Verbindungstechnik für Automatisierung

Ein genauer Blick auf das Kabelmaterial

23. Oktober 2020, 09:25 Uhr   |  Corinna Puhlmann-Hespen

Ein genauer Blick auf das Kabelmaterial
© Lapp USA

Industriekabel in automatisierten Umgebungen werden für die elektrische Energieverteilung sowie für die Übertragung von Steuersignalen und Daten verwendet. Kabelbaugruppen, die diese Funktionen kombinieren, wie zum Beispiel „Ölflex Connect“ von Lapp, sind auf dem Vormarsch.

In der industriellen Fertigung sind hochzuverlässige Kabel gefragt, um Maschinenausfälle zu minimieren und den Wartungsaufwand zu reduzieren. Auf dem Vormarsch sind daher kundenspezifische Kabelbaugruppen.

von Rolf Horn, Applications Engineer von Digi-Key Electronics

Die Auslegung von Schirmung, Isolation und Kabelmantel entscheidet über die spezifischen Eigenschaften. Modulare Kabel und Steckverbinder sind werksseitig konfektionierte Baugruppen, die aus einem standardisierten Satz an Unterkomponenten bestehen und für eine schnelle Inbetriebnahme zusammengesteckt oder zusammengeklemmt werden. Auch in anderen Branchen, neben der Industrieautomation, ist dieser Typ der Verkabelung zunehmend gefragt.

Im Vergleich zu herkömmlichen Kabelsätzen können die modularen Kabel den Installationsaufwand vor Ort um etwa 60 bis 70 Prozent reduzieren. Gleichzeitig lässt sich die Zuverlässigkeit der Verkabelung erhöhen, denn alle Anpassungen, Zuschnitte und Endbearbeitungen werden im Vorfeld als wiederholbare Fabrikprozesse durchgeführt. Auch werden die anwendungsspezifischen Kabel bereits in der Konstruktionsphase vollständig spezifiziert. Die Installation vor Ort besteht somit quasi nur noch aus dem einfachen Einstecken dieser Kabel in die Maschinenkomponenten. Wie genau ein Kabel an die jeweilige Applikation angepasst werden kann, zeigt der Blick auf den Aufbau des Kabels.

Schirmung

Motoren, Generatoren und z.B. auch Stromkabel können Quellen hoher elektromagnetischer Störungen (Electromagnetic Interference, EMI) sein. Steuer- und Datenkabel in unmittelbarer Nähe dieser Quellen müssen daher abgeschirmt werden.
Die Abschirmung von Kabeln gegen EMI kann mit einer Faraday-Abschirmung, also einer durchgehenden Ummantelung aus leitfähigem Material um die Kabeladern, oder einem Faraday-Käfig, genauer: einem leitfähigen Geflecht um die Kabeladern, erfolgen. Bei der erstgenannten Methode wird in der Regel Folie eingesetzt, bei der zweiten Methode geflochtener Draht. Die Folienabschirmungen bestehen oft aus dünnem Aluminium für eine kontinuierliche Abschirmung. Sie sind kostengünstig und flexibel, aber schwierig zu erden.

Geflochtene Drähte bzw. ein Geflecht aus Kupferdraht ist leichter zu erden, bietet in einigen Fällen allerdings keine 100-prozentige Abdeckung, da durch kleine Öffnungen unter Umständen Hochfrequenzsignale eindringen können. Damit der Faraday-Käfig also funktioniert, müssen alle Löcher oder Lücken im Gitter deutlich kleiner sein als die Wellenlänge der abzublockenden Strahlung. Einige Hersteller verzinnen deswegen ihre geflochtenen Schirmdrähte, um den Schutz vor EMI zu verbessern. Andere sorgen für saubere Signale in sehr verrauschten Umgebungen mit mehreren Abschirmungsebenen – zum Beispiel zwischen einzelnen Paaren sowie um das gesamte Kabel herum. Eine solche Abschirmung kann allerdings teurer und weniger flexibel sein als andere Abschirm-Optionen.

Sowohl Käfige als auch Abschirmungen sind Leiter, die elektromagnetische Strahlung reflektieren, um zu verhindern, dass diese Strahlung ins Innere der leitenden Litzen des Kabels gelangt. Die Abschirmung in Kabeln wird typischerweise zwischen Isolationsschichten gelegt, die die leitenden Drähte umgeben. Dann wird diese Abschirmung normalerweise mit der Erde verbunden, um eine effiziente Verteilung der elektromagnetischen Energie zu ermöglichen.

Isolierung

Die Kabelisolierung ist das nicht leitende Material, das den elektrischen Leiterdraht umgibt. Sie dient aber nicht nur der Isolierung, sondern verhindert häufig auch Abrieb sowie das Eindringen von Flüssigkeiten. Unbedingt zu beachten ist, dass die Isolierung alleine keine Barriere für EMI darstellt, wenn Magnetfelder und Strahlung direkt durch sie hindurchgehen. Als Materialien stehen folgende Werkstoffe zur Wahl, die sich z.B. stark hinsichtlich ihrer Abriebfestigkeit und Temperaturbeständigkeit unterscheiden:

Polyvinylchlorid (PVC) ist eine kostengünstige und häufig verwendete Isolierung. Das Isolationsmaterial hat einen Temperaturbereich von etwa –55 bis +105 °C und ist beständig gegen die üblichen Lösungsmittel und Brennstoffe. Kapazität und Dämpfung führen zu einem gewissen Leistungsverlust.

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2. Kabelummantelung und Litzenanordnung

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