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Wie elektrische Parameter von Feldbuskabeln durch das Protokoll definiert werden und warum sie nicht frei ersetzt werden können

Bei Feldbuskabeln handelt es sich nicht um generische Signalkabel mit Feldbuskennzeichnung – jedes wichtige Feldbusprotokoll definiert eine genaue elektrische Spezifikation für sein physikalisches Schichtkabel, und die charakteristische Impedanz, die Kapazität pro Längeneinheit und die Dämpfung des Kabels bei der Signalfrequenz sind tragende Parameter im Übertragungsmodell des Protokolls. Der Austausch eines Kabels, das diese Parameter nicht erfüllt, verändert das Signalreflexionsverhalten, die maximale Länge des Netzwerksegments und in einigen Protokollen die zulässige Anzahl angeschlossener Geräte – oft ohne sofort erkennbaren Fehler, aber mit verschlechterten Rauschmargen, die sich als intermittierende Kommunikationsfehler unter elektrischen Störungsbedingungen manifestieren.

PROFIBUS DP, der am weitesten verbreitete Feldbus in der Prozess- und Fabrikautomation, definiert sein Physical-Layer-Kabel in IEC 61158-2 und der PROFIBUS PA-Spezifikation. Das Standardkabel (Typ A) ist auf eine charakteristische Impedanz von 135–165 Ω bei Frequenzen über 100 kHz, eine Kapazität unter 30 pF/m, einen Schleifenwiderstand unter 110 Ω/km und eine Dämpfung unter 3 dB/100 m bei 100 kHz ausgelegt. Diese Parameter hängen voneinander ab: Ein Kabel mit korrekter Impedanz, aber übermäßiger Kapazität beendet Reflexionen an Knotenverbindungen korrekt, verursacht jedoch eine übermäßige Signalverschlechterung auf langen Segmenten, wodurch die effektive maximale Segmentlänge unter die in der Norm angegebenen 1.200 m sinkt. Ein Kabel mit korrekter Kapazität, aber niedriger Impedanz führt an jeder passiven Stichleitung zu Reflexionen, die sich dem Datensignal überlagern und die Fehlerrate insbesondere bei der maximalen Baudrate von 12 Mbit/s erhöhen.

Der Grund, warum die charakteristische Impedanz für Feldbuskabel so genau spezifiziert ist, hängt mit den Stichleitungen zusammen. In einem PROFIBUS- oder DeviceNet-Segment werden Geräte über kurze Stichleitungen verbunden, die vom Hauptsegment abzweigen Buskabel . An jedem Stichleitungsverbindungspunkt weist das Buskabel eine parallele Impedanzdiskontinuität auf. Wenn die Impedanz des Buskabels innerhalb der Spezifikation liegt, ist die durch die Stichleitung erzeugte Diskontinuität gering und die Amplitude des reflektierten Signals liegt unter der Rauschschwelle der Empfänger. Wenn die Impedanz des Buskabels 20 % unter der Spezifikation liegt – was beim Austausch durch ein kostengünstiges, nicht spezifiziertes Kabel der Fall sein kann – steigt die reflektierte Amplitude an jeder Stichleitung proportional an, und bei maximal 32 Geräten pro PROFIBUS-Segment kann die kumulative reflektierte Energie bei 12 Mbit/s zu Bitfehlern führen, die bei 1,5 Mbit/s nicht auftreten, was zu baudratenabhängigen Kommunikationszuverlässigkeitsproblemen führt, die ohne einen Busanalysator und Impedanzmessgeräte äußerst schwer zu diagnostizieren sind.

Kabelspezifikationen der physikalischen Schicht für die wichtigsten Feldbusprotokolle

Jedes wichtige Feldbusprotokoll verfügt über eine eigene Spezifikation der physikalischen Schicht, die den für konforme Installationen erforderlichen Kabelaufbau definiert. Die Verwendung des falschen Kabeltyps – selbst eines, der optisch ähnlich erscheint – führt zu einer nicht konformen Installation, die bei kurzen Segmentlängen zwar die Erstinbetriebnahme bestehen kann, bei der maximalen angegebenen Netzwerkausdehnung oder unter ungünstigsten Rauschbedingungen jedoch fehlschlägt.

