Birtaş Kablo Daten- und Signalkabel: Auswahlleitfaden für die industrielle Kommunikation

Die Auswahl von Daten- und Signalkabeln umfasst mehr als die Festlegung von Aderzahl und Querschnitt. Analoge Messkreise, potenzialfreie Kontakte, serielle RS-485-Kommunikation, Feldbusse und Ethernet-Verbindungen basieren auf unterschiedlichen elektrischen Parametern. Kapazität, Wellenwiderstand, Paarverseilung, Schirmaufbau, Dämpfung und Betriebsfrequenz beeinflussen unmittelbar die Integrität der übertragenen Informationen. Dass sich eine Verbindung physisch herstellen lässt, bedeutet nicht, dass das Kabel für das vorgesehene Protokoll geeignet ist.

Birtaş Kablo unterteilt sein Daten- und Signalkabelportfolio in Signalkabel, RS 422-485, BUS- und Cat-Kabel. Dieser Katalog und Auswahlleitfaden behandelt LIYCY, LI02Y(St)CH-PIMF RS-485 und CAT6 U/UTP als Beispiele für drei unterschiedliche Aufgaben. Da die technischen Werte je nach Produkt innerhalb einer Produktfamilie variieren, muss die endgültige Auswahl anhand der vollständigen Artikelnummer, des aktuellen Datenblatts, der Anforderungen des Geräteherstellers an die physikalische Schicht und der tatsächlichen Länge der geplanten Strecke überprüft werden.

Definieren Sie zuerst die physikalische Schicht der Informationsübertragung

„Datenkabel“ bezeichnet keine einheitliche technische Klasse. Während eine analoge 4–20 mA-Schleife meist niederfrequente Messsignale überträgt, ist RS-485 eine differenzielle serielle Kommunikationsverbindung. Ethernet erfordert symmetrische verdrillte Adernpaare und eine kategoriegerechte Übertragungsleistung; verschiedene Feldbusse legen dagegen jeweils eigene Anforderungen an Impedanz, Aderzahl und Schirmanordnung fest. Gleiche Klemmentypen an den Geräten bedeuten nicht, dass diese Systeme dieselben Kabelanforderungen haben.

Das Auswahlformular sollte Protokollname und -version, Datenrate, Leitungstopologie, maximale Ende-zu-Ende-Länge, Teilnehmerzahl, Terminierung, Gerätesteckverbinder und Erdungskonzept enthalten. Bei Analogverbindungen sind zusätzlich Sensorversorgung und Schleifenwiderstand anzugeben, bei Impuls- oder Encoderleitungen Flankensteilheit und Empfängerbeschaltung sowie bei Ethernet die Kategorie der Permanent-Link- und Channel-Komponenten. Eine unbestimmte Vorgabe wie „geschirmtes Datenkabel“ führt im Projektverlauf zu unterschiedlichen Auslegungen.

LIYCY: geschirmtes Kabel für allgemeine Daten- und Signalanwendungen

LIYCY wird im Portfolio von Birtaş Kablo als PVC-isoliertes, geschirmtes Daten- und Signalkabel geführt. Es kommt für die Übertragung elektronischer Signale in allgemeinen Steuerungs-, Mess-, Kommunikations- und Automatisierungssystemen in Betracht. Der Geflechtschirm aus verzinntem Kupfer dient dem Schutz vor externen elektromagnetischen Störungen. Die Produktfamilie bietet zahlreiche Aderzahlen und Querschnitte; Außendurchmesser und Kabelgewicht variieren je nach gewählter Artikelnummer.

LIYCY als „geschirmtes Kabel für jedes Datenprotokoll“ zu verstehen, ist nicht korrekt. Verlangt ein Protokoll einen bestimmten Wellenwiderstand, eine Paarverseilung oder eine bestimmte Hochfrequenzleistung, müssen diese Parameter im LIYCY-Produktdatenblatt ausdrücklich erfüllt sein. Eine für allgemeine digitale I/O oder analoge Steuerung geeignete Variante ist nicht automatisch für eine RS-485- oder Ethernet-Verbindung geeignet. Zudem weist der Hersteller in den Anwendungshinweisen darauf hin, dass Produkte dieser Klasse für Innenanwendungen vorgesehen sind und weder im Freien noch direkt im Erdreich eingesetzt werden.

