregelt ist, d.h. die Prozedur, die

definiert, wie die Daten dem Übertragungsmedium aufgeprägt

werden: CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision

Detection: Besteht in einem Ethernet-Knoten der Wunsch, Daten

auszutauschen, beispielsweise das Absenden einer E-Mail, über-

prüft der Ethernet-Controller, ob gegenwärtig Datenverkehr auf

der Leitung herrscht (carrier sense CS). Ist das Ergebnis dieser

Prüfung negativ, startet dieser Knoten mit der Übertragungsse-

quenz. Während dieser Sequenz kontrolliert der Knoten ständig,

ob in diesem Zeitrahmen ein weiterer Ethernet-Teilnehmer eine

Datenübertragung gestartet hat und somit Daten kollidieren und

zerstört werden.

Eine Kollision kann ebenfalls vorkommen, wenn zwei Netzwerkknoten

zur selben Zeit mit der Datenübertragung beginnen, mit

dem gleichen Ergebnis, dass das Datentelegramm unbrauchbar

wird. Alle an dieser Datenkollision beteiligten Netzwerkteilnehmer

senden bei Erkennen der Kollision ein Kollisionssignal zu

deren Signalisierung. Nach dem Erhalt des Kollisionssignals

warten diese Teilnehmer für die Dauer einer zufällig generierten

Zeitspanne, bevor sie erneut versuchen, die Daten zu senden.

Der Durchschnittswert dieser Zeitspanne hängt von der Anzahl

der direkt aufeinanderfolgenden Kollisionen ab. Das heißt, dass

Stationen, die in einer bestimmten Zeitperiode in weniger Kollisionsereignisse

verwickelt waren, eine höhere Wahrscheinlichkeit

zugebilligt bekommen, das Netzwerk zu belegen.

20

Hauptursache für das Auftreten von Kollisionen in Ethernet-Netzwerken

ist die gleichzeitige Übertragung in Verbindung mit der

propagation delay time (Laufzeit) der Signale auf dem Übertragungsmedium.

Zu dem Zeitpunkt, an dem ein Netzwerkknoten

den Zustand des physical layers überprüft, kann eine Information,

abgesetzt von einem anderen Netzwerkknoten, bereits „auf dem

Weg“ sein, an dem prüfenden Netzwerkknoten ist dieses Signal

jedoch noch nicht angekommen. Der Ethernet-Standard definiert

eine propagation delay time von maximal 25,6 µs, d.h. eine Kollision

ereignet sich maximal 25,6 µs, nachdem ein Netzwerkknoten

den Datentransfer gestartet hat. Ist dies der Fall, wird die gleiche

Zeitspanne als Signalrücklaufzeit benötigt, so dass der sendende

Netzwerkknoten eine Kollision spätestens nach 51,2 µs erkennt.

Unter Berücksichtigung der typischen Signal-Laufzeitverzögerung

von 5 ns/m und den unvermeidbaren Verzögerungszeiten

in den aktiven Netzkomponenten definiert die ISO/IEC 8802-3

eine maximale Netzausdehnung von 2500 m.

UNTERSCHIED

Unter kritischer Betrachtung obiger Charakteristika von Ether-

net-Netzwerken fällt auf, dass durch die Kollisionsproblematik

der Sender eines Datentelegramms nicht immer zeitlich genau

definieren kann, wann dieses Telegramm den Empfänger erreicht.

Dies ist bei Büroapplikationen nebensächlich, da es beispielsweise

unwesentlich ist, ob eine E-Mail zwei Sekunden früher oder spä-

ter den Empfänger erreicht. In industriellen Applikationen muss

jedoch in der Regel sehr genau definiert sein, wann mit einer

Aktion auf ein Ereignis gerechnet werden kann, zum einen um

den laufenden Prozess nicht negativ zu beeinflussen. Der weitaus

wichtigere Grund ist jedoch die Sicherheit des Vorganges.

In diesem Zusammenhang wird ein vorherbestimmbares Zeit-

verhalten von Netzwerken mit Determinismus oder Real Time,

deutsch Echtzeit, beschrieben. Real Time bedeutet dabei, dass in

einer Applikation garantiert ist, dass der Sender einer Nachricht

eine Anwort auf diese innerhalb einer definierten Zeitspanne

erhält. Die wichtigen Worte sind dabei: garantiert, innerhalb

und definiert. Somit bedeutet Real Time nicht eine spezifische

sondern eine der Applikation angemessene Zeit. Bei anspruchsvollen

Applikationen, bei denen beispielsweise Antriebe synchron

betrieben werden, ist eine Genauigkeit der Synchronisierung

von besser als 1 µs bei Zykluszeiten von einigen hundert Mikrosekunden

notwendig.

Aktuelle STP-basierte Ethernet-Netzwerke sind in Sternstrukturen

aufgebaut. Zur Vernetzung von mehreren Teilnehmern sind

HARTING tec.News 11-I-2003


aktive Netzwerkkomponenten notwendig, die gebräuchlichsten

sind dabei Hubs und Switches. Hubs sind dabei der zentrale

Datenverteilpunkt, der Daten, die an einem Port empfangen

werden, parallel an die restlichen Ports des Hubs weitergibt.

Durch diese Funktionalität stellen Hub-basierte Netzwerke eine

einzelne Kollisionsdomäne dar. Aus diesem Grund werden Hubs

in industriellen Netzwerken nur dort verwendet, wo keine hohen

Real-Time-Anforderungen bestehen oder zusätzliche temporär

genutzte Ports, beispielsweise zum Verbinden eines Service-

Laptops, benötigt werden.

Die bevorzugten Komponenten in industriellen Netzwerken sind

Switches. Sie besitzen eine interne Architektur, die es gestattet,

gleichzeitig mehrere Übertragungswege zu eröffnen – im

weitesten Sinne vergleichbar der Struktur eines Telefonnetzes.

Dadurch ist gewährleistet, dass die angeschlossenen Netzkomponenten

nicht mehr länger die verfügbare Bandbreite teilen

müssen, wodurch sich der Datendurchsatz signifikant erhöht.

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 Netzteilnehmern

notwendig macht.

Dieser Konflikt kann durch den Einsatz von Netzwerkkomponenten

in hoher Schutzart gelöst werden. Das robuste Gehäuse kann

an einem dezentralen, aus Installationsgesichtspunkten optimalen

Punkt installiert werden. Mit dieser Struktur werden die

Applikationsnetzwerkkomponenten mit kurzen Leitungen mit dem

Switch verbunden und die einzige lange Verbindung führt zu der

zentralen Steuerung im Schaltschrank. Diese optimierte Struktur

hat für den Anwender den Vorteil, dass die Installationszeit und

die Kosten für die Verkabelung reduziert werden. Außerdem ist

der zentrale Schaltschrank entsprechend kleiner dimensioniert

und die Wartung kann wesentlich vereinfacht werden.

Das industrielle Netzwerkkomponenten-Portfolio von harting un-

terstützt mit Switches in unterschiedlichen Ausführungen und

passiven Infrastrukturkomponenten mit innovativen Interfaces

wie harting RJ Industrial® diese optimierten dezentralen Struktu-

ren und bietet somit maximalen Anwendernutzen im industriellen

Umfeld.

Claus Kleedörfer

Abteilungsleiter Strategische Märkte

HARTING Electric GmbH & Co. KG

claus.kleedoerfer@HARTING.com

21


tec.

Topthema

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 Über-

tragungsstrecke 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 einge-

führt 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

SCHIRMUNG Ja, zwingend Ja, zwingend

STECKVERBINDER FÜR DEN

IP 67-BEREICH

OPTIONALE MITGEFÜHRTE

ENERGIEVERSORGUNG

· Integration der Produktion in das Unternehmensnetzwerk,

· ein offener Markt für Kabel und Komponenten und

· Unterstützung der modularen Fabrik mit schneller und wirt-

schaftlicher Anpassung zur flexiblen Nutzung.

Von internationalen Konsortien wie der Profibus-Nutzerorganisation

(PNO) mit 1100 Mitgliedsfirmen, der IAONA mit 130

Firmen und in USA der ODVA mit über 300 Mitgliedsfirmen sind

Anforderungsprofile erarbeitet worden. Da diese Konsortien keinen

nationalen oder internationalen Auftrag zur Normung haben,

sind ihre Dokumente zwar stark beachtete Empfehlungen, aber

keine „echten“ Normen.

In Europa wurde die Normung zur strukturierten Verkabelung

von Industriekomplexen durch CENELEC TC 215 WG1 PTIP und in

USA durch TIA/EIA TR-42.9 sowie IEEE begonnen, erste Arbeitspapiere

wurden vorgelegt; technische und normungsrelevante,

aber auch industriepolitische Unterschiede zwischen USA und

Europa werden darin deutlich. Die technischen Abweichungen

(siehe Tabelle) in den Dokumenten der Nutzerorganisationen können

als Startaufstellung der Interessengruppen für die Normung

betrachtet werden. Zur Vermeidung von Fehlentwicklungen, die

zu Handelsbarrieren führen, ist eine weltweite Harmonisierung

dringend geboten. Aus dieser Erkenntnis wurde unter ISO/IEC

24

IEC 61076-3-106 Variante

04 oder M12 4pol. mit

D-Kodierung

Durch hybride Kabel und

Steckverbinder nach IEC

61076-3-106 Variante 05

Permanent cabling AWG 22 /24

Flexible cabling AWG 24 / 26

M12 4polig mit B-Kodierung

oder kompatibel zu RJ 45

JTC 1 SC 25 WG3 – „Customer Premises Cabling“ eine neue

Arbeitsgruppe „Industrial Premises Task Group“ gegründet.

Die erste Sitzung fand im Dezember 2002 in Deutschland

statt, Vertreter aller interessierten Gruppen waren anwesend.

Die Abgrenzung zu anderen laufenden Arbeiten wurde herausgearbeitet.

Normen im Bereich der Maschine fallen in die

Zuständigkeit von IEC TC 65. Die Arbeiten wurden strukturiert,

die künftigen Kapitel in Anlehnung an ISO/IEC 11801 festgelegt

und Autoren benannt.

Die wesentlichen Merkmale im Vergleich zu Büroanwendungen

(Customer Premises Cabling) betreffen

a) den strukturellen Aufbau:

· Campus und Building Backbone bleiben wie in ISO/IEC 11801.

· Gegenüber der Bürowelt mit der üblichen Baum- und Sternstruk-

tur sind im industriellen Bereich Linien- und Ringstrukturen zu

berücksichtigen.

AWG 24

Ja, ungeschirmt ist

zulässig

IEC 61076-3-106

Variante 01

· Die Übertragungsmedien sind:

- Cu-Kabel geschirmt Category 5 (UTP)

- Lichtwellenleiterkabel mit HCS- oder POF-Faser.

· Das Horizontal Cabling Subsystem wird in Floor Backbone und

Apparatus Cabling Subsystem aufgeteilt.

HARTING tec.News 11-I-2003

Über die Datenleitung:

(Power via MDI nach

IEEE Draft 802.3af)

UMWELTBEDINGUNG

ART Vibration Temperatur Feuchte Radioaktivität EM-Felder Aggressive

Flüssigkeiten

Öl

Gas

H S/SO 2 2

CHEMIEANLAGEN X X X - X X X X

AUTOMOBIL- & MASCHINENBAU X - - - X X X -

KRAFTWERKE / NUCLEAR POWER X X X X X X X

ELECTRONIC PRODUCTION X - - - X X - -

STAHLPRODUKTION X X X - X


· Der Consolidation Point aus der Bürowelt entfällt, stattdessen

wird der Intermediate/Industrial Distributor eingeführt.