Bei den oben aufgeführten Segmentlängengrenzen handelt es sich nicht nur um Kabellängengrenzen – sie stellen die maximale Gesamtlänge des elektrischen Pfads dar, innerhalb derer alle Signalreflexionen, Ausbreitungsverzögerungsbudgets und Dämpfungsgrenzen gleichzeitig eingehalten werden können. Bei Protokollen mit baudratenabhängigen Segmentlängen (PROFIBUS DP, CANopen) werden die Grenzen bei hohen Baudraten durch die Ausbreitungsverzögerung festgelegt – die Signalumlaufzeit von einem Ende des Segments zum anderen muss kürzer sein als die Bitperiode des Protokolls. Bei 12 Mbit/s-PROFIBUS DP beträgt eine Bitperiode etwa 83 ns, und die Signalausbreitung in einem Kabel mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit (VOP) von 66 % der Lichtgeschwindigkeit beträgt etwa 8 Meter pro Nanosekunde – so bleibt nur sehr wenig Spielraum für lange Segmente. Bei niedrigeren Baudraten ist die Bitperiode lang genug, dass die Ausbreitungsverzögerung nicht mehr der begrenzende Faktor ist und stattdessen die Dämpfung zum die Segmentlänge begrenzenden Parameter wird.

Die Rolle der Ausbreitungsgeschwindigkeit beim Timing von Feldbusnetzwerken und wie sich die Kabelkonstruktion darauf auswirkt

Ausbreitungsgeschwindigkeit (VOP) – die Geschwindigkeit, mit der sich ein Signal durch ein Kabel ausbreitet, ausgedrückt als Prozentsatz der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum – ist ein grundlegender Parameter für Hochgeschwindigkeits-Feldbusprotokolle, bei denen die Ausbreitungsverzögerung die maximale Segmentlänge bestimmt. VOP wird vollständig durch die Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials bestimmt: VOP = 1/√εr × 100 %, wobei εr die relative Dielektrizitätskonstante der Isolierung ist. Ein Kabel mit einer Polyethylenisolierung (εr ≈ 2,3) hat einen VOP von etwa 66 %; Ein Kabel mit PVC-Isolierung (εr ≈ 3,5–4,5) hat einen VOP von etwa 47–53 %. Für ein Protokoll mit einem Ausbreitungsverzögerungsbudget von 500 ns beträgt die maximale Kabellänge mit PE-Isolierung 500 ns × 0,66 × 3×10⁸ m/s = etwa 99 Meter; Das gleiche Kabel mit PVC-Isolierung erlaubt nur 71 Meter – eine Reduzierung der maximalen Segmentlänge um 28 % allein aufgrund der Wahl des Isoliermaterials.

Dieser Zusammenhang erklärt, warum die Feldbuskabelspezifikationen für Hochgeschwindigkeitsprotokolle durchweg eine Polyethylen- oder geschäumte PE-Isolierung anstelle von PVC erfordern und warum der Ersatz durch ein PVC-isoliertes Twisted-Pair-Kabel, das scheinbar die Impedanzspezifikation erfüllt, bei maximalen Segmentlängen immer noch zu einer nicht konformen Installation führt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit wirkt sich auch auf die charakteristische Impedanz des Kabels aus: Da Z₀ = √(L/C), wobei L die Induktivität pro Längeneinheit und C die Kapazität pro Längeneinheit ist, und da ein höheres εr C erhöht, während L annähernd konstant bleibt, erzeugt eine Isolierung mit höherer Dielektrizitätskonstante eine niedrigere charakteristische Impedanz sowie einen niedrigeren VOP. Ein für die 120-Ω-Spezifikation (DeviceNet) vorgesehenes Kabel mit PE-Isolierung kann nicht durch ein Kabel mit denselben physikalischen Abmessungen, aber PVC-Isolierung ersetzt werden, ohne dass die Impedanz unter die Spezifikation fällt – ein weiterer Beleg dafür, warum Isolationsmaterial und Impedanz untrennbare Spezifikationen für Feldbuskabel sind.