Bei der Auswahl der Aderzahl sind neben der aktuellen I/O-Liste auch gemeinsame Bezugspotenziale, die Vorgaben für Reserveadern und das Schirmanschlusskonzept zu berücksichtigen. Wie ungenutzte Adern an beiden Enden isoliert werden, ist im Projektstandard festzulegen. Viele Kleinsignale in einem Kabel zusammenzufassen kann die Montage vereinfachen; die Kopplung zwischen den Kanälen und die Auswirkungen auf die Instandhaltung müssen jedoch bewertet werden. Für empfindliche Analogsignale kann ein anderer Aufbau mit Paarverseilung oder Einzelschirmung besser geeignet sein.

Bei RS-485-Kabeln wirken Impedanz und Topologie zusammen

RS-485 überträgt differenzielle Signale über ein symmetrisches Adernpaar. Für eine zuverlässige Verbindung müssen Wellenwiderstand des Kabels, die vom Gerätehersteller geforderte Terminierung, Hauptleitungstopologie, Stichleitungslänge und Erdbezug gemeinsam betrachtet werden. Mit steigender Datenrate oder zunehmender Entfernung treten Reflexionen durch ungeeignete Kabel und Verbindungen deutlicher hervor. Das Problem lediglich durch längere Software-Zeitüberschreitungen zu verdecken, behebt die Mängel der physikalischen Schicht nicht.

Das Produkt LI02Y(St)CH-PIMF RS-485 von Birtaş Kablo wird als PE-isoliertes, halogenfreies, flammwidriges Daten- und Signalkabel mit einzeln geschirmten Paaren beschrieben. Die Paare werden jeweils mit Aluminium-Polyester-Band und einem Beidraht aus verzinntem Kupfer geschirmt; der Gesamtaufbau umfasst zusätzlich ein Aluminium-Polyester-Band, einen Beidraht und ein Geflecht aus verzinntem Kupfer. Der HFFR-Außenmantel ist für Innenbereiche vorgesehen, in denen im Brandfall geringe korrosive Gasentwicklung und geringe Rauchentwicklung gefordert sind. Der Hersteller sieht dieses Produkt weder für den Außenbereich noch für die Erdverlegung vor.

Die offiziellen technischen Daten nennen eine Impedanz von 120 ±18 Ω bei 1 MHz, eine nominale Betriebskapazität von 45 ±5 nF/km und eine maximale Betriebsspannung von 300 V. Der Temperaturbereich bei fester Verlegung beträgt −30 bis +80 °C, bei flexiblem Einsatz −5 bis +70 °C; der Mindestbiegeradius wird bei fester Verlegung mit 7,5 × D und bei flexiblem Einsatz mit 15 × D angegeben. Diese Werte gelten für die Produktfamilie LI02Y(St)CH-PIMF RS-485; die Bezeichnung „flexibel“ bedeutet keine Eignung für dauernde Schleppkettenzyklen. Ist eine bewegte Anwendung erforderlich, muss die dynamische Eignung des Produkts gesondert geprüft werden.

PIMF bedeutet, dass jedes Paar von einem eigenen Folienschirm umgeben ist. Dieser Aufbau hilft, die Kopplung zwischen den Paaren zu verringern; der Gesamtgeflechtschirm bietet zusätzlichen Schutz vor externen Störungen. Beim Anschließen müssen die beiden Adern des jeweiligen Paares zusammenbleiben, und die Verdrillung ist möglichst nah bis an den Steckverbinder zu erhalten. Beidraht und Geflecht dürfen nicht an eine beliebige Signalklemme angeschlossen werden, sondern sind entsprechend dem Schirmungs- und Erdungskonzept auf Schaltschrank- und Feldseite aufzulegen.

