NMEA2000-Netzwerk: Aufbau, Installation und Verkabelung

Was ist NMEA2000?

Allgemeine Informationen zu NMEA2000

Ist es möglich, die Navigationsinstrumente auf einer Yacht miteinander zu verbinden, um geräteübergreifend auf die verschiedenen Messdaten zugreifen zu können? In den achtziger Jahren gründete genau dazu ein Verband von Elektronikherstellern und -händlern der Schifffahrtsindustrie in den USA die National Marine Electronics Association (Nationale Vereinigung für Marineelektronik). Sie entwickelte gemeinsam das NMEA-Netzwerkprotokoll.

Mit NMEA können verschiedene Bordgeräte in einem Netzwerk miteinander kommunizieren. Üblicherweise werden Bordgeräte wie GPS, AIS oder Plotter verbunden. Es können aber auch reine Geber wie Logge, Tiefenmesser, Tankgeber oder ein Windsensor angeschlossen werden. Die Daten der NMEA-kompatiblen Geräte können dann auf verschiedenen Empfängern angezeigt oder auch zur weiteren Berechnung genutzt werden. So kann beispielsweise die Positionsangabe eines GPS auch von einem UKW-Funkgerät oder einem AIS genutzt werden und das, dank des genormten Netzwerkprotokolls, selbst dann, wenn die Geräte von unterschiedlichen Herstellern gebaut wurden.

Stark vereinfach dargestellt lässt sich das auf ein Computernetzwerk übertragen. Verbunden über ein Kabel oder das WLAN kommunizieren auch hier die Geräte verschiedener Hersteller wie ein PC, Drucker oder Internet-Router über ein genormtes Netzwerkprotokoll miteinander. NMEA ist jedoch wesentlich begrenzter, hier werden ausschließlich Daten übertragen. Bildansichten wie beispielsweise von einem Radar oder Fischfinder können nicht übertragen werden.

Unterschiede zwischen NMEA2000 und NMEA0183

NMEA2000 ist die Weiterentwicklung des 1983 entwickelten NMEA0183-Protokolls. Es wird auch N2K genannt. Mit NMEA2000 hat das System einen gewaltigen Innovationssprung erlebt. Es ist nicht nur fünfzigmal schneller als NMEA0183, es können auch bis zu fünfzig Geräte problemlos miteinander verbunden werden.

Die Zahl von bis zu fünfzig Geräten erscheint vordergründig hoch, ist aber gar nicht so unrealistisch, weil immer mehr Hersteller ihre Geräte um einen NMEA-Anschluss erweitern und der Bus zunehmend auch beim digitalen Schalten an Bord von Yachten eingesetzt wird. So können heutzutage beispielsweise auch Lampen ein- und ausgeschaltet, Soundanlagen über Plotter gesteuert oder Motorendaten wie Öldruck und Kühlwassertemperatur mit integriert werden.

Die Kommunikation im Netzwerk erfolgt bidirektional, das bedeutet, dass es mehrere Sender und Empfänger geben kann. Grund dafür ist die Nutzung des Controller Area Network (CAN-Bus). Das digitale CAN-Übertragungssystem wird nicht nur genutzt, um gleichzeitig mehrere Steuergeräte zuzulassen, es wurde auch zur Reduzierung der Anzahl von Kabeln in Fahrzeugen entwickelt. NMEA2000 läuft nur noch über ein fünfadriges Kabel. Zwei Leitungen dienen der Stromversorgung (folgendes Foto Nr. 1 + Nr. 2), zwei Leitungen übertragen die Daten (Nr. 3 + Nr. 4) und die fünfte Leitung dient der Abschirmung (Nr. 5).

Die geringe Anzahl an Leitungen macht die Installation eines NMEA2000-Netzwerks deutlich komfortabler als die eines NMEA0183-Netzwerks. Anstelle des mühsamen Verbindens mit mehrfarbigen und schwer zuzuordnenden Kabeln finden wir jetzt einfaches Plug and Play durch ein fertig konfektioniertes Stecker- und Kabelsystem. Wasserfeste Steckverbindungen ersetzen offene Kabelenden und eliminieren die lästige Verpolungsgefahr nebst Korrosion beim Einsatz in einer salzig-feuchten Umgebung. Auch die für NMEA0183 typischen Probleme, die aus unterschiedlichen Datenübertragungsgeschwindigkeiten (Baudraten) entstehen können, gehören mit NMEA2000 glücklicherweise der Vergangenheit an.