Bei industriellen Feldbusnetzwerken, in denen verschiedene Segmente möglicherweise Kabel verschiedener Hersteller verwenden (eine häufige Situation bei Nachrüstinstallationen), führt die VOP-Inkonsistenz zwischen Kabelsegmenten zu Zeitanomalien. Zwei Segmente mit nominell identischer Spezifikation von unterschiedlichen Herstellern mit VOP-Werten von 66 % bzw. 60 % führen zu einer Ausbreitungsverzögerungsdifferenz von 10 %, die sich als Timing-Jitter zwischen den Segmenten manifestiert. Bei zeitkritischen Protokollen wie EtherCAT und PROFINET IRT (isochrone Echtzeit), die verteilte Uhren im Netzwerk mit einer Genauigkeit von Mikrosekunden synchronisieren, führt die VOP-Variation zwischen Kabelsegmenten zu einem systematischen Zeitversatz, der vom Netzwerkmaster während der Inbetriebnahme ausgeglichen werden muss. Protokolle, die eine Zykluszeitgenauigkeit im Submikrosekundenbereich über 20 oder mehr Segmente erfordern, können ohne Taktkompensationsmechanismen im Netzwerkmaster keine hohen VOP-Schwankungen tolerieren.

DeviceNet-Kabel: Warum die Integration von Strom und Signalen in einem einzigen Buskabel einzigartige Herausforderungen bei der Spezifikation mit sich bringt

DeviceNet unterscheidet sich von den wichtigsten industriellen Feldbusprotokollen durch die Integration von 24-V-DC-Gerätestrom und CAN-basierter Datensignalisierung in einem einzigen Kabel. Das dicke Kabel (Standard-Hauptkabel) enthält fünf Leiter: ein CAN_H- und CAN_L-Differenzsignalpaar (typischerweise 18 AWG), ein Stromversorgungspaar (typischerweise 15 AWG für das dicke Kabel) und einen Erdungsdraht. Diese Multifunktionsarchitektur vereinfacht die Installation durch den Wegfall separater Stromkabel zu Feldgeräten, schafft jedoch Spezifikationsherausforderungen, die bei reinen Signal-Feldbuskabeln nicht bestehen.

Die Stromleiter in einem DeviceNet-Kabel führen einen Gleichstrom-Laststrom, der auf dem Hauptkabel 8 A erreichen kann, wodurch I²R-Wärme erzeugt wird, die die Temperatur des Signalpaars erhöht, das den Kabelquerschnitt teilt. Bei Kupferleitern von 8 A bis 15 AWG erzeugt der Gleichstromwiderstand von 100 Metern Stammkabel etwa 2,5 W Wärme pro Leiter – genug, um die Kabelinnentemperatur in einer Kabeltrasseninstallation mit begrenzter Wärmeableitung um mehrere Grad über die Umgebungstemperatur anzuheben. Dieser Temperaturanstieg beeinflusst die charakteristische Impedanz des Signalpaars durch thermische Ausdehnung der Isolierung, erhöht den dielektrischen Verlust der Isolierung und beschleunigt die Alterung der Mantelverbindung. Die DeviceNet-Spezifikationen begrenzen den maximalen Strom im Stammkabel nicht nur auf der Grundlage der isolierten Stromleiternennleistung, sondern auch auf der Grundlage des kombinierten thermischen Effekts auf die Signalpaarleistung – eine Überlegung, die bei reinen Signalkabeln entfällt, bei denen es keine Stromleiter gibt, die Wärme erzeugen.