Checkliste für RS-485-Feldanwendungen

1. Hauptleitungsstruktur beibehalten: Ordnen Sie die Geräte möglichst entlang einer Linie an; vermeiden Sie lange sternförmige Abzweige.
2. Terminierung prüfen: Setzen Sie Abschlusswiderstände gemäß den Vorgaben des Kabel- und Geräteherstellers nur an den erforderlichen Leitungsenden ein.
3. Vorspannung planen: Prüfen Sie, ob die Geräte Fail-safe-/Bias-Widerstände enthalten und ob deren Zuschaltung zentral an einer Stelle erfolgt.
4. Paarintegrität erhalten: Führen Sie die differenziellen A/B-Adern im selben verdrillten Paar; teilen Sie die Paare nicht beliebig auf.
5. Stichleitungen begrenzen: Wenn eine T-Verbindung erforderlich ist, minimieren Sie die Stichleitungslänge entsprechend der Datenrate und den Geräteanweisungen.
6. Erdpotenzialunterschiede beherrschen: Klären Sie im Systementwurf die Anforderungen an Potenzialausgleich und Bezugsleiter.
7. Bezeichnungen prüfen: Prüfen Sie anhand der Pinbelegung, ob die Bezeichnungen A/B oder +/− bei unterschiedlichen Herstellern gegensätzlich verwendet werden.

CAT6 U/UTP: Entscheidend ist die Leistung des gesamten Übertragungskanals

Das Produkt CAT6 U/UTP 4×2×23 AWG PVC von Birtaş Kablo ist ein LAN-Kabel mit vier symmetrischen verdrillten Adernpaaren. Auf der Produktseite nennt der Hersteller einen Wellenwiderstand von 100 Ω und veröffentlicht eine Leistungstabelle bis 350 MHz; als Anwendungsbeispiele werden Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, PoE/PoE+ und weitere Anwendungen aufgeführt. Der Außendurchmesser wird mit etwa 6,20 mm angegeben. Diese Werte gelten für die betreffende Artikelnummer und bedeuten nicht, dass der installierte Übertragungskanal automatisch dieselbe Leistung erreicht.

Zum Ethernet-Übertragungskanal gehören neben dem horizontalen Verlegekabel auch Patchkabel, Keystone-Module oder Feldanschlussdosen, Patchpanels im Schaltschrank, Zwischenverbindungen und die Ausführung der Anschlüsse. Die Komponente mit der geringsten Leistung oder eine fehlerhaft montierte Komponente begrenzt den gesamten Kanal. Übermäßig weit aufgedrehte Paare an der Anschlussstelle, scharfe Biegungen, Quetschungen durch Kabelbinder oder Verformungen beim Einziehen können NEXT, Rückflussdämpfung und Einfügedämpfung beeinträchtigen. Die Prüfung bei der Inbetriebnahme sollte nicht nur die Durchgängigkeit umfassen, sondern eine Channel- oder Permanent-Link-Messung entsprechend der Zielkategorie.

Beim U/UTP-Aufbau sind weder die einzelnen Paare noch das Kabel insgesamt mit einem Folien- oder Geflechtschirm versehen. Die Störfestigkeit beruht auf der Paarsymmetrie, der korrekten Verdrillung, der getrennten Leitungsführung und der elektromagnetischen Umgebung der Anlage. Sind lange parallele Strecken zu leistungsstarken Motor- und Umrichterleitungen, schnell schaltende Störquellen im Schaltschrank oder eine fehlerhafte Erdung zu erwarten, müssen geschirmte Kategorievarianten gesondert bewertet werden. Wird ein geschirmtes Kabel gewählt, müssen auch Steckverbinder und Panelkomponenten die Schirmdurchgängigkeit gewährleisten.

Bei PoE-Anwendungen werden Daten und Energie über denselben Kanal übertragen

Bei der Energieversorgung über Ethernet übertragen die verdrillten Paare neben Daten auch Energie. Aderwiderstand, Leitungslänge, Steckverbinderkontakt, Bündelgröße und Umgebungstemperatur beeinflussen die Erwärmung. Dass PoE/PoE+ auf der Produktseite als Anwendungsbeispiel genannt wird, bedeutet keine unbegrenzte Leistungsübertragung bei jeder Bündelgröße und unter allen Temperaturbedingungen. Die Norm der aktiven Geräte, die Leistungsklasse und die jeweilige Kabelvariante des Herstellers müssen in der Projektberechnung gemeinsam berücksichtigt werden.