· Die anwendungsneutrale Verkabelung endet an der Schnittstelle

zur Anwendung (Büroarbeitsplatz oder im industriellen Umfeld

der Maschine). Die Bezeichnung der Schnittstelle ist noch in

Diskussion, Arbeitstitel ist TO wie in ISO/IEC 11801; andere

Vorschläge sind Apparatus, Terminal oder Industrial Outlet.

b) die Zuverlässigkeit und Umweltbedingungen:

· Anforderungen an Zuverlässigkeit: neben Sprache und konventio-

neller Datenübertragung müssen Prozesssteuerungen und Rege-

lungen unter allen Betriebsbedingungen sicher funktionieren.

· Erhöhte Umweltanforderungen in unterschiedlichen Industrie-

bereichen.

· Umweltanforderungen durch unterschiedliche Einbaubedin-

gungen:

- geschützter Innenbereich (light duty, IP 20, Temperatur-

bereich 0 bis 60 °C)

- ungeschützter Außenbereich (heavy duty, IP 67, Temperaturbereich

-20 bis +70 °C)

Die Performance-Klassen von Installation und Komponenten

werden als MICE-Konzept mit den folgenden vier Anforderungsmerkmalen

diskutiert:

- Mechanisch

- Dichtigkeit / IP Rating

- Klimatisch / Climatic

- Elektromagnetisch

STECKVERBINDERNORMUNG

Elektrische Steckverbinder werden in der IEC im Sub-Komitee

SC 48B auf Anforderung und nach Vorgabe durch die System-/

Gerätenormung, wie zum Beispiel durch das oben beschriebene

Fachgebiet Industrial Premises Cabling, genormt. Unterschied-

liche Anwendungen führen zu unterschiedlichen Varianten,

wobei die Steckverbindernormung versucht, die Variantenanzahl

gering zu halten und andererseits ein einheitliches abgestuftes

Anforderungsprofil/Prüfprogramm für Varianten festzulegen.

In den oben geschriebenen Veröffentlichungen der PNO, IAONA

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:

IEC 61076-3-106 enthält verschiedene Gehäusevarianten für

raue Umgebungsbedingungen, in die RJ 45-Steckverbindereinsätze,

geschirmt oder ungeschirmt, für 100, 250 oder 600 MHz

einsetzbar sind. Die Gehäusevarianten unterscheiden sich durch

Form (Rund- oder Rechtecksteckverbinder), Verriegelungsvorrichtungen

(Schraub-, Bajonett-, Rasthebel-, Push Pull-Verriegelung)

und besondere Eigenschaften. Die Varianten sind nicht

steckkompatibel.

IEC 61076-2-101: Der Rundsteckverbinder M12 ist in der Feldbusebene

in vielen Anwendungen für raue Umgebungsbedingungen

eingeführt. Die übertragungstechnische Weiterentwicklung von

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.

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

8-poliger Steckverbinder eingesetzt werden können, obwohl die

Weiterführung in die Anwendungsebene (Maschine/Feldbus) auf

zwei differenziellen Leitungen erfolgt.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Arbeiten zur Erstellung einer Norm für die strukturierte

Verkabelung von Industrieobjekten sind begonnen und sollen

zügig vorangebracht werden. Ein Steckverbinder für die industrielle

Schnittstelle zwischen Verkabelung und Maschine ist noch

nicht festgelegt und die Einigung wird aus heutiger Sicht sehr

schwierig.

Die Steckverbinderindustrie hat bereits Lösungen für die Industriekommunikation

entwickelt und parallel hat IEC SC 48B unter

maßgeblicher Beteiligung von harting mit der Normung von

Steckverbindern für die industrielle Kommunikation begonnen.

Bis ein umfassender Konsens zur industriellen Verkabelung und

zu den Steckverbinderanforderungen erreicht ist, wird sicher

noch eine Menge Pulver verschossen.

Gerd Weking

International Standardization,

Chairman IEC TC 48, HARTING KGaA

Gerd.Weking@HARTING.com

25


tec.

Heinz-Günter Spreen

Büro meets Industrie

Ethernet ist zurzeit der Begriff und in aller Munde, wenn es

um Automatisierungstechnik und Vernetzung geht. In der

Bürowelt sind Netzwerke heute Stand der Technik und werden

in breitem Umfang beherrscht. Über das Internet stellt

auch die weltweite Vernetzung von Computern heutzutage

kein Problem mehr dar. Mit einem Klick kann man in Japan,

China oder in den USA sein. Der nächste Schritt in der Vernetzungsära

ist der Übergang der Büro-Ethernet-Netzwerke

in die Industriewelt.

Die Idee ist bestechend: Man nehme bekannte Komponenten

und Techniken aus den Büronetzwerken und installiere sie im

26

Topthema

PRAXIS

Industrieumfeld. Da es sich hierbei um seit Jahren bewährte Komponenten

handelt, ist zum einen der Preis größtenteils gering und

die Technik bekannt und beherrscht.

BÜROWELT

Der kostengünstige Faktor bei den Ethernet-Komponenten in der

Bürowelt rührt in erster Linie von den überschaubaren Umwelt-

bedingungen, die dort herrschen.

Wichtigste Faktoren sind hier

· geringe Temperaturanforderungen,

· rein statische Beanspruchungen,

· geringe elektromagnetische Anforderungen und

· generell geringe mechanische Beanspruchungen,

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 ein-

schlägigen 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,

HARTING tec.News 11-I-2003


· 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 heu-

te 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 die-

ses erforderlich. Das Netzwerk erfordert speziell an der Schnitt-

stelle 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 Industrie-

umgebung 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 Ethernet-

Industriedose 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

HARTING Electric GmbH & Co. KG

heinz-guenter.spreen@HARTING.com


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HARTING tec.News 11-I-2003


tec.

Markus Witte, Ulrich Wallenhorst & York Dobrick

Topthema

Entwicklungsbegleitende Optimierungen von industriellen

Schnittstellen beziehen sich üblicherweise auf Designfeatures,

welche beispielsweise einfachere Handhabung, bessere Ver-

arbeitbarkeit, geringere Kosten etc. betreffen, weniger jedoch

die Übertragungseigenschaften für schnelle digitale oder ana-

loge Signale. Dieses ist anders bei der Steckverbinder-Familie

harting RJ Industrial®, die die Vorteile der strukturierten Ver-

kabelung aus der Bürowelt mit dem Anspruch der Robustheit

und Handhabbarkeit aus der Industriewelt kombiniert.

Dieses bedeutet auch, dass das Produkt die Übertragungsanforderungen

der Link-Kategorie 5 (Category 5) erfüllen muss. Hierbei

sind beispielsweise -20 dB Rückflussdämpfung ebenso einzuhalten

wie -43 dB Übersprechdämpfung. Wenn nun – wie im Falle des

RJ Industrial – im Verlaufe der Produktentwicklung eine Baubreiten-Reduzierung

einzuhalten ist, müssen die durchzuführenden

Änderungen an Kontakten und Isolierkörpern diesem Anspruch

genügen. Hierbei kommt der 3D Finite Elemente Software-Simulation

für übertragungstechnische Problemstellungen hohe Bedeutung

zu. Nur diese Werkzeuge erlauben eine Voraussage im

Planungsstadium. In diesem Artikel wird die konkrete Vorgehensweise

beschrieben, wie mit Hilfe dieser Software das Produkt zu

optimieren ist, damit bei minimalem geometrischen Abmessungen

immer noch optimale übertragungstechnische Performance erreichbar

wird. Durch 3D FEM- und SPICE-Simulationen lässt sich das

Übertragungsverhalten des Steckverbinders bereits in der Entwicklungsphase

bestimmen (SPICE: Simulation Program with Integrated

Circuits Emphasis). Man spart mit dieser Methode aufwändige Musteranfertigungen

und Messungen und kann die Entwicklungskosten

des Produktes deutlich verringern. Zudem lässt sich hierdurch

die Gesamtentwicklungszeit deutlich reduzieren.

PERFORMANCEANFORDERUNGEN

Die einzuhaltenden Übertragungsparameter wurden in Amerika

als neue Category 5e-Spezifikation festgelegt. Dabei erhöhte man

die Anforderungen an das NEXT (Nahnebensprechen) um 3 dB

gegenüber früheren Standardwerten. Denn es hatte sich gezeigt,

dass die Übertragung über Strecken nach amerikanischer

Category 5 nicht 100-prozentig sichergestellt werden kann. Diese

zusätzlichen Parameter wurden bei der ISO/IEC in der 2. Änderung

und in die EN 50173 in der 1. Änderung (Ausgabe 2000)

mit aufgenommen, die damit weitgehend der amerikanischen

DESIGN

Designoptimierungen von industriellen Schnittstellen

Category 5e entsprechen. Die ISO/IEC 11801:2002 wurde Ende

August durch die nationalen Gremien angenommen und wird seit

Ende September ausgeliefert. Die zweite Ausgabe der EN 50173-1:

2002 wurde Ende September einstimmig verabschiedet.

Gemäß ISO/IEC-Norm 11801:1995 sind bestimmte Grenzwerte für

die Nahnebensprechdämpfung (NEXT) einzuhalten. Die aktuelle

Norm 11801:2002 sieht wie erwähnt schärfere Grenzwerte für die

Nahnebensprechdämpfung vor.

MECHANISCH-GEOMETRISCHE RANDBEDINGUNGEN

Bei der Entwicklung des RJ Industrial-Steckverbinders stellte die

Einhaltung der Werte für Nahnebensprechdämpfung eine beson-

dere Herausforderung dar. Nach Spezifikation sind die differenzi-

ellen Signale über die Kontakte 1,2 und 3,6 zu übertragen.

Abbildung 2 zeigt die Anordnung der differenziellen Paare 1,2

und 3,6. Die Kontakte 2 und 3 sind direkt benachbart und verur-

sachen somit Verkopplungen, welche die Einhaltung der Werte

für die Nahnebensprechdämpfung erschweren.

Hinzu kommt in der Entwicklungsphase eine Baubreitenreduzierung

des Steckverbinders von 21 mm auf 14 mm. Diese

Kundenanforderung ermöglicht die flexible Anbindung des Produktes

auch im Patchfeld an einem Industrial Ethernet Switch mit

höchster Packungsdichte in einem Standardraster von nur 14 mm.

Es ist somit ein optimaler Kompromiss zwischen mechanischen

Bedingungen und der geforderten Übertragungsperformance

zu finden.

SIMULATION UND MESSUNG DES RJ INDUSTRIAL

Wie bereits in Abbildung 2 gezeigt, stellt das Hauptproblem

bei der Einhaltung der Nahnebensprechwerte die mechanische

Bedingung der differenziellen Leitungspaare dar. Die differen-

ziellen Paare 1,2 und 3,6 sind räumlich durch die Kontakte 2

und 3 direkt benachbart. Das höchste Übersprechen ist in den

Bereichen, in denen die benachbarten Metallflächen besonders

breit sind. Dieses Verhalten kommt in der Elektrotechnik einem

Plattenkondensator sehr nahe. Um den Simulationsaufwand ge-

ring zu halten, ist deshalb nur der Stecker betrachtet worden. Um

das Übertragungsverhalten mit den Messkurven vergleichen zu

können, sollte das Simulationsmodell nahe an dem Messaufbau

angelehnt sein. D.h. man muss ein Modell aus Stecker-Buchse und

den entsprechenden Anschlusskabeln wählen.