Der Spannungsabfall auf den Stromleitern ist eine zweite Einschränkung, die die DeviceNet-Segmentlänge unabhängig von der Signalübertragungsgrenze begrenzt. DeviceNet-Geräte benötigen eine Versorgungsspannung innerhalb eines definierten Bereichs (11–25 V) am Geräteanschluss; Die am Stromabgriff bereitgestellte 24-V-Versorgung darf am entferntesten Gerät nicht unter 11 V fallen. Bei einem Stammstrom von 6 A über 100 Meter dickes Stammkabel (15 AWG, Schleifenwiderstand ca. 0,22 Ω/m) beträgt der Spannungsabfall 6 A × 0,22 Ω/m × 100 m × 2 (Vor- und Rücklauf) = 26,4 V – weit über der verfügbaren Versorgungsspannung. In der Praxis sind in Abständen entlang des Hauptsegments angeordnete Stromabgriffe in Kombination mit einer sorgfältigen Berechnung der maximalen Stromaufnahme des Geräts pro Segmentabschnitt erforderlich, um die Spannung bei allen Geräteabfällen innerhalb der Spezifikation zu halten. Anbieter von Feldbuskabeln, die DeviceNet-Kabel bereitstellen, sollten nicht nur die Signalparameter (Impedanz, Kapazität) angeben, sondern auch den Widerstand des Stromleiters pro Längeneinheit und die Temperatur-Derating-Kurven für Signal- und Stromleiter bei erhöhten Umgebungstemperaturen.

Schirmerdung bei Feldbus-Kabelinstallationen und warum eine falsche Erdung mehr Probleme verursacht als keine Schirmung

Feldbus-Kabelschirme gehören zu den am häufigsten falsch eingesetzten Komponenten in industriellen Automatisierungsanlagen. Der Zweck der Abschirmung besteht darin, einen niederohmigen Pfad für Gleichtakt-Störströme bereitzustellen und zu verhindern, dass diese als Differenzrauschen in das Signalpaar gelangen. Um dies zu erreichen, muss die Abschirmung so geerdet werden, dass dieser Pfad bereitgestellt wird und gleichzeitig verhindert wird, dass Erdpotentialunterschiede zwischen Erdungspunkten Ströme durch die Abschirmung treiben – Ströme, die sich dem Signal als Gleichtaktrauschen überlagern und die Kommunikationszuverlässigkeit beeinträchtigen. Das Spannungsverhältnis zwischen diesen beiden Anforderungen – die Abschirmung erden, um Rauschen abzuleiten, aber Erdschleifen vermeiden, die Rauschen einspeisen – wird je nach Protokoll und spezifischer Rauschumgebung unterschiedlich gelöst.

Für PROFIBUS DP wird standardmäßig eine Einzelpunkterdung der Kabelabschirmung am Schalttafelende jedes Segments empfohlen, wobei die Feldendabschirmung erdfrei bleibt oder über einen Erdungskondensator mit hoher Impedanz verbunden wird. Diese Anordnung verhindert, dass 50-Hz-Erdschleifenströme durch die Abschirmung fließen – die in den meisten Produktionsanlagen die dominierende niederfrequente Rauschquelle darstellt – und bietet gleichzeitig Schutz vor hochfrequenten elektromagnetischen Störungen, da die kapazitive Erdverbindung am Feldende bei Frequenzen oberhalb des Erdschleifenfrequenzbereichs eine niedrige Impedanz aufweist. In der Praxis wird bei vielen Installationen die Abschirmung an beiden Enden geerdet, was ordnungsgemäß funktioniert, wenn alle Geräte im Segment das gleiche Erdpotential haben. In großen Anlagen, in denen das Erdungsnetzpotential zwischen einem Kontrollraum und einem entfernten Feldanschlusskasten bei 50 Hz um 1–5 V abweichen kann, treibt die beidseitige Erdung erhebliche 50-Hz-Ströme durch die Abschirmung, und das Magnetfeld dieser Ströme induziert Differenzrauschen im Signalpaar – genau die Interferenzen, die die Abschirmung verhindern sollte.