Fehlerhafte oder hochohmige Anschlüsse können bei einer PoE-Verbindung zu lokaler Erwärmung führen. Beim Kabelmanagement sind übermäßig fest angezogene Kabelbinder zu vermeiden, Kabelbündel zu belüften und der Füllgrad der Kabeltrasse zu berücksichtigen. Der kleinere Leiterquerschnitt von Patchkabeln ist in die Berechnung des gesamten Kanals einzubeziehen. Bei der Abnahmeprüfung können neben Wiremap und Hochfrequenzparametern auch die für die Energieübertragung erforderlichen Prüfungen der Widerstandsunsymmetrie gemäß Projektstandard berücksichtigt werden.

Verlassen Sie sich bei der Auswahl von BUS-Kabeln nicht auf ähnliche Bezeichnungen

Die BUS-Kategorie von Birtaş Kablo umfasst Produktgruppen für unterschiedliche industrielle Protokolle. Nicht jeder Bus verwendet dieselbe Impedanz, Paarzahl, Mantelausführung oder Schirmung. Bei der Kabelauswahl für PROFIBUS, Interbus, CAN, KNX oder ein anderes System müssen der Standard der physikalischen Schicht des Geräts und der auf der Produktseite angegebene Einsatzbereich genau übereinstimmen. Ein BUS-Kabel allein wegen einer ähnlichen Farbe oder Aderzahl für ein anderes Protokoll einzusetzen, ist nicht sachgerecht.

Auch die Leitungstopologie ist protokollspezifisch. Manche Systeme erfordern eine lineare Hauptleitung mit Abschluss an den Enden, andere unterstützen Sternstrukturen oder geswitchtes Ethernet. Abzweige, Koppler, Repeater und maximale Teilnehmerzahlen lassen sich nicht unabhängig von der Kabelauswahl betrachten. Bei der Inbetriebnahme des Systems werden physikalische Messungen, Protokolldiagnose und Gerätefehlerzähler gemeinsam ausgewertet.

Schirmung und Potenzialausgleich

Der Kabelschirm ermöglicht es, Störströme über einen kontrollierten Pfad abzuleiten. Für den einseitigen oder beidseitigen Schirmanschluss gibt es keine universell gültige Regel; Signalfrequenz, Erdungssystem der Anlage, Potenzialunterschiede und Vorgaben des Geräteherstellers sind zu berücksichtigen. Bei hohen Frequenzen kann ein langer, dünner Schirmanschluss eine hohe Impedanz verursachen; eine 360-Grad-Schirmkontaktierung ermöglicht in vielen industriellen Anwendungen einen wirksameren Übergang.

Bestehen Erdpotenzialunterschiede zwischen verschiedenen Gebäuden oder entlang langer Feldleitungen, darf das Problem nicht lediglich durch das Trennen der Schirmverbindung verdeckt werden. Potenzialausgleichsleiter, galvanische Trennung, Umsetzung auf Lichtwellenleiter oder geeigneter Überspannungsschutz können auf Systemebene bewertet werden. Der Schirm ist kein Schutzleiter. Auch der Beidraht erleichtert lediglich den Anschluss des Schirms im Kabelaufbau; er darf nicht als stromführende PE-Ader verwendet werden.

Brandverhalten und Verlegeumgebung

Die Beispiele LIYCY und CAT6 mit PVC-Mantel weisen nicht dasselbe Brandverhalten auf wie das RS-485-Produkt mit HFFR-Mantel. In geschlossenen öffentlichen Bereichen mit Anforderungen an Halogenfreiheit und geringe Rauchentwicklung sind die Prüfungen des Produkts zu Flammenausbreitung, Rauchdichte und Halogenen zu prüfen. Die Bezeichnung HFFR bedeutet jedoch nicht automatisch Feuerbeständigkeit oder Funktionserhalt. Wenn dies für einen kritischen Stromkreis erforderlich ist, müssen Funktionserhalt und Systemzertifikat gesondert gefordert werden.