29


30

Abb. 1: Grenzwerte für die Nahnebensprechdämpfung

Abb. 2: Differenzielle Leitungspaare

1, 2 und 3,6 des 21 mm-Moduls

Abb. 3: Messaufbau des RJ Industrial-Steckverbinders

Abb. 4: Geometrien des RJ Industrial-Steckverbinders

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 Kontaktan-

ordnung 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.

FEM-/SPICE-SIMULATION

Zur Simulation der HF-Übertragungseigenschaften eines Steck-

verbinders aus den Geometriedaten (CAD-Daten) gibt es zwei

unterschiedliche Ansätze.

Durch eine dynamische 3D-FEM (dreidimensionale Finite Elemen-

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 Vorgehens-

weise 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-

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 FEM-

Analyse und anschließender SPICE-Simulation durchgeführt. Die

3D-Geometrie des RJ Industrial-Steckverbinders wurde im CAD-

Programm, 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 Industrial-Steckverbinders

im FEM-Tool über die Datenaustausch-

HARTING tec.News 11-I-2003


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 Schneidklem-

me (eingekreiste Bereiche) verdeutlicht. Zur Simulation wurde die

Geometrie in mehrere Querschnitte unterteilt, um eine höhere

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 Kop-

pelkondensatoren und Koppelfaktoren mit den einzelnen Leitern

beschaltet sind. Für eine hohe Modellgenauigkeit sollten mög-

lichst viele Kettenglieder hintereinandergeschaltet werden. In der

SPICE-Simulation werden die Netzlisten für jeden betrachteten

Querschnitt hintereinandergeschaltet. Mit dieser Methode können

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 Übertragungstrecke.

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

S3,S6: S3 = +1V; S6 = -1V

Abb. 5:

Darstellung der vernetzten Kontakte

eines Querschnitts vom 21 mm-Modul

Abb. 6: Beschaltung des SPICE-Modells

Abb. 7: Elektrisches Feld in einem Querschnitt des 21 mm-Moduls

Abb. 8: Elektrisches Feld in einem Querschnitt des 14 mm-Moduls

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Abb. 9: Ergebnisse für die Nahnebensprechdämpfung vor und nach

der Designoptimierung

Abbildung 7 zeigt die starke Verkopplung zwischen den Kontak-

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

Kontakten 2 und 3 besonders kritisch. Die Bereiche mit hoher

Feldstärke sind in der Farbe Rot dargestellt und die Bereiche mit

niedriger Feldstärke sind Blau dargestellt. Durch eine Design-

optimierung wurde in der 14 mm-Variante die Anordnung der

Kontakte geändert.

Abbildung 8 zeigt die deutliche Verbesserung durch die Design-

optimierung. Der Querschnitt des Kontaktes 3 wurde in unmittel-

barer Nähe zum Kontakt 2 deutlich reduziert und verringert somit

die Angriffsfläche für Verkopplungen. Der Kontakt 3 erscheint in

dieser Betrachtung gleich zweimal. Dadurch wird die Kopplung

in dem differenziellen Kontaktpaar 3,6 zur Performanceverbes-

serung erhöht.

Dieses spiegelt sich durch die Verbesserung der Nahnebensprech-

dämpfung in dem Diagramm in Abbildung 9 wider.

Abbildung 9 zeigt die Ergebnisse für die Nahnebensprechdämp-

fung vor und nach der Designoptimierung. Mit den Startwerten

für das 21 mm-Modul werden die Grenzwerte für die Nahneben-

sprechdämpfung überschritten. Maßgeblich hierfür ist die un-

mittelbare 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 Grenzwerte

bis 100 MHz. Die Unterschiede zwischen Simulation und

32

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 ge-

schickte 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

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

Fällen übermittelt werden.

· Die Reduzierung der Baugröße des RJ Industrial von 21 mm auf

14 mm wurde trotz der hohen Performanceanforderungen erfolgreich

durchgeführt und die Performance gleichzeitig verbessert.

Der RJ Industrial kann somit auch in Patch-Feldern mit einem

14 mm-Raster eingesetzt werden.

· Die tendenzielle Verbesserung der Nahnebensprechwerte durch

Designoptimierungen mit einem FEM-Programm korreliert gut

mit den Messwerten, obwohl Buchse und Anschlusskabel im

Simulationsmodell nicht berücksichtigt wurden.

· Trotz Verschärfung der Norm werden die Grenzwerte des

Nahnebensprechens der ISO/IEC Norm 11801:2002 für das

14 mm-Modul eingehalten.

Markus Witte

Signal Integrity Engineer, Backplane Solutions

HARTING Electronics GmbH & Co. KG

markus.witte@HARTING.com

Ulrich Wallenhorst

Director of Backplane Solutions Department

HARTING Electronics GmbH & Co. KG

ulrich.wallenhorst@HARTING.com

York Dobrick

Laboringenieur für Hochfrequenz und Elektromagnetische

Verträglichkeit, HARTING KGaA

york.dobrick@HARTING.com

HARTING tec.News 11-I-2003


tec.

Topthema

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

Mitte der 80er Jahre ermöglichte die Entwicklung und Verbrei-

tung von Software-Einzellösungen für die unterschiedlichen

Unternehmensbereiche, um abteilungsbezogene Arbeitsabläufe

effizienter, flexibler und beherrschbarer zu gestalten. Beispiele

solcher Detaillösungen sind Warenwirtschaftssysteme in der

Auftragsabwicklung, CAD/CAE für Design und Entwicklung

oder CAM für die Fertigung.

Seit Mitte der 90er wird angestrebt, diese Einzellösungen mittels

geeigneter Planungs- bzw. Managementlösungen (Produkt-Daten-

Management, Enterprise-Ressource-Planning, Product-Lifecycle-

Management) zu integrieren. Der strategische Ansatz ist dabei,

die Produktentwicklung durch teilweise Parallelisierung der

Entwicklungstätigkeiten (FuE, Prototypenbau, Produktion) zu

verkürzen, qualitativ zu verbessern und änderungstoleranter

zu machen.

Problematisch bei der „klassischen Prozesskette“ ist die mangelnde

Einbindung weiterer Mitarbeiter, z.B. im Vertrieb, im

Marketing oder in der Geschäftsleitung sowie der Kunden bzw.

sonstiger Partner. Dieses Defizit kann dazu führen, dass „am

Markt vorbei entwickelt“ wird oder dass Produktvorteile und der

Anwendernutzen erst zu spät dargestellt werden können. Kunde,

Marketing, Vertrieb und Geschäftsführung realisieren das neue

Produkt erst, wenn erste be„greifbare“ Prototypen vorliegen – am

Ende der Entwicklungsphase. Änderungen in dieser Stelle des

Produktlebenszyklus führen zu erheblichen zeitlichen und monetären

Verlusten. Deshalb hat die Technologiegruppe harting sich

schon frühzeitig entschlossen, eine entsprechende visualisierte

Darstellung über die RJ Industrial-Produktfamilie einzusetzen.

ERWEITERTE VISUELLE KOMMUNIKATION

Die erweiterte visuelle Kommunikation ergänzt die klassische

Prozesskette um die Möglichkeit der Computeranimation. Das

bedeutet die Erzeugung von Industriefilmen auf dem Rechner

mit dem Ziel, Funktionsabläufe innerhalb virtueller Szenarien

photorealistisch darzustellen. Dabei veranschaulichen freie

Kamerabewegungen das Produkt von allen Seiten. Technische

Vorgänge – im Fall des RJ Industrial z.B. die Anschlusstechnik –

werden nach Wunsch in Realzeit, in Zeitlupe oder im Zeitraffer

dargestellt (s. Abbildung 1).

Anwendungsorientierte Funktionsvorgänge „im Inneren“ – wie

die Übertragung von Daten und die Spannungsversorgung –

werden verdeutlicht (s. Abbildung 2).

34

Allgemein verständliche Symboliken verdeutlichen physikalische,

mechanische oder funktionale Produkteigenschaften. Beim RJ

Industrial wurde so z.B. der Schutz vor Umgebungsbedingungen

wie Verschmutzung oder elektromagnetische Störungen

dargestellt.

ABLAUF DER FILMERSTELLUNG

Das Projekt „Animierte Darstellung der Produktvorteile RJ Indus-

trial“ begann mit einem Kick-Off zur Festlegung von Filmaussage,

Animationsverlauf, Kamerafahrten und Festlegung der virtuellen

Szenerie. Die vorliegenden I-deas 3D-Konstruktionsdaten wurden

übernommen und in der virtuellen Szenerie aufbereitet. In engem

Dialog mit harting wurde innerhalb weniger Wochen eine Com-

puteranimation fertig gestellt, welche die erarbeiteten Vorgänge

in verständlicher und interessanter Form dem Fach- und dem

Laienpublikum angemessen präsentiert.

Schon in der frühen Entwicklungsphase konnte damit das

Produkt den Interessenten vorgestellt, die Anwendervorteile

präsentiert und die Akzeptanz getestet werden. Jedes Feedback

während dieser Phase konnte im weiteren Engineering berücksichtigt

werden und vermied so kostspielige Änderungen im

späteren Projektverlauf.

Nach Abschluss dieser Phase wurde das Produkt in der virtuellen

Darstellung weiteren Mitarbeitern, Kunden oder sonstigen

Interessierten nahe gebracht. So verwendete harting den Film z.B.

zur Schulung des Vertriebspersonals. Das Product Management

von harting setzte den animierten Film über den RJ Industrial

erstmals extern während der Hannover Messer Industrie 2002

auf dem Messestand ein. Außerdem erläuterte das Unternehmen

im Rahmen einer Fachpressekonferenz den technologischen

Ansatz der Ethernet-Steckverbinder-Familie. Auch die Vertreter

technischer Publikationen konnten so schnell und präzise infor-

miert werden.

NUTZEN FÜR DEN KUNDEN

Innovative Produkte wie der RJ Industrial entsprechen aufgrund

des rasanten technischen Fortschritts nur innerhalb eines defi-

nierten Zeitfensters den Marktanforderungen. Die Vorbereitung

des Marktes auf kommende Entwicklungen zum frühestmögli-

chen Zeitpunkt verlängert die Verkaufsphase und ist daher ein

entscheidender Wettbewerbsvorteil für ein Unternehmen.

Dem Vertriebspersonal wird außerdem ein exzellentes Instrument

an die Hand gegeben, um während der gesamten Produktlebens-

HARTING tec.News 11-I-2003


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, Auto matisierungstechnik

und Maschinenbau aus einer Hand.

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HARTING tec.News 11-I-2003


tec.

Dr. rer. nat. Achim Brenner

Topthema

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 paral-

lel zur Signalübertragung führt in vielen Fällen zu Wettbewerbsvorteilen für den Steckverbin-

derkunden. 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.

SIMULATION

37


GRENZEN

Durch den Stromfluss kommt es zu einer Erwärmung der Kon-

taktelemente. 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 Kontaktnormal-

kräfte. Darunter leidet die Gasdichtheit der Kontaktstellen und die

Übergangswiderstände nehmen zu. Im Falle der Isoliermateriali-

en kommt es bei erhöhten Temperaturen zu einer Erweichung. Die

Formstabilität des Isolierkörpers ist dann nicht mehr gegeben. Im

Falle der üblicherweise eingesetzten Kunststoffmaterialien wird

von einer oberen Grenztemperatur von 125 °C ausgegangen.

LAUTER WIDERSTÄNDE

Der Bemessungsstrom ist der Strom, den ein Steckverbinder oder

eine Steckvorrichtung gleichzeitig durch alle Kontakte dauernd

(nicht intermittierend) führen kann, ohne dass dabei die obere

Grenztemperatur überschritten wird.