Bei PROFIBUS PA und Foundation Fieldbus H1, die für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen (Zone 1 und Zone 0) gemäß ATEX- und IECEx-Vorschriften ausgelegt sind, muss die Schirmerdung gleichzeitig den EMV- und Eigensicherheitsanforderungen genügen. Bei eigensicheren Installationen darf die Abschirmung nur an einem Punkt geerdet werden – dem sicheren Bereich – und die Feldendabschirmung muss um mindestens 1 MΩ von der Erde isoliert sein, um zu verhindern, dass die Abschirmung einen Erdschlusspfad darstellt, der die Energiegrenzen der eigensicheren Barriere überschreiten könnte. Diese Erdungsbeschränkung ist im Rahmen der IS-Vorschriften nicht verhandelbar; Eine beidseitige Schirmerdung an einem PROFIBUS PA-Segment in einem explosionsgefährdeten Bereich macht die Eigensicherheitszertifizierung der Installation ungültig, unabhängig davon, ob die Schirmerdung ein funktionales EMV-Problem darstellt.

Für industrielle Ethernet-Feldbusprotokolle (EtherCAT, PROFINET) mit Cat5e- oder Cat6-Kabeln gelten eigene Abschirmungsanforderungen. Die Standardpraxis für strukturierte Verkabelung schreibt einen 360°-Schirmabschluss an beiden Enden mit EMV-zertifizierten RJ45-Steckverbindern oder M12-Rundsteckverbindern in industriellen Umgebungen vor. Da Ethernet transformatorgekoppelte Schnittstellen verwendet, die Gleichtaktstörungen am Empfänger grundsätzlich ablehnen, ist die Abschirmungserdungsphilosophie für Industrial Ethernet weniger kritisch als für RS-485-basierte Feldbusse – aber die mechanische Qualität des Abschirmungsabschlusses am Stecker bleibt wichtig, da hochohmige Abschirmungsverbindungen (Pigtail-Erdungsdrähte) die Entwicklung von Abschirmstromrückführungspfaden bei hoher Frequenz ermöglichen, die die EMV-Leistung des Kabels über 100 MHz verschlechtern.

Feldbus-Kabelabschlusswiderstände: Warum sie erforderlich sind und wie falsche Werte zu Netzwerkinstabilität führen

Busabschlusswiderstände sind ein obligatorischer Bestandteil jeder RS-485-basierten Feldbusinstallation – einschließlich PROFIBUS DP, CANopen und DeviceNet – und gehören dennoch zu den am häufigsten falsch angewendeten oder weggelassenen Elementen bei der Fehlerbehebung in Feldbusnetzwerken. Ihre Funktion besteht darin, die Energie von Signalen zu absorbieren, die das Ende des Signals erreichen Buskabel und verhindern, dass sich Signalreflexionen zurück zur Signalquelle ausbreiten. Das Verständnis der Abschlussphysik erklärt, warum falsche Widerstandswerte – oder die Verwendung mehrerer Widerstände an Nicht-Endpunkt-Standorten – die Integrität des Bussignals zerstören.

Wenn sich ein Signal entlang einer Übertragungsleitung ausbreitet und eine Impedanzdiskontinuität erreicht, wird eine reflektierte Welle erzeugt, deren Amplitude proportional zum Reflexionskoeffizienten Γ = (Z_load − Z₀) / (Z_load Z₀) ist. Bei einem Leerlaufabschluss (Z_load → ∞) ist Γ = 1 und die reflektierte Welle hat die gleiche Polarität und volle Amplitude wie die einfallende Welle. Bei einem Kurzschlussabschluss ist Γ = −1 und die reflektierte Welle hat die gleiche Amplitude, aber entgegengesetzte Polarität. Ein Abschlusswiderstand gleich der charakteristischen Impedanz des Kabels (Z_load = Z₀) erzeugt Γ = 0 – keine Reflexion. Für PROFIBUS DP mit Z₀ = 150 Ω ist der Abschlusswiderstand mit 150 Ω angegeben. Bei DeviceNet mit Z₀ = 120 Ω betragen die Abschlusswiderstände 120 Ω. Für CANopen (auch ISO 11898 Physical Layer) beträgt der Abschluss 120 Ω an jedem Ende des Hauptbusses.