Ein Produkt für Innenräume darf nicht im Freien, unter UV-Einwirkung, im Wasser oder direkt im Erdreich verlegt werden. Die Verwendung eines Kabelschutzrohrs gewährleistet nicht grundsätzlich die Eignung für den Außenbereich; es können Kondensation und Wasseransammlungen auftreten. Bei Datenkabeln für bewegte Maschinen muss die Eignung für Energieketten oder Torsionsbeanspruchung ausdrücklich bestätigt werden. Der Begriff „flexibel“ kann sich auf die Flexibilität bei der Verlegung beziehen und garantiert keine Lebensdauer bei kontinuierlicher zyklischer Bewegung.

Montage- und Abnahmeplan

Trommeletikett und Produktcode werden mit der Zeichnung abgeglichen; Kabelzugkraft, Mindestbiegeradius und Richtungsänderungen der Trasse werden vor der Montage festgelegt. Die Trennung von Leistungsleitungen, Kreuzungswinkel, metallische Trennstege in Kabeltrassen und Schaltschrankdurchführungen werden gemäß der Projektplanung ausgeführt. Bei der Konfektionierung bleibt die Paarverdrillung erhalten, Geflecht- und Folienschirm werden nicht beschädigt und der Steckverbinder wird passend zum Kabeldurchmesser ausgewählt. Überschüssiges Kabel wird nicht in engen Schlaufen zusammengepresst.

Bei der Abnahmeprüfung werden bei allgemeinen Signalkabeln Aderdurchgang, Kurzschlussfreiheit, Isolation und Schirmanschluss geprüft; bei RS-485 werden Topologie, Terminierung, Polarität und Kommunikationsfehlerzähler kontrolliert; bei Ethernet erfolgt die Zertifizierungsprüfung für die jeweilige Kategorie. Der Test im laufenden System muss die ungünstigsten Last- und Störbedingungen abdecken. Die Messergebnisse werden mit Kabelnummer, den Ports an beiden Enden und dem verwendeten Prüfgerät dokumentiert.

Erforderliche Angaben für ein Angebot

• Protokoll oder Signalart, Datenrate, Frequenz, analoger Signalbereich und Geräteschnittstellen
• Topologie, gesamte Leitungslänge, Abzweige, Anzahl der Knoten und Terminierungsverfahren
• Ader- oder Paaranzahl, Querschnitt, Wellenwiderstand, Kapazität und Kategorie
• Einzelpaarschirmung, Gesamtschirm aus Folie/Geflecht und Schirmungs- und Erdungskonzept
• Spannung, gegebenenfalls PoE-Leistungsklasse, Schleifenwiderstand und Grenzwert für den Spannungsfall
• Feste oder bewegte Verlegung, Biegeradius, Zugbeanspruchung und Verlauf der Kabeltrasse
• Innen-/Außenbereich, Temperatur sowie Anforderungen hinsichtlich Öl, Chemikalien, UV, Wasser und Brandverhalten
• Steckverbinder, Patchpanel, Patchkabel, Kabelverschraubung, Kennzeichnung, Prüfnorm und Anforderungen an den Prüfbericht

Oskon bewertet die Daten- und Signalprodukte von Birtaş Kablo nicht anhand der Kabelbezeichnung, sondern anhand des durchgängigen Übertragungskanals. LIYCY für gesamtabgeschirmte Signalübertragung, LI02Y(St)CH-PIMF RS-485 für protokollspezifische differenzielle Kommunikation und CAT6 U/UTP für Ethernet-Kanäle bieten unterschiedliche Ausgangspunkte. Die endgültige Lösung wird zuverlässig, wenn Produktcode, Geräteanforderungen, Trassenverlauf, Terminierung und Abnahmeprüfung gemeinsam verifiziert werden.