Ein weiterer Vorteil: Auf die alten Geräte müssen wir dennoch nicht verzichten. Geräte mit einer NMEA0183-Schnittstelle können über einen Adapter oder Multiplexer in ein NMEA2000-Netzwerk integriert werden.

Die Komponenten zur Installation eines NMEA2000-Netzwerks

Ein NMEA2000-Netzwerk besteht aus vier genormten Komponenten, die je nach Hersteller etwas unterschiedlich bezeichnet werden.

• Backbone / Stammleitung / Trunk
• Endwiderstand / Abschlusswiderstand / Terminator / Eingangswiderstand
• Spurkabel / Dropkabel / Stichleitung
• Stromversorgung

Backbone / Stammleitung / Trunk

Das Herz des Netzwerks ist die sogenannte Backboneleitung. Sie ist die Zentralleitung, über die die Daten aller angeschlossenen Geräte verteilt werden. Passend ist vielleicht der Vergleich mit einer Hauptstraße, auf der sich aus Nebenstraßen kommend immer mehr Verkehrsteilnehmer sammeln, um sie dann wieder in Richtung ihrer Ziele auf anderen Nebenstraßen zu verlassen.

Physisch besteht ein NMEA2000-Backbone aus mehreren T-Stücken oder Mehrfachverteilern, die zum einen miteinander verbunden und zum anderen an die Geräte angeschlossen werden. Die T-Stücke oder Mehrfachverteiler können entweder direkt miteinander verbunden werden oder, falls längere Distanzen überbrückt werden müssen, über ein NMEA2000-Netzwerkkabel verlängert werden. Der Abstand zwischen zwei T-Stücken darf maximal 100 Meter betragen, insgesamt darf die Backboneleitung nicht länger als 200 Meter sein.

Endwiderstand / Abschlusswiderstand / Terminator / Eingangswiderstand

Sowohl der Anfang als auch das Ende der Backboneleitung müssen durch einen vorgefertigten Widerstand terminiert werden. Bildlich können wir uns eine Wasserleitung vorstellen, an der an verschiedenen Stellen Wasser entnommen und hinzugefügt wird. Das Rohrsystem muss insgesamt geschlossen sein, um den Druck aufrechtzuerhalten. Es darf keine offenen Rohrenden geben. Der Widerstand ist sozusagen eine Kappe für ein offenes Rohrende.

Doch Achtung: Die Terminierungen müssen immer am Anfang und Ende einer Leitung angeschlossen werden. Wird ein Widerstand am Abzweig eines T-Stücks angeschlossen, funktioniert das System nicht. Es sollten nur Abzweige eingebaut werden, an die auch Geräte angeschlossen werden. Zu beachten ist auch, dass einige Geber oder Windsensoren eine eingebaute Terminierung haben, diese sollten dann immer an einem Ende der Backboneleitung angeschlossen werden. Bestehen Zweifel, ob eine Gerät eine Terminierung hat, lieber noch einmal in die Bedienungsanleitung schauen.

Spurkabel / Dropkabel / Stichleitung

Die Stichleitung ist das Verbindungskabel zwischen einem NMEA2000-fähigen Gerät und einem T-Stück oder Mehrfachverteiler. Damit werden die verschiedenen Displays, Instrumente, Geber und Sensoren an das NMEA2000-Netzwerk angeschlossen.

Vorsicht: Nicht alles, was nach NMEA2000 aussieht, ist auch zertifiziertes NMEA2000. Nicht alle Hersteller halten sich an die Normung der Anschlüsse an den Geräten. Gegebenenfalls müssen passende Adapter besorgt werden.

Stromversorgung / Netzkabel

NMEA2000-Netzwerke benötigen immer eine eigene, spannungsstabile 12(!)-Volt-Stromversorgung. Auf Yachten mit einer Bordspannung von 24 Volt muss eine 12-Volt-Versorgung hergestellt werden, da andernfalls die Netzwerkkomponenten Schaden nehmen können.