Die Folgen falscher Abschlusswerte sind signalpegelspezifisch. Ein Abschlusswiderstand, der 20 % unter der Spezifikation liegt (120 Ω statt 150 Ω bei PROFIBUS), erzeugt einen Reflexionskoeffizienten von Γ = (120−150)/(120 150) = −0,11 und erzeugt eine reflektierte Welle bei 11 % der einfallenden Amplitude, die das Signal an allen Knoten zwischen dem Abschlusswiderstand und der Signalquelle überlagert. Bei einem PROFIBUS DP-Signal mit einer Differenzamplitude von 5 V fügt die Reflexion von 11 % eine Störung von 0,55 V hinzu, die eine Umlaufverzögerungszeit nach der ursprünglichen Signalflanke an jedem Knoten ankommt. Bei 12 Mbit/s liegt diese Verzögerung innerhalb der Bitperiode für lange Segmente, was dazu führt, dass die reflektierte Kantenstörung während des Abtastfensters der Downstream-Empfänger auftritt und die Bitfehlerrate erhöht. Das vollständige Weglassen der Terminierung (offener Schaltkreis) führt zu Reflexionen mit voller Amplitude, die groß genug sein können, um den Logikschwellenwert nachgeschalteter Empfänger zu verletzen, was selbst bei kurzen Segmenten zu einem vollständigen Kommunikationsausfall bei hohen Baudraten führt.

Eine häufig missverstandene Regel besagt, dass Abschlusswiderstände nur an den beiden physischen Endpunkten des Hauptbuskabels installiert werden dürfen – niemals an Zwischenabgriffen, Stichleitungen oder T-Verbindungspunkten. Durch die Installation eines Abschlusswiderstands an einer Zwischenspur wird an diesem Punkt eine parallele Impedanz zur Erde eingeführt, wodurch die effektive Busimpedanz verringert wird und unabhängig vom Widerstandswert bei jedem Signalübergang eine Reflexion erzeugt wird. PROFIBUS-Repeater, die das Signal regenerieren und ein neues Bussegment aufbauen, müssen hinsichtlich der Terminierung als Segmentendpunkt behandelt werden – jede Seite des Repeaters ist ein separates Segment mit einem eigenen Paar Abschlusswiderständen an den Segmentendpunkten.

Umwelt- und mechanische Bewertungen für Feldbuskabel in rauen Industrieanlagen

Standard-Feldbuskabel, die für die Schalttafelverkabelung und leichte Industrieumgebungen konzipiert sind, sind ohne explizite Überprüfung der Umweltverträglichkeit nicht für die Installation in rauen Prozessanlagenumgebungen geeignet. Ölraffinerien, Chemiefabriken, Lebensmittelverarbeitungsbetriebe, Umspannwerke im Freien und Maschinen mit starken Vibrationen oder ständiger Kabelbewegung stellen mechanische und chemische Belastungen dar, denen Standard-Feldbus-Kabelummantelungen und Isoliermaterialien während der erwarteten Lebensdauer der Prozesssteuerungsinfrastruktur von 15 bis 25 Jahren nicht standhalten können. Die Auswahl von Feldbuskabeln mit geeigneten Umweltbewertungen für die Installationsbedingungen ist ebenso wichtig wie die Auswahl der richtigen elektrischen Spezifikation.

Anforderungen an die chemische Beständigkeit

In Prozessanlagenumgebungen sind Feldbuskabel Kohlenwasserstoffen (Ölen, Kraftstoffen, aromatischen Lösungsmitteln), alkalischen Reinigungsmitteln, Säuren und Dampf ausgesetzt, die jeweils bestimmte Mantelmaterialien unterschiedlich schnell abbauen. Standard-PVC-Ummantelungen weisen eine gute Beständigkeit gegenüber aliphatischen Kohlenwasserstoffen (Mineralöle, Diesel) auf, quellen jedoch in aromatischen Lösungsmitteln (Toluol, Xylol) stark auf und werden durch konzentrierte Säuren und Laugen angegriffen. Ummantelungen aus Polyurethan (PUR) bieten eine hervorragende Beständigkeit gegen Öle und Kraftstoffe, eine hervorragende Abriebfestigkeit und eine gute Flexibilität bei niedrigen Temperaturen – was sie zum bevorzugten Ummantelungsmaterial für Feldbuskabel in Werkzeugmaschinen- und Maschinenbauumgebungen macht, in denen Schneidflüssigkeiten, Hydrauliköle und Kühlmittel vorhanden sind. Allerdings ist PUR in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und hohen Temperaturen anfällig für Hydrolyse. Ein PUR-ummanteltes Feldbuskabel, das in einem dampfgereinigten Lebensmittelverarbeitungsbereich installiert ist, kann sich durch hydrolytische Kettenspaltung der Urethanbindung zersetzen, was dazu führen kann, dass der Mantel nach 3–5 Jahren reißt. Für dampfreinige Umgebungen sind vernetzte PE- oder Polypropylen-basierte Mantelmischungen mit nachgewiesener Hydrolysebeständigkeit trotz ihrer geringeren Abriebfestigkeit im Vergleich zu PUR besser geeignet.