Die Steckverbindertemperaturen werden durch das Gleichgewicht

von Verlustleistung im Steckverbinder und der an die Umwelt ab-

gegebenen Leistung bestimmt. Im Falle von Leistungskontakten

können die dielektrischen Verluste im Vergleich zu den ohmschen

Verlusten im Leitermaterial vernachlässigt werden. Die Verlust-

leistung P V im Steckverbinder ergibt sich in diesem Fall einfach

aus dem Produkt des Stromquadrates I 2 mit dem Gesamtwider-

stand R G. Der Gesamtwiderstand setzt sich aus dem Bulkwider-

stand R B der Kontakte, dem Engewiderstand R E im Kontaktbereich

sowie aus den Übergangswiderständen der Anschlusstechnik R A

(z.B. Löt-, Crimp- oder Schneidklemmtechnik) zusammen.

Die Leistungsbilanz kann durch den Einsatz von hochleitfähi-

gen Legierungen günstig beeinflusst werden. Wichtig ist hierbei

jedoch, dass dabei auch der Temperaturkoeffizient mit beachtet

wird, da die Temperatur der Kontakte bei Maximalstrom im Be-

reich von über 100 °C liegt. Höhere Materialleitfähigkeiten führen

in der Regel auch zu höheren Temperaturkoeffizienten. Empirisch

wurde dabei folgender Zusammenhang gefunden:

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Diagramm 1 zeigt das Verhältnis der Widerstände von Kupfer,

einem Bronze- (CuSn6) , einem Messing- (CuZn39Pb3) und einem

legierten Kupferwerkstoff (CuNi3Si1Mg) zu dem Kupferwider-

stand (20 °C) bei einer Temperatur von 20 °C und 125 °C.

Der Einsatz der Legierungen CuNi3Si1Mg führt gegenüber der

Zinnbronze CuSn6 zu einer Halbierung der Materialwiderstände,

so dass bei gleicher Verlustleistung die Stromstärke um ca. 40%

erhöht wird.

IM VERGLEICH

Diagramm 1: Widerstandsvergleich verschiedener

Kontaktmaterialien (Bezugswiderstand Cu bei 20 °C)

Im Falle der RJ Industrial-Familie wurde mittels eines Finite-

Elemente-Simulationsprogramms untersucht, inwieweit der

Kontaktwiderstand des gestanzten Kontaktes von dem eines

gedrehten Standardkontaktes (Han D®) abweicht.

Die Auswertung des berechneten Spannungsabfalls über den

Kontakten ergab sowohl für den Han D als auch für den neu

entwickelten Leistungskontakt einen Bulkwiderstand von ca.

1 mΩ (siehe Abb. 1).

DAS NADELÖHR

Den zweiten wichtigen Bestandteil des Gesamtwiderstandes R G

stellt der Engewiderstand R E dar. Ursache für den Engewiderstand

ist die Tatsache, dass der Strom im Bereich der Berührungsflä-

chen zweier Kontakte nicht mehr den gesamten Leiterquerschnitt

nutzen kann. Die Kontaktfläche wird dabei von der Kontaktgeo-

metrie, den Materialeigenschaften der Beschichtungsmaterialien

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 F N abgeschätzt werden:

HARTING tec.News 11-I-2003


Die Kontakthärten liegen für übliche Beschichtungsmaterialien

im Bereich von 0,6 … 1 GPa, woraus sich bei Kontaktnormalkräf-

ten im unteren Newtonbereich Kontaktwiderstände um 1 mΩ

ergeben.

Abb. 1: Potenzialverteilung bei einem Strom von 1 A

Im Falle von mehreren Kontaktflächen ergibt sich der Gesamt-

Engewiderstand aus der Parallelschaltung der einzelnen Engewi-

derstände. Unter der Annahme eines linearen Zusammenhanges

zwischen Betätigungs- und Kontaktnormalkraft folgt aus (3), dass

bei gleicher Betätigungskraft die Verwendung von mehreren Kon-

taktflächen gegenüber einer einzelnen Kontaktfläche vorteilhaft

für den Gesamt-Engewiderstand ist. Eine Abschätzung nach Glei-

chung (3) ergab, dass der Engewiderstand für den Stanzkontakt

bei 0,25 mΩ liegen wird.

WOHIN MIT DER WÄRME?

Die im Steckverbinder in Wärme umgesetzte Verlustleistung

muss an die Umgebung abgegeben werden. Dies geschieht über

die Oberfläche des Steckverbinders durch natürliche Konvektion

und Strahlung sowie durch Wärmeleitung über die angeschlosse-

nen Leitungen bzw. Kabel. Die Energieabgabe an den Oberflächen

kann mit dem Abgabeparameter h beschrieben werden. Er gibt

an, wie viel Leistung pro Quadratmeter Oberfläche und Kelvin

Temperaturunterschied zur Umgebung abgegeben wird. Die in

Abb. 2 beispielhaft dargestellte CFD-Simulation des Steckverbin-

der-Gehäuses ergab für freie Konvektion einen mittleren Wärme-

abgabeparameter h von 12,5 W/m 2 K. Der Temperaturunterschied

zur Umgebung betrug dabei 5 K.

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 Umge-

bung 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, wel-

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.

Abb. 2: Berechnung des Wärmeabgabeparameters h

(CFD-Simulation, dargestellt ist der Strömungsverlauf in einer

ausgewählten Ebene)

ZIEL ERREICHT

Die Stromtragfähigkeit wird hauptsächlich von der Wahl der Kon-

taktmaterialien, der Kontaktform, der Anzahl der Kontaktstellen,

der Kontaktnormalkraft, dem Wärmewiderstand des Gehäuses

zur Umgebung und der Eigenschaften der angeschlossenen Kabel

bzw. Leitungen beeinflusst. Durch geeignete Simulationsmodelle

ist man in der Lage, schon in der Designphase die Stromtrag-

fähigkeit zu prüfen.

Dr. rer. nat. Achim Brenner

Intellectual Property Management

Simulation Technique / FEM, HARTING KGaA

achim.brenner@HARTING.com

39


40

HARTING tec.News 11-I-2003


tec.

York Dobrick & Ulrich Wallenhorst

Topthema

Zuverlässigkeitsprüfung des HARTING RJ Industrial®-

Steckverbinders durch das akkreditierte HARTING-Labor

Die Zuverlässigkeit von elektromechanischen Bauelementen

in Hinblick auf ihren Einsatz in rauer Industrieumgebung

bei hohen elektromechanischen, klimatischen und übertragungstechnischen

Belastungen ist von grundlegender

Bedeutung für ein Verkabelungssystem. Veränderungen der

Leistungscharakteristika aufgrund von Betriebs- oder Umgebungsbelastungen

können die Übertragungseigenschaften

und damit die Funktionalität des gesamten Systems negativ

beeinflussen. Die RJ Industrial-Steckverbinderfamilie wird

deshalb im Zuge ihrer Markteinführung einer eingehenden

Konformitätsbeurteilung unterzogen. In umfangreichen Zuverlässigkeitsprüfungen

wird dabei festgestellt, ob die Produkteigenschaften

sowie die Spezifikationen aus aktuellen

Normen wie auch Normenentwürfen erfüllt werden und ob

das Produkt für den industriellen Einsatz in strukturierten

informationstechnischen Systemen geeignet ist.

In internationalen und europäischen Normen werden die Systemkomponenten

(Kabel, Verbindungstechnik) sowie die gesamte installierte

Verkabelung spezifiziert.

Sie definieren den Mindestumfang an Prüfparametern und beschreiben

die erforderlichen Prüfverfahren, Prüfkriterien und

Prüfgeräte, um sicherzustellen, dass korrekt installierte Steckverbinder

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

50173 werden die Leistungsanforderungen an eine informationstechnische

Verkabelung primär für Büroumgebungen

definiert. Neben der Struktur des Verkabelungssystems werden

auch grundsätzliche Produkteigenschaften der Kabel und der

Verbindungstechnik beschrieben.

Aufgrund der Zunahme der Übertragungsgeschwindigkeiten in

lokalen Netzen und der fortschreitenden Installation von Übertragungssystemen

im industriellen Bereich investieren Anwender in

hochwertige symmetrische Netze. Entsprechend dieser Entwicklung

werden in technischen Arbeitskreisen die Anforderungen an

strukturierte informationstechnische Verkabelungen hinsichtlich

der mechanischen und elektrischen Anforderungen sowie der

Übertragungseigenschaften erweitert, an internationale Normen

angepasst und aktualisiert.

LEISTUNGSANFORDERUNGEN

Bereits in der Vorentwicklungsphase der RJ Industrial-Steckver-

binderfamilie wurden Normentwürfe mit ihren Leistungsanfor-

derungen berücksichtigt. Der Typenprüfplan für den RJ Industrial

orientiert sich dabei an den entsprechenden Produktnormen. Für

die Prüfung der Übertragungsparameter des Steckverbinders

werden die schärfsten Grenzwerte der Normenentwürfe zugrundegelegt.

Der Steckverbinder RJ Industrial ist in der Category 5 der Verbindungstechnik

für eine Übertragung bis 100 MHz eingestuft:

PRÜFUNG (GEMÄSS NORM) SPEZIFIKATIONEN

Einfügedämpfung (IEC 60512-25-2) 0,4 dB @ 100 MHz

Reflexionsdämpfung (IEC 60512-25-5) 20 dB @ 100 MHz

Signallaufzeit (IEC 60512-25-4) < 2,5 ns

Signallaufzeit-Skew (IEC 60512-25-4) < 1,25 ns

Nah-Nebensprechdämpfung (IEC 60512-25-1) 43 dB @ 100 MHz

Fern-Nebensprechdämpfung (IEC 60512-25-1) 35,1 dB @ 100 MHz

Transfer Impedanz (IEC 60512-25-5)

STANDARDS

Tabelle 1: Leistungsanforderungen @ 100 MHz des RJ Industrial

ZUVERLÄSSIGKEITSPRÜFUNGEN

Die Konformitätsbeurteilung des RJ Industrial hat der Bereich

Corporate Technology Services (CTS) der harting KGaA übernom-

men. Es ist ein anerkanntes Labor für die Prüfung von elektrome-

chanischen Bauelementen, elektronischen Übertragungssystemen

und ihrer elektromagnetischen Verträglichkeit.

0,1 Ω @ 1 MHz,

0,2 Ω @ 10 MHz,

1,6 Ω @ 80 MHz

Das Labor ist nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert und

unterstützt in der Produktentwicklung sowie bei der Produktqualifizierung.

41


42

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

HARTING tec.News 11-I-2003


Die CTS verfügt über eine entsprechende Ausstattung moderner

Prüf- und Messsysteme. Die Einrichtungen bieten ein höchstes

Maß an Präzision bei der Durchführung der Prüfungen. Mechani-

sche und elektrische Prüfungen gehören ebenso zum Prüfumfang

wie Umweltprüfungen.

Im Rahmen der übertragungstechnischen Überprüfung der

Leistungsdaten werden Eigenschaften wie Reflexions- und

Durchgangsdämpfung, Nebensprechen, Schirmdämpfung,

Transferimpedanz, Wellenwiderstand und Signallaufzeit gemessen

(Abbildung 2, Prüffolge 3).

Neben den Übertragungseigenschaften wird auch die dauerhafte

Zuverlässigkeit des Industrie-Steckverbinders geprüft,

um die Eignung des Produktes für den industriellen Einsatz in

strukturierten informationstechnischen Systemen festzustellen.