Die Stromversorgung erfolgt über ein eigenes NMEA2000-Netzkabel, das zwischen der Bordbatterie und dem Abzweig eines T-Stücks installiert wird. Um einer ungewollten Entladung der Bordbatterie zuvorzukommen, sollte ein Schalter in die Leitung integriert werden.

Um eine gleichmäßige Stromversorgung im Netzwerk zu gewährleisten, muss betrachtet werden, in welchem Bereich des Backbones das Stromkabel angeschlossen wird! Dazu mehr im Abschnitt „Praktische Umsetzung“.

Multiplexer

Ein Multiplexer kann als Adapter für ältere Bordgeräte mit der herkömmlichen NMEA0183-Schnittstelle genutzt werden. So kann beispielsweise ein älteres Seefunkgerät beim Auslösen der Distress-Taste im Seenotfall die Position eines GPS-Gerätes mit NMEA2000-Anschluss abgreifen.

WLAN

Auch kabellose Verbindungen sind weit verbreitet. Bei einem Multiplexer mit WLAN-Funktion werden die Daten des NMEA-Netzwerks in ein WLAN übertragen. Die Informationen der Bordinstrumente können dann beispielsweise auch in der Navigationssoftware auf einem Tablet oder Smartphone genutzt werden. Moderne Plotter machen den Multiplexer diesbezüglich jedoch zunehmend obsolet. In vielen aktuellen Modellen können die Daten direkt in einem WLAN bereitgestellt werden.

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Die praktische Umsetzung. Der Aufbau eines NMEA2000-Netzwerks

Wie bereits erwähnt ist einer der Hauptvorteile von NMEA2000 der einfache Aufbau durch Steckverbindungen. Dennoch ist es hilfreich, das Netzwerk zunächst einmal mit einer Skizze zu planen, um Fehler zu vermeiden und überflüssige Teile zu sparen.

Aufbau und Organisation des NMEA2000 Netzwerks

Grundsätzlich ist zu überlegen, welche Bordgeräte eigentlich miteinander kommunizieren sollen. Für welche Geräte brauche ich Adapter oder Anschlusskabel, um sie mit einem T-Stück verbinden zu können? Aus der Lage der Geräte an Bord ergibt sich dann, wo die Backboneleitung am sinnvollsten installiert werden kann, beziehungsweise wo sie an Bord entlangläuft und wie viele T-Stücke, Mehrfachverteiler und Verlängerungskabel insgesamt benötigt werden.

Wichtig ist, dass keine Anschlüsse an T-Stücken und Mehrfachverteilern offenbleiben. Die Abzweige an der Backboneleitung müssen durch Stichleitungen und die Stromversorgung belegt sein. Kommen in Zukunft neue Geräte hinzu, wird einfach ein neues T-Stück eingefügt. Anfang und Ende der Backboneleitung können entweder durch einen Widerstand oder einen Sensor mit internem Widerstand terminiert werden.

Wichtig: Über den Anschluss der Stromversorgung erfolgt in der Regel auch die Erdung des Netzwerks über den Negativpol der Batterie. Besser ist eine separate Erdung mit der am Kabel vorgesehenen Leitung.

Um eine gleichmäßige Stromverteilung zu gewährleisten, sollte sie möglichst in der Mitte der Backboneleitung installiert werden. Genauer ist es jedoch, den Spannungsabfall im geplanten NMEA2000-Netzwerk mit folgender Formel auszurechnen:

Spannungsabfall = Kabelwiderstand in Ohm pro Meter x Kabellänge zwischen der Stromversorgung zum am weitesten entfernten Gerät in Metern x Netzbelastung in Volt x 0,1

Der Kabelwiderstand wird vom Hersteller angegeben, ein Garmin-Kabel hat beispielsweise einen Widerstand von 0,053 Ohm. Bei der Distanz von der Batterie zum entferntesten Gerät müssen, neben der Backboneleitung, auch die Stichleitung und das Stromkabel berücksichtigt werden. Die Netzbelastung kann durch die von den Geräteherstellern angegebene Load Equivalency Number (LEN-Wert) ermittelt werden. Die Summe der LEN-Werte der im Netzwerk installierten Geräte ergibt die Netzbelastung.