Mechanische Haltbarkeit bei beweglichen Kabelanwendungen

In Roboterarmen, Schleppketten oder anderen sich ständig bewegenden Maschinen installierte Feldbuskabel müssen ihre elektrischen Parameter – insbesondere die charakteristische Impedanz und das Gleichgewicht der Signalpaarkapazität – während der gesamten mechanischen Lebensdauer des Kabels beibehalten. Impedanzänderungen, die durch Leitermigration verursacht werden (Adern verschieben ihre Position innerhalb des Mantels bei wiederholtem Biegen), verändern die Busabschlussbedingungen und können dazu führen, dass ein zuvor konformes Netzwerk nach längerem Betrieb Reflexionen und Kommunikationsfehler entwickelt. Feldbuskabel, die für Dauerbiegeanwendungen spezifiziert sind, verwenden feindrähtige Leiter der Klasse 6, Ummantelungen aus thermoplastischem Elastomer (TPE) oder PUR sowie Verseilgeometrien mit zentralen Füllstoffen, die eine Kernmigration verhindern. Der minimale Biegeradius für kontinuierliche Biegeanwendungen beträgt typischerweise das 7,5- bis 10-fache des Kabelaußendurchmessers, verglichen mit dem 4-fachen bei fester Installation. Das Überschreiten des Biegeradius bei fester Installation in einer Schleppkette führt dazu, dass der Mantel reißt und die Adern ihre Position innerhalb von 1 bis 3 Millionen Biegezyklen verschieben, weit weniger als die 10 Millionen Zyklen, die für industrielle Schleppkettenanwendungen erwartet werden.

Schutz vor Eindringen und Installation im Freien

Feldbuskabel, die im Freien oder in feuchten Industrieumgebungen installiert werden, müssen für die Einwirkung von Wasser ausgelegt sein, die über die Schutzart IP67 oder IP68 der angeschlossenen Geräte hinausgeht. Der Außenmantel des Kabels muss seine Integrität bewahren, wenn er UV-Strahlung, Regen, Temperaturschwankungen von –40 °C bis 90 °C und über dem Hintergrundniveau erhöhten Ozonkonzentrationen an Orten in der Nähe von Elektroentladungsgeräten ausgesetzt ist. UV-stabilisierte schwarze Polyethylenmäntel mit definiertem UV-Stabilisatorgehalt (typischerweise HALS mit 0,2–0,5 Gew.-% kombiniert mit Ruß mit 2–3 %) bieten eine ausreichende Außenstabilität für eine Lebensdauer von 20 Jahren. Der entscheidende Installationspunkt besteht darin, dass die UV-Beständigkeit des Kabels im Freien von der Integrität des Mantels abhängt – jede Oberflächenbeschädigung durch Abrieb, Nagetierbefall oder Installationsbelastung, die die darunter liegende Isolierung freilegt, zerstört den UV-Schutz an dieser Stelle und löst eine schnelle Photodegradation aus. Feldbuskabel für den Außenbereich in Installationen, bei denen das Risiko einer mechanischen Beschädigung besteht, sollten eine schützende Außenschicht aus Stahlband oder gewellter Stahlarmierung unter dem Mantel aufweisen, um eine durch Kontakt verursachte Beschädigung des Mantels zu verhindern.