Dazu wird das Produkt einer Reihe von mechanischen Umweltbedingungen

unterworfen. Es darf zu keiner Zeit während oder

nach den Prüfungen Anzeichen einer Veränderung hinsichtlich

des zuverlässigen mechanischen Anschlusses, der Sicherheit oder

anderer funktioneller Eigenschaften aufweisen.

Um sicherzustellen, dass die Prüflinge in symmetrischen 100 Ω-

Verkabelungssystemen im installierten Zustand zuverlässig

funktionieren, müssen sie in der Lage sein, in fünf Prüflosen

die Prüffolgen nach Abbildung 2 zu bestehen. In den Prüffolgen

werden jegliche Widerstandsänderungen gemessen, die zu vorgeschriebenen

Zeitpunkten und nach dem Prüfzyklus auftreten.

Die Produktübereinstimmung ist auf der Grundlage der ungünstigsten

Messwerte festzustellen, die an mehreren zufällig

ausgesuchten Mustern ermittelt werden.

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.

Dies trifft auch auf die Klima- und Umweltprüfungen der Prüffolgen

2, 4 und 5 zu. Hierbei wird neben der feuchtheißen Wärmelagerung

mit anschließender oder gleichzeitiger Stromerwärmung

und Spannungsfestigkeits-Messungen auch die Prüfung in stark

korrosiver Industrie-Atmosphäre durchgeführt. Hierbei können

nicht nur die beiden Standard-Industriegase Schwefelwasserstoff

und Schwefeldioxid im ppb-Bereich als Prüfmedium benutzt werden,

sondern daneben auch Chlorgas (Cl2) und Stickoxide (NOX) im Mehrkomponenten-Industriegastest.

Da die verwendete Verbindungstechnik lötfrei ist, müssen darüber

hinaus die Anforderungen der Isolationsdurchdringungstechnik

(hier: HARAX®-Schnellanschlusstechnik) eingehalten

werden.

Für die gesamte Zuverlässigkeitsprüfung wird eine Prüfdauer

von ca. 1,5 Monaten angesetzt. Im Rahmen der Umweltprü-

fungen sind neben einer industriellen Schadgasbelastung mit

H 2S (Schwefelwasserstoff) und SO 2 (Schwefeldioxid) auch eine

21-tägige Auslagerung in feuchter Wärme (40 °C, 93% r.h.)

vorgesehen.

Eine anforderungsgerechte Funktion der Steckverbinder alleine

stellt noch nicht die geforderten Systembedingungen sicher. Die

Leistungsfähigkeit der Verkabelungsstrecke hängt auch von den

Kabeleigenschaften, der Anzahl der Verbindungen, der Sorgfalt

bei der fachgerechten Installation sowie der Wartung des Über-

tragungssystems ab. Unter diesen Aspekten trägt die feldkonfek-

tionierbare RJ Industrial-Steckverbinderfamilie mit der über viele

Jahre bewährten HARAX-Anschlusstechnik maßgeblich dazu bei,

dass der Anwender eine dauerhafte und zuverlässige Ethernet-

Verbindung mit seinen jeweiligen Endgeräten eingeht.

York Dobrick

Laboringenieur für Hochfrequenz und Elektromagnetische

Verträglichkeit, HARTING KGaA

york.dobrick@HARTING.com

Ulrich Wallenhorst

Director of Backplane Solutions Department

HARTING Electronics GmbH & Co. KG

ulrich.wallenhorst@HARTING.com

43


tec.

Industrial Ethernet – als Synonym für innovative Vernetzung

in der Automatisierungstechnik – bringt die Vorteile der aus

der Bürowelt bekannten Funktionalität in die raue Industrieumgebung.

Von herausragender Bedeutung im Fertigungsprozess

ist dabei eine hohe Präzision bei der Herstellung der

notwendigen elektromechanischen Bauelemente.

44

Topthema

Andrew Wenger & Ulrich Wallenhorst

Hochpräzisionsfertigung des

RJ Industrial in Biel/Schweiz –

Anforderungen an die

Fertigungstechnik

HARTING Schweiz

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 Projektmanagement,

flexiblen Produktionsabteilungen und zuverlässigen

Lieferanten wurde die notwendige Produktqualität erzielt.

Für die Technologiegruppe harting bedeutete dies, dass in

einem Zeitraum von zehn Wochen ausgehend von den ersten

Produktideen Werkzeuge im Serienstatus entwickelt wurden

mit dem Ziel, auf der Hannover Messe Industrie 2003 mehrere

Produktvarianten im Serienstatus präsentieren zu können und

verfügbar zu haben.

KOMPONENTENVIELFALT

Für die Produktion der harting RJ Industrial®-Steckverbinder

stand aufgrund der vorhandenen Marktdaten eine entsprechende

Komponenten-Vielfalt im Vordergrund. So sind für die Produkt-

familie insgesamt zwölf komplexe Spritzguss- und zehn Folgever-

bundstanzwerkzeuge erforderlich, die wiederum in ihrem Aufbau,

den technischen Anforderungen und der Materialauswahl sehr

unterschiedlich sind. Die RJ Industrial-Produktfamilie stellt aus

Sicht der Produktion einen Querschnitt der Fertigungstechnologien

aus den Bereichen Industrie-Elektronik und Datenkom-

PRODUKTION

munikation dar. Die nachfolgenden Beispiele geben dabei einen

Einblick in Details.

ISOLIERKÖRPER FÜR LEISTUNGSKONTAKTE

Die an Filmscharnieren befestigten vier Einzelelemente des

Isolierkörpers zur Aufnahme der einzelnen Litzen werden mit

einem mehrfach fallenden Spritzgusswerkzeug hergestellt und

beinhalten eine Vielzahl von Kernen und Schiebern, welche

extrem hohen thermischen und mechanischen Belastungen

ausgesetzt sind.

IP 67-DATEN-GEHÄUSE

Für die hohe Dichtheitsklasse des IP 67-Gehäuses ist ein Spritz-

gusswerkzeug mit komplexen Dichtflächen an vier Schiebern

notwendig. Der durch die designbedingten Materialanhäufungen

verursachte Verzug wurde durch geeignete Maßnahmen im

Werkzeug unterdrückt.

DATEN-KONTAKTE

Isolierkörper für die Leistungskontakte

IP 67-Daten-Gehäuse

Daten-Kontakt

Auch bei den Datenkontakten war höchste Präzision notwendig.

So erforderte die komplexe Geometrie feinste Schnittstempel und

einen Werkzeugaufbau mit verringertem Schnittspalt inklusive

Vor- und Nachschnitt. Dies gewährleistet eine optimale Kontakt-

HARTING tec.News 11-I-2003


fläche der drei unterschiedlichen Kontakte, welche im Verlaufe

des Design-Prozesses aufgrund von drastischen Baubreiten-

Begrenzungen (14 mm anstatt 21 mm Modulbreite) von Grund

auf neu ausgelegt werden mussten.

LEISTUNGSKONTAKTE

Die Leistungskontakte weisen nicht nur komplexe Biegungen

auch im Bereich der Verprägungen auf. Es waren vielmehr auch

mehrfache Verprägungen des Materials auf bis zu 1/3 der ur-

sprünglichen Materialstärke notwendig.

SCHIRMGEHÄUSE

Leistungskontakt

Schirmgehäuse

Trotz der komplexen Geometrie mit diversen Verprägungen,

mehrfachen Biegeoperationen und schwieriger Stanzgitteranbindung

wird die normativ notwendige Schirmdämpfung des

Steckverbinders deutlich erfüllt.

Die Entwicklung und Fertigung der RJ Industrial-Steckverbinderfamilie

zeigt, dass sich die Marktanforderungen, Produktspezifikationen

und die daraus folgenden Fertigungsbedingungen in kürzester

Zeit verbinden ließen. Das Ziel, zeitgerecht, kosten orientiert

und mit hoher Qualität zu fertigen, konnte so erreicht werden.

Andrew Wenger

Manager PRODUCT Development & Engineering

Electronic Connectors, HARTING AG Biel

andrew.wenger@harting.com

Ulrich Wallenhorst

Director of Backplane Solutions Department

HARTING Electronics GmbH & Co. KG

ulrich.wallenhorst@HARTING.com

AUTOMATISIERTE MONTAGE

Zentrale Know-how-Stelle in der harting-Gruppe zu allen

Fragen der Werkzeuggestaltung und -herstellung, sei es für

Spritz- oder Druckgusswerkzeuge genauso wie für Stanz-

oder Verbundwerkzeuge, ist die Tochtergesellschaft harting

Applied Technologies. Schon im Vorfeld der Serienproduktion

sind die Spezialisten von Applied Technologies kompetente

und daher begehrte Ansprechpartner. Hochgenaues Schlei-

fen oder Mehrachsen-Fräsen, funkenerosives Senken oder

Schneiden mit Draht sind ebenso tägliche Vokabeln wie Ober-

flächenrauigkeiten, Werkstoffhärten oder Schwindungsma-

ße.

Doch neben diesem Kompetenzfeld wartet Applied Technolo-

gies mit weiteren mindestens ebenso wichtigen Fähigkeiten

auf. Die Produktion von Einzelteilen aus Metall oder Kunst-

stoffen mit kostenoptimalen und qualitativ höchstwertigen

Werkzeugen ist die eine Sache – die Herstellung von kom-

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

wie von intelligenter CNC- und SPS-Steuerungstechnik

verstehen. Programmiersprachen sind hier keine Fremdsprachen.

Selbstverständlich ist es bei der Auslegung von

Montageeinrichtungen von Vorteil, wenn man im Vorfeld

bei der Teilegestaltung und Werkzeugauslegung bereits

eingeschaltet war.

In modernen Montagelinien sind heute die Inline-Prozesskontrolle

mit Sensoren oder Kameras ebenso selbstverständlich

wie die Laserkennzeichnung, um zum Beispiel die Rückverfolgbarkeit

sicherzustellen. Und natürlich ist die Erfüllung

der Leistungsmerkmale bis hin zur Hochspannungsfestigkeit

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

heinz-wilhelm.meier@HARTING.com

45


tec.

Volker Sorhage

Topthema

ANSCHLUSS

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

ein fache 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 Kommunikations-

steckverbinder in vielen Anwendungen vor Ort konfektionierbar

sein. harting setzt deswegen konsequent auf die Schnellan-

schlusstechnik, die sich in vielen Industrieapplikationen bewährt

hat und mit der der Anwender den Steckverbinder ohne Spezial-

werkzeug 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

und dem Know-how des klassischen industriellen Steckverbinder-

baus notwendig. Durch Bündelung dieser beiden Kernkompeten-

zen der Technologiegruppe harting konnte das Unternehmen im

Bereich der industriellen Ethernet-Verkabelung einen entspre-

chenden Standard setzen.

Für Standard Office RJ 45-Steckverbinder mit Piercing-Techno-

logie (siehe Abb. 1) können lediglich flexible Adern bis maximal

AWG 24 genutzt werden. Damit lässt sich nur eine nicht-gasdichte

Verbindung herstellen.

harting verwendet dagegen konsequent die HARAX®-Schnell-

anschlusstechnik (siehe Abb. 2). Diese kommt ohne Abisolierung

der Adern und ohne Spezialwerkzeug (siehe Abb. 3) aus und

erzeugt einen gasdichten und vibrationssicheren Kontakt.

Die Handhabung dieser Steckverbinder ist nicht nur einfacher,

sondern aufgrund reduzierter Einzelteile auch rationeller. Der

Anwender kann eine HARAX-Verbindung in wenigen Sekunden

perfekt herstellen und ebenso schnell wieder lösen. Dabei lassen

sich alle Komponenten bis zu zehn Mal wieder verwenden. Für

die Datenkontakte können sowohl massive Adern mit Leiterquer-

schnitten von AWG 22 bis AWG 23 als auch flexible Adern mit

Leiterquerschnitten von AWG 22 bis AWG 24 verarbeitet werden.

Für die Stromkontakte, die bis zu 16 A belastbar sind, kann der

Anwender flexible Adern mit einem Querschnitt von 1,5 mm 2

nutzen.

48

Abb. 1: Schliffbild eines herkömmlichen

Isolationsdurchdringungsanschlusses in

Piercing-Technologie

DIE HARTING RJ INDUSTRIAL-ETHERNET-STECKVERBINDER-

FAMILIE

Die modular aufgebaute harting RJ Industrial-Steckverbinder-

familie basiert auf dem Standard RJ 45-Steckgesicht und wurde

speziell für den Einsatz im rauen Industrieumfeld entwickelt.

Sie weist neue Wege in der Verkabelung von industrietauglichen

Ethernet-Komponenten auf. Mit dem durchgängigen Schnellan-

schlusskonzept der Steckverbinder, selbst bei hybriden Verka-

belungsstrukturen, werden dezentrale Ethernet-Komponenten

sicher in ein Netzwerk eingebunden. Der harting RJ Industrial

ist der weltweit einzige RJ-Steckverbinder, an dem robuste Ether-

net-Kabel mit einem Querschnitt von AWG 22 in massiver und

flexibler Ausführung mit IDC-Technologie angeschlossen werden

können.

Abb. 3: Foto eines AWG 24-Litzenleiters

nach dem Einschneidevorgang durch die

HARAX-Schneidklemme

Das Kernstück eines jeden Steckverbinders ist das RJ 45-Daten-

modul mit Schnellanschlusstechnik. Das Datenmodul verfügt

über 4 HARAX-Schnellanschlusskontakte, die flexible industrie-

taugliche Category 5e-Kabel mit einer Abmessung AWG 22 bis 24

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.

Um dieses innovative Datenmodul herum hat harting eine kom-

plette Steckverbinderfamilie entwickelt, die alle Anforderungen

der Kunden im industriellen Umfeld abdeckt. Es sind Lösungen

HARTING tec.News 11-I-2003

Abb. 2: Schliffbild einer HARAX-

Schneidklemm-Verbindung.

Der saubere Schnitt durch die

Isolation und die gute Kontaktgabe

mit dem massiven Leiter

(AWG 23) sind ersichtlich.


für die Schutzarten IP 20 und IP 67, Standard-, Push Pull- und

Rastbügelverriegelungen verfügbar. Als Leitungen können Daten-

und Hybridleitungen genutzt werden.

Auf der Geräteseite sind Wanddurchführungen oder direkt in

die Geräte integrierte Kupplungen möglich. Die konsequente

Verwendung von SMD-Komponenten für Daten und Energie auf

der Geräteseite ermöglicht geringe Herstellungskosten und eine

hohe Packungsdichte auf der Baugruppe.

RJ INDUSTRIAL IP 20-DATEN

Die IP 20-Datenvariante des RJ Industrial ist der weltweit kleinste

und einzige Ethernet-Steckverbinder, an den AWG 22-Leitungen

mit IDC-Technologie angeschlossen werden können (siehe Abb. 4).

Der Steckverbinder ist mit einem Standard-Rastermaß von nur

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. 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

harting Han® 3A-Steckverbinders und hoher Schutzart (IP 6x)

(siehe Abb. 5). Damit bietet harting eine Lösung für RJ 45-

basierte Steckverbinder, die in allen industriellen Anwendungen

nutzbar ist. Die Kupplungsseite dieses Steckverbinders ist zu

100 Prozent kompatibel zu Standard RJ 45-Steckverbindern und

erlaubt somit für Service- und Testzwecke eine Verwendung von

Standard-Patch-Kabeln. Für das Gehäuse kann die komplette

Familie der harting Han 3A-Gehäuse verwendet werden, wodurch

Lösungen in Kunststoff, Metall, gewinkelt, gerade und mit Schutz-

arten IP 65, IP 67 und IP 68 zur Verfügung stehen.

Durch die konsequente Umsetzung eines einheitlichen Steckgesichts

aller auf der 3A-Kontur basierten Steckverbinder für

Daten- und Hybridlösungen sind alle Versionen für die Datensignale

steckkompatibel. Eine optionale Kodierung verhindert

ein Vertauschen mit der Hybridversion.

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. 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

verrastet sicher über eine umlaufende Verriegelungshülse mit

der Kupplung. Der Steckverbinder läßt sich mit nur einer Hand

und geringer Kraft ver- und entriegeln. Das Gehäuse ist trotz der

hohen Schutzart sehr kompakt und es benötigt bei einem Ein-

baumaß von 27 x 21 mm in der Wanddurchführung den gleichen

Platz wie eine M12-Buchse. Damit ist der RJ Industrial Push Pull

der weltweit kleinste Industrial Ethernet-Steckverbinder basie-

rend auf RJ 45 mit IDC-Anschlusstechnik.

Auch in der Push Pull-Version ist die Kupplungsseite zu 100 Pro-

zent kompatibel zu Standard RJ 45-Steckverbindern, wodurch

auch hier Standard-Patch-Kabel für Service- und Testzwecke

genutzt werden können.

RJ INDUSTRIAL IP 67 HYBRID

Im Gegensatz zum Büro benötigen dezentrale Peripheriegeräte

in einer IP 67-Umgebung für die Stromversorgung der 24 V-

Aktorik eine hybride Verkabelung, d.h. neben der Verbindung

der Signalleitungen ist auch die Spannungsübertragung zu

gewährleisten.

Mit dem RJ Industrial-Hybridsteckverbinder hat harting eine

Schnittstellenlösung entwickelt, die für hybride Ethernet-Netz-

werke Datenleitungen und Stromversorgung in einem Kabel

vereint, wobei die Lösung gleichzeitig steckbar ist (siehe Abb.

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.

50

Abb. 7: IP 67-Hybridmodul. Die Kombination von

Daten- und Leistungskontakten in einem Gehäuse

Der Datenanschluss erfolgt über das RJ 45-Datenmodul mit IDC-

Schnellanschlusstechnik. Die bis 16 A belastbaren 4 Kontakte

des Hybridmoduls sind ebenfalls in Schnellanschlusstechnik

ausgeführt und erlauben den Anschluss von flexiblen Leitern bis

zu einem Durchmesser von 1,5 mm 2 . Alle Kontakte können bis zu

zehn Mal wiederverwendet werden. harting hat die Einbaulänge

des Industriestandardgehäuses Han 3A in seiner hybriden IP 67-

Variante um 30 Prozent reduziert und damit die Hand habung

und Verwendbarkeit in kompakten Industrieapplikationen deut-

lich verbessert.

FAZIT

Für eine übergreifende Netzwerkfähigkeit spielt Kompatibilität

eine herausragende Rolle. Erst wenn der ungehinderte Datenaustausch

sichergestellt ist, funktionieren Kommunikationsaktivitäten

reibungslos. Ist eine durchgängige Kommunikation

gefragt, so darf diese nicht an der Schnittstelle „Steckverbinder“

scheitern. Der heutige RJ 45 ist zweifellos der Standard für

die Kommunikation, es geht damit an ihm kein Weg vorbei.

Die harting RJ Industrial-Familie ist ein gelungenes Beispiel

dafür, dass De- Facto-Standards (wie der RJ 45) aus bestehenden

Systemen (nämlich der Bürowelt) auf der einen Seite und Markt-

anforderungen mit den entsprechenden Rahmenbedingungen

(aus der industriellen Feldebene) durch Nutzung entsprechenden

Know-hows und Erfahrungen der Technologiegruppe harting zu

einer anwendungsorientierten Lösung verschmolzen wurden.

Volker Sorhage

Product Manager RJ Industrial & InduCom

HARTING Electronics GmbH & Co. KG

volker.sorhage@HARTING.com

HARTING tec.News 11-I-2003


FELDKONFEKTIONIERUNG VON INDUSTRIAL ETHERNET-

STECKVERBINDERN

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-

Hybridversion in weniger als zwei Minuten vor Ort durchführen.

Aber auch ungeübte Kräfte können alle einzelnen Arbeitsschritte

innerhalb kürzester Zeit erlernen und zuverlässig realisieren.

Unterschiedliche Spezialwerkzeuge für die Verarbeitung des

RJ 45-Datenmoduls und der Power-Leitungen sind nicht notwendig.

harting liefert alle Komponenten in einem übersichtlichen Set.

Es sind nur wenige Schritte nötig, um ein industrielles Ethernet-

Kabel an einen harting RJ Industrial-Steckverbinder mit IDC-An-

schlusstechnik schnell und zuverlässig anzuschließen.

1

2

3

4

Gehäuse und Verschraubung über

den Kabelmantel schieben

Kabelmantel und Schirmgeflecht

auf die korrekte Länge abisolieren

Adern ausformen und in das

mit dem Farb-Code versehene

Spleißelement einführen

Spleißelement auf das RJ 45-Datenmodul

aufsetzen und einrasten

5a

5b

5c

6

7

8

9

Datenmodul und Spleißelement mit

Hilfe des IDC-Montagewerkzeuges

zusammenpressen und damit

die Schneidklemm-Verbindung

herstellen

Oberes Schirmblech aufsetzen und

über den Kabelschirm drücken

Unteres Schirmblech aufsetzen und

mit dem oberen Schirmblech mit

einem hörbaren „Klick“ verrasten

Gehäuse über das montierte Datenmodul

schieben und mit einem

hörbaren „Klick“ verrasten

Kabelverschraubung festziehen

Ein weiterer Vorteil der Schnellanschlusstechnik zeigt sich auch

in der industrietauglichen Schirmung des Datenmoduls im Steck-

verbinder, wodurch eine bisher übliche Crimpung des Schirmes

überflüssig ist. Bei der HARAX-Schnellanschlusstechnik werden

einfach zwei Schirmbleche über das Datenmodul gesteckt und

mit einem hörbaren Klick zusammengedrückt. Schon ist eine

komplette 360-Grad-Schirmanbindung des Mantels erreicht.

51


tec.

Topthema

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 Ver-

bindungstechnik oder in der Übertragung von Daten unter

härtesten Bedingungen auch ein ausgewiesenes Know-how

in der Mikrofertigung, Mikromechanik und Mikrokontak-

tierung.

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

exemplarisch darstellt, ist die Verbindung unterschiedlichster

Technologien der Unternehmens-Gruppe im Micro Packaging.

Micro Packaging kommt in der Mikrosystemtechnik eine beson-

dere Bedeutung zu, da hier eine hohe Wertschöpfung entsteht

(der Kostenanteil am Produkt beträgt heute bis über 50%) und

spezifisches Know-how und Systemwissen kostensenkend

eingesetzt werden können. Industrialisierbare technische oder

gar standardisierte Lösungen sind jedoch gerade in diesem Feld

wenig ausgeprägt. harting eröffnet Anwendern in diesem Umfeld

anforderungsorientierte und kostenoptimierte Lösungen.

ZUKUNFTSMARKT MIKROSYSTEMTECHNIK

Mikrosystemtechnik wird von unterschiedlichen Studien als einer

der zukünftigen Wachstumsmärkte mit höchsten Zuwachsraten

angesehen. Bereits heute gehören viele Mikrosysteme zum täglichen

Leben, ohne dass die Anwender der Produkte dies bemerken.

So sind heute in modernen Automobilen über 30 Mikrosysteme

im Einsatz. Aber auch in den Bereichen Medizintechnik, Kommunikationstechnologie

und Sensortechnik z.B. für die Industrieautomatisierung

werden in zunehmenden Maße Mikrosysteme

eingesetzt.

Gründe für die Miniaturisierung sind die Steigerung der Funktionalität

je Raumeinheit, die Erhöhung der Sicherheit und der

Leistung und natürlich Kostensenkungsaspekte.

PACKAGING-ANSÄTZE VON HARTING

Um die Mikrosysteme an die Makrowelt zu kontaktieren, sind die

Interconnection- und Packaging-Lösungen eine Schlüsseltechnolo-

gie der Mikrosystemtechnik. harting hat verschiedene Packaging-

Lösungen 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 Tech-

nologien sind bei harting in hoher Fertigungstiefe vorhanden.

54

Abb. 1: Micro Packaging als Weiterentwicklung der Verbindungstechnik

zu Mikrosystemen und Halbleiter-Anbindung

Die erste Technologie, die auf einem Gehäuse mit integrierter

FlexPCB, d.h. einer flexiblen Leiterplatte basiert, besitzt Vorteile

in den Bereichen der hohen Packungsdichte und der guten

Hochfrequenzleistung. Deshalb wird diese Technologie zurzeit

bei harting im Bereich der elektro-optischen Wandler für die

Datenübertragung hoher Bandbreiten eingesetzt (Abb. 2).

Der zweite Ansatz basiert auf MicroMID (MID = Moulded

Interconnect Device), d.h. einen dreidimensionalen spritzgegos-

senen Schaltungsträger, der vor allem Vorteile im Bereich der

Funktionalitätserhöhung hat. Durch die vorhandenen Freiheits-

grade des Spritzgusses ergeben sich vielfältige Möglichkeiten,

zusätzliche Funktionen direkt in das MID zu integrieren. Dies

kann bis zu dem Punkt führen, dass die Außenseite des MID

die Gehäuseschale bildet. Damit ist ebenfalls eine Verringerung

des Montageaufwandes gegenüber Packaging-Konzepten von

herkömmlichen Leiterplatten verbunden (Abb. 3). Sowohl bei 2-

Komponenten-MIDs als auch bei laserstrukturierten MIDs besitzt

harting die vollständige Fertigungstiefe im eigenen Haus, wobei

Abb. 2: Ankontaktierung mit Flex PCB

Abb. 2: Ankontaktierung mit Flex PCB

HARTING tec.News 11-I-2003


GEHÄUSE MIT INTEGRIERTER FLEXPCB MICROMIDTM UMSPRITZTER KONTAKT

Abbildung 2 Abbildung 3 Abbildung 4

Hohe Packungsdichte Mittlere Packungsdichte Geringe Packungsdichte

Montage von FlexPCB und Gehäuse

Kein Montageaufwand zwischen Leiterplatte

und Gehäuse

Covering als Umgebungsschutz

Leiterbahnbreite > 50 µm Leiterbahnbreite > 50 µm Leiterbahnbreite > 200 µm

Justieraufbauten nur mit zusätzlichem

Montageaufwand

Justieraufbauten leicht zu integrieren

Justieraufbauten nur mit zusätzlichem

Montageaufwand

Integration weiterer Funktionen nur mit Integration weiterer Funktionen (Spiegel, Integration weiterer Funktionen nur mit

erhöhtem Montageaufwand

Fasern, Kanäle) möglich

erhöhtem Montageaufwand

Zweidimensionaler Aufbau Dreidimensionaler Aufbau Zweidimensionaler Aufbau

Mehrlagiger Aufbau Einlagiger Aufbau mit Shielding Einlagiger Aufbau

Tab. 1: Micro Packaging-Lösungen bei HARTING

die eigentliche Laserstrukturierung mit einem Kompetenz-Partner

bearbeitet wird.

Die dritte Technologie basiert auf umspritzten Kontakten (Abb.

4). Diese Vorgehensweise, die ihren Einsatz im Bereich geringer

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 zusam-

mengefasst dargestellt.

Je nach Kundenanforderungen wird die entsprechende Techno-

logie ausgewählt und angepasst, um den Kundennutzen zu

maximieren. Je nach Kundenanforderungen stehen je nach

Projekt Miniaturisierung, Reduktion des Montageaufwandes,

Erhöhung der Funktionalität, Kostenreduktion oder Erhöhung

der Funktionssicherheit im Vordergrund.

Abb. 3: MicroMID

Der große Vorteil, den harting durch die verschiedenen Techno-

logien bietet, ist die auf die spezifischen Wünsche angepasste

Packaging-Lösung, die adäquat entwickelt und mit großer Ferti-

gungstiefe produziert werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

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. 4: Umspritzter Kontakt

Dr. Christian Ernst

Manager Polymer Technologies

HARTING Electro Optics GmbH & Co. KG

christian.ernst@HARTING.com

55


tec.

56

Topthema

TECHNOLOGIE

Dr. Jens Krause

Der parecon®

unter voller Belastung -

10 GigaBit pro Sekunde

Die Datenraten in der digitalen Kommunikationstechnik stei-

gen unvermindert an. Inzwischen ist die serielle Übertragung

von 10 GigaBit pro Sekunde ein aktuelles Thema.

Wie schon in der Vergangenheit bestimmt oftmals die Verfüg-

barkeit entsprechender Halbleiter-Komponenten das Fortschritts-

tempo. 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 lie-

fern, 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 elektro-

optischen 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.

HARTING tec.News 11-I-2003


Die Idee bei der Realisierung der elektrischen Steckung ist, die

hochfrequenten Signale auch innerhalb des Steckverbinders in

einer definierten Wellenleiterstruktur verlustarm zu führen.

Diese Eigenschaft der aktuellen elektrischen Steckverbinderent-

wicklung von harting stößt am Markt auf breites Interesse. Es ist

schon jetzt absehbar, dass die Applikation nicht auf die eigenen

elektro-optischen Systeme beschränkt bleiben wird.

So ist harting beim XFP MultiSourceAgreement für „10 GigaBit/s

serielle elektro-optische Transceiver“ inzwischen als Projektpart-

ner für die Ankontaktierung der Transceiver-Module nominiert.

Auf dem Weg dorthin musste die harting-Lösung, die inzwischen

den Namen parecon trägt, ihre überlegene Performance gegen-

über Entwicklungen von etablierten Wettbewerbern beweisen.

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

Abb. 1: parecon®

Die herausfordernden Entwicklungsziele für den parecon-Steck-

verbinder 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. 2: Testboard

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.

DER IMPEDANZVERLAUF

Ein Steckverbinder ist in diesem Fall als ein Wellenleiter zu

betrachten. Wichtiges Merkmal ist der Wellenwiderstand des

Signalpfades. Eine der differenziellen Impedanz des Signals

nicht optimal angepasste Wellenleiterstruktur führt zu Signalverlusten.

Um die optimale Geometrie für die Wellenleiterstruktur zu

ermitteln, wurden im Vorfeld Simulationen durchgeführt, die

jetzt durch TDR- (Time Domain Reflectometry) Messungen an

parecon-Steckverbindern bestätigt wurden. Die Vorhersage, die

Zielimpedanz von 100 Ω mit ± 10 Ω einzuhalten, wurde über-

troffen. Die Messungen zeigen einen Impedanzverlauf mit ± 5 Ω.

Das bedeutet, dass innerhalb des Steckverbinders eine optima-

le Signalführung gewährleistet ist und Signale weitestgehend

unverzerrt und verlustfrei passieren können.

DAS AUGENDIAGRAMM

Abb. 3: Der Impedanzverlauf

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 Empfänger

ankommt. Man sagt, das Auge ist geöffnet.

57


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

geringe Durchlassdämpfung im Bereich bis zu 10 GHz zeigen

die Tauglichkeit des parecon-Steckverbinders für 10 GigaBit/s-

Anwendungen.

ÜBERSPRECHEN

58

Abb. 4: Augendiagramm

Abb. 5: Die s-Parameter

Das Übersprechen, englisch Cross-Talk, ist das Maß, inwieweit

sich Signalverläufe innerhalb eines Mehrfachsteckverbinders

gegenseitig beeinflussen und damit stören können. Als Crosstalk

eines Signals wird das auf einer anderen Leitung empfangene

Störsignal bezeichnet. Gemessen wird der Crosstalk als Verhält-

nis zwischen Störsignal und Ursprungssignal in dB. Ziel ist es,

den Crosstalk möglichst gering zu halten.

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 stei-

gender 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 Verviel-

fachung der Signaldichte. Entsprechende Konzepte werden zur

Zeit diskutiert.

Abb. 6 + 7: Übersprechen

Die prinzipielle Eignung der Stecktechnologie für noch höhere

Frequenzen wird erprobt, um die Zukunftsfähigkeit der Steck-

verbinderfamilie zu gewährleisten. Erste Messungen bis 40 GHz

zeigen ein prinzipielles Potenzial, mit veränderten Materialien

auch die nächste Entwicklungsstufe bis 40 GigaBit/s vollziehen

zu können.

Dr. Jens Krause

Head of Development

HARTING Electro Optics GmbH & Co. KG

jens.krause@HARTING.com

HARTING tec.News 11-I-2003


tec.

Topthema

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

HARTING@mail.wplus.net

PRAXIS

59


tec.

60

Topthema

Han® 3A-Standardschnittstelle

Integriert in Metall- oder Kunststoffgehäuse der Serie Han 3A bietet harting ein

umfangreiches Sortiment industrietauglicher Steckverbindereinsätze zur Daten-

kommunikation an.

PRAXIS

Thomas Wolting & Jürgen Bösch

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 Kom-

bination 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.

HARTING tec.News 11-I-2003


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 USB-

Schnittstelle macht auch vor den Fertigungsprozessen in der

Industrie nicht halt. Die aus der Computeranwendung gene-

rierten 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 unter-

schiedlichen 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 Inte-

gration in die bewährte Han 3A-Gehäusebaureihe ist ein weiterer Schritt, ein bewährtes Konzept für die industrielle Kommunikations-

technik 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

HARTING Electric GmbH & Co. KG

thomas.wolting@HARTING.com

Jürgen Bösch

Produktmanager

HARTING Electric GmbH & Co. KG

juergen.boesch@HARTING.com

61


62

HARTING tec.News 11-I-2003


tec.

Topthema

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-

MANAGEMENT, ELEKTRONIKSYSTEME und NETZWERKTECH-

NOLOGIEN werden neue Produktzweige erschlossen und neue

Ideen verwirklicht (Abbildung 1).

METALLBEARBEITUNG

Der Technologiebereich Metallbearbeitung setzt sich aus einzel-

nen Kompetenzen zusammen, die sich in der Vergangenheit auf

Grund der Entwicklung von Zigarettenautomaten ergeben haben.

Die einzelnen Fähigkeiten sind insbesondere in Hinsicht auf die

technologische Entwicklung in den letzten Jahren permanent auf

modernsten elektronischen und mechanischen Stand gebracht

worden.

harting verwendet in seiner Produktionsstätte modernste CNC-

Stanzsysteme mit rotierenden Stanzköpfen, automatischem

Werkzeugwechsel sowie automatischer Teileentsorgung. Die

Palletierung und die Möglichkeit zur automatischen Blechtafelzuführung

aus dem integriertem Blechlager erlauben die rasche

und präzise Erstellung von Blechteilen beliebiger Geometrie zur

Ausbildung von Gehäuseteilen, Türen, Sicherheitsschränken und

Einschüben, welche im Industrie- aber auch im Dienstleistungsbereich

eingesetzt werden können.

64

Sheet Metal

l CNC punching

l Bending

technology

l Welding

technology

l Surface

techniques

Systems Solutions

Electronic Shop and Service Systems

Money

management

l Coin In and Out

l Notes In and Out

l Payment card

l Customised cards

l Data report and

data transfer

Das Biegezentrum, das mit CNC-gesteuerten Gesenkbiegepressen

mit bis zu fünf frei programmierbaren Vollachsen ausgerüstet

ist, erlaubt die selbständige Errechnung der Prozessdaten durch

Eingabe der Teilegeometrie, Materialzugfestigkeit und Materialdicke.

Damit besitzt harting im vollständig computergestützten,

automatisierten Biegezentrum die Möglichkeit zur Herstellung

finaler Geometrien für Metallgehäuse aller Art.

Auch die vorhandenen Schweißtechnologien umfassen ein breites

Portfolio:

· Roboterschweißen

· Widerstandspressschweißen

· Bolzenschweißen

· Bolzenschweißmaschine

· Schutzgasschweißen

Mit der vollautomatischen Lackierstraße für pulverbeschichtete

Metallteile beliebiger Geometrie wird auch hier auf modernste

Bearbeitungstechnologien Wert gelegt. Sie erlaubt einen raschen

Farbwechsel innerhalb kürzester Zeit und im selben Fertigungs-

los. Dabei geschieht die komplette Steuerung mittels einer rech-

nergeführten Anlagensteuerung.

Electronic

systems

l PCB-design

l Schematic design

l Software design

l Micro controller

l PC based control

units

Abb. 1: Kompetenzmodell von HARTING Vending

Networking

HARTING tec.News 11-I-2003

l GSM/GPRS/

UMTS technologies

l DECT technologies

l Bluetooth


GELDMANAGEMENT

Sämtliche zur Geldverarbeitung notwendigen Technologien

sind vorhanden. Dazu gehören insbesondere Münzprüfer, Münz-

wechsler, Geldkartenleser und auch Banknotenleser, die als

Komponenten innerhalb der Automaten sowohl in elektronischer

als auch mechanischer Hinsicht integriert werden. harting besitzt

in diesem Zusammenhang eine über dreißig Jahre reichende

Erfahrung in allen die Sicherheit, die Funktionsstabilität und die

elektronische Integration betreffenden Aspekte.

ELEKTRONISCHE SYSTEME UND SOFTWAREENTWICKLUNG

Auch Elektronische Systeme und Softwareentwicklung sind

Kernkompetenzen von harting. Der Verkaufsvorgang und die

Datenerfassung erfolgt bei modernen elektronischen Automaten

gesteuert über Mikrocontroller. Die Erstellung der hierzu

nötigen Programme geschah in der Vergangenheit vorwiegend

in Assembler für den 80C51/52. In der Zwischenzeit wird die

immer komplexer werdende Funktionalität (EVA-DTS Protokoll,

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 Software-

Update zu versehen.

Innerhalb des Technologiebereiches Electronic System-Develop-

ment verwendet harting modernste elektronische Entwicklungs-

systeme zur sicheren Handhabung und kompletten Abbildung

aller elektronischen Einzelheiten für die Erstellung von elektro -

nischen Steuerungen und bestückten Leiterkarten. Die mechani-

sche Konstruktion von Automaten und zugehörigen Komponenten

erfolgt auf einem parametrischen 3D-CAD-System. Schwerpunkt

ist dabei die Modellierung von Blech- und Kunststoffspritzguss-

teilen, 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 Werk-

zeugbauer 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-

gien wie der GSM-Mobilfunktechnologie in Warenverkaufsauto-

maten hin gearbeitet. Auch DECT- und Bluetooth-Technologien

werden in aktuelle und zukünftige Projekte integriert.

All diese Kompetenzen gilt es sinnvoll und effektiv einzusetzen.

Um das zu garantieren, werden Produkte und Projekte ständig

den aktuellen Gegebenheiten am Markt angepasst.

Ein Beispiel hierfür ist die Einführung des Pfandes auf bestimmte

Einweggebinde.

RÜCKNAHMESYSTEME VON HARTING

Die jahrelange Erfahrung mit dem Lebensmitteleinzelhandel

und den entsprechenden Bedürfnissen der Verkaufsstellen haben

gezeigt, dass harting mit seinen Kompetenzen eine entsprechende

Lösung für Rücknahmesysteme entwickeln kann. Zusammen mit

starken Kooperationspartnern wie der Giesecke & Devrient GmbH

wurde ein gemeinsames Pfand-System konzipiert.

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

Ein weiteres Beispiel für die Vielseitigkeit der Produktpalette ist

die Geräteserie „LOAD & CALL“ – ein Verkaufssystem für virtuelle

Produkte. Mit dieser Neuentwicklung können zum Beispiel

Prepaid-Handys aufgeladen oder Tickets für Fußballspiele oder

sonstige Veranstaltungen unabhängig von Ladenschlusszeiten im

Innenbereich und im geschütztem Außenbereich verkauft werden.

Alleine in Deutschland gibt es derzeit ca. 51 Millionen Mobiltelefone,

von denen rund 70% mit einer Prepaid-Karte ausgestattet sind.

Erst nach dem Aufladen dieser Geräte mit einem Guthaben kann

telefoniert werden. Bis heute erfolgt die Aufladung durch den

Kauf einer Guthabenkarte, dem Freirubbeln eines Pincodes und

der Übermittlung dieses Pincodes mittels Handy an den Provider.

Der Provider bucht dann auf das Konto des Prepaid-Handys das

Guthaben zu, und es kann telefoniert werden. Von diesen Karten

werden jährlich bis zu 350 Millionen Stück über Tankstellen,

Supermärkte und Fachgeschäfte vertrieben.

Zukünftig kann die Aufladung der Prepaid-Kartengeräte mittels

load&call unabhängig von Öffnungszeiten erfolgen. Der Kunde

wählt den gewünschten Provider sowie den Betrag der Aufladung

über die Tastatur und zahlt per Geldschein, Münzen oder Geldkarte.

Bei der Aufladung hat der Kunde folgende Möglichkeiten,

welche durch Klartext im Display beschrieben werden:

66

Abb. 3: Hängendes load&call-System

1. Der Kunde entnimmt den Bon mit dem Pincode aus der Entnahme.

Dieser Pincode wird wie bei den schon handelsüblichen

Guthabenkarten über das Handy an den Provider übermittelt,

der dann das Guthaben in wenigen Minuten zubucht.

2. Statt der Eingabe des Pincodes wird bei dieser Variante nur

noch die Rufnummer des betreffenden Mobiltelefons über die

Tastatur von load&call eingegeben und aus Sicherheitsgründen

ein weiteres Mal bestätigt. Anschließend bucht der Provider

das Guthaben in wenigen Minuten zu.

Auf Basis der Plattformstrategie wurde das Geldmanagement,

die Steuerung, die Funkübertragung, das Display, die Tastatur

und der Drucker von den vorhandenen Verkaufsautomaten für

Zigaretten übernommen.

Im Bereich des Geldmanagements kommen Münzwechsler zum

Prüfen der Münzen und zur Auszahlung von Retourgeld zum

Einsatz. Des Weiteren sind alle Geräte mit einem Banknotenakzeptor

inkl. Stacker ausgerüstet, welche die Geldscheine

neben dem Prüfen auch stapeln. Als Option kann load&call mit

einer Kartenleseeinheit zum Zahlen mit Geldkarte ausgestattet

HARTING tec.News 11-I-2003


werden. Die Umstellung der Geldmanagement-Systeme auf an-

dere 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 Software-

Upgrades 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

jens.kahle@HARTING.com

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-

land der Anblick von Brücken-Mautsystemen zur Tagesord-

nung gehören. Diese LKW-Mautsysteme werden mit einem

Erkennungssystem von VITRONIC, einem Spezialisten für

industrielle Bildverarbeitung, ausgestattet. Partner in der

Verbindungstechnik und Vernetzung ist dabei die Techno-

logiegruppe harting.

68

Abb. 1: VITRONIC TollChecker

Abb. 2: Systemverkabelung

VITRONIC identifiziert und klassifiziert mit dem so genannten

TollChecker, einer automatischen Kontrolleinrichtung zur streckenbezogenen

LKW-Maut, Lastkraftwagen größer 12 Tonnen im fließenden

Verkehr (s. Abbildung 1). Anhand der Achsenanzahl und

Fahrzeuggeometrie wird überprüft, ob ein Fahrzeug mautpflichtig

ist. Das System erkennt Nicht- oder Falschzahler und liefert

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.

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

Buchungsdaten der Zentrale verglichen. Falls ein Verdacht auf

Falschzahlung besteht, wird ein Beweismitteldatensatz erstellt.

HARTING tec.News 11-I-2003


tec.

ANFORDERUNGEN AN DIE VERBINDUNGSTECHNIK

Topthema

Sowohl die Umgebungsbedingungen für industrielle Bildverarbei-

tung als auch für Industriesteckverbinder erfordern einen optima-

len 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 Kabelsys-

temen 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 Zen-

tralstelle betrieben werden, kommt der Verbindungstechnik eine

entsprechende Bedeutung zu.

Die Zusammenarbeit und die Nutzung der jeweiligen Kernkom-

petenzen 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

PRAXIS

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HARTING tec.News 11-I-2003


tec.

Topthema

HARTING Messepräsenz 2003

MESSE

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: be@HARTING.com

Brasilien

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Av. Dr. Lino de Moraes , Pq. Jabaquara

CEP 04360-001 - São Paulo - SP - Brazil

Tel. +5511/5034-0073, Fax +5511/5034-4743

E-Mail: br@HARTING.com

China

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Room 2302 Hong Kong Plaza South Tower

283 Huai Hai Road (M), Shanghai 200021, China

Tel. +86 21-6390-6935, 6390-6936

Fax +86 21-6390-6399

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Deutschland

HARTING Deutschland GmbH & Co. KG

Postfach 2451, D-32381 Minden

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Finnland

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Frankreich

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181, av. des Nations,

F-95972 Roissy Charles de Gaulle Cédex

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NN4 7PW

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Hongkong

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4208 Metroplaza Tower 1, 223 Hing Fong Road

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Italien

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Postbus 3526, NL-5203 DM ‚s-Hertogenbosch

Tel. +3173/6410404, Fax +3173/6440699

E-Mail: verkoop.nl@HARTING.com

Norwegen

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Österreich

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Russland

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Saint Petersburg, 194044 Russia

Tel. +7/812/3276477, Fax +7/812/3276478

E-Mail: HARTING@mail.wplus.net

HARTING KGaA

Marienwerderstraße 3 | D-32339 Espelkamp

Postfach 11 33 | D-32325 Espelkamp

Tel. +49 5772 47-0 | Fax +49 5772 47-400

E-Mail: de.sales@HARTING.com | Internet: http//www.HARTING.com

Schweden

HARTING AB

Fagerstagatan 18 A, 5 tr., S-16353 Spånga

Tel. +468/4457171, Fax +468/4457170

E-Mail: se@HARTING.com

Schweiz

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Singapur

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No. 1 Coleman Street, #B1-21 The Adelphi,

Singapore 179803

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E-Mail: es@HARTING.com

Taiwan

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Tschechische Republik

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