Wenn der Spannungsabfall insgesamt weniger als drei Volt beträgt, kann die Stromversorgung überall im Netzwerk angeschlossen werden. Fällt er höher aus, muss der Stromanschluss mehr in die Mitte der Backboneleitung rücken und damit den Abstand der Stromversorgung zum am weitesten entfernten Gerät verringern. Achtung bei der Neuberechnung: Je nachdem, wie viele Geräte jetzt noch zwischen Stromanschluss und am weitesten entfernten Gerät an der Backboneleitung angeschlossen sind, verändert sich auch die Netzbelastung.

Die Grafik zeigt ein Beispiel: Es befinden sich drei Geräte mit den LEN-Werten 4, 5 und 7 im Netzwerk, es ergibt sich also eine Gesamtnetzbelastung von 16. Das am weitesten entfernte Gerät wird durch ein Stromversorgungskabel (Netzkabel) von 2 Metern Länge, zwei Backbonekabeln von je 20 Metern und 10 Metern und einem Stichkabel von 6 Metern verbunden. In der Summe ergibt sich eine Distanz von 38 Metern. Der Widerstand der verwendeten Kabel beträgt 0,053 Ohm. Die Formel würde also so aussehen: 0,053 Ohm x 38 Meter x 16 Gesamtnetzbelastung x 0,1 = 3,22 Volt Spannungsabfall. Der Spannungsabfall zum am weitesten entfernten Gerät wäre also zu hoch.

Wird die Spannungsversorgung in der Mitte installiert, verringert sich die Distanz. Auch der LEN-Wert verändert sich, je nachdem, wie viele Geräte in der jeweiligen Richtung angeschlossen sind. Doch aufgepasst: Ist ein T-Stück mit Gerät direkt mit dem T-Stück mit der Stromversorgung verbunden, zählt der LEN-Wert dieses Geräts in beide Richtungen.

Das zweite Beispiel zeigt eine optimierte Variante. Jetzt schließen wir die Stromversorgung im selben Setup in der Mitte mit einem 2 Meter langen Kabel an ein T-Stück an. Es folgen das 20-Meter-Kabel und ein 2-Meter-Stichkabel zum entferntesten Gerät mit dem LEN-Wert von 4. In die andere Richtung folgt direkt ein T-Stück mit dem Gerät mit dem LEN-Wert von 5, es zählt also in beide Richtungen. Das am weitesten entfernte Gerät mit dem LEN-Wert 7 kommt auf eine Gesamtkabellänge von 18 Metern. Nun müssen wir in beide Richtungen rechnen:

a) 0,053 Ohm x 24 Meter x 9 Gesamtnetzbelastung x 0,1 = 1,15 Volt Spannungsabfall
b) 0,053 Ohm x 18 Meter x 12 Gesamtnetzbelastung x 0,1 = 1,15 Volt Spannungsabfall

Beide Werte sind im tolerierbaren Bereich.

Typische Fehlerquellen im NEMA2000 Netzwerk

Kommt es zu Fehlfunktionen in einem neu installierten NMEA2000-Netzwerk, sollten folgende Punkte noch einmal kontrolliert werden:

• Sind alle Geräte NMEA2000-kompatibel oder mit entsprechenden Adaptern versehen?
• Sind die Stichleitungen nur an den Abzweigungen der T-Stücke und Mehrfachverteiler installiert?
• Ist die Backboneleitung terminiert?
• Sind die jeweiligen Stichleitungen nicht länger als sechs Meter?
• Ist die Kabellänge zwischen den T-Stücken nicht länger als 100 Meter?
• Übersteigt die Backboneleitung insgesamt nicht eine Länge von 200 Metern?
• Ist die Stromversorgung gleichmäßig und eingeschaltet?
• Ist das Netzwerk geerdet?

Sollten einzelne Geräte nicht funktionieren, hilft auch ein Blick in die Geräteliste. Hier kann erkannt werden, ob alle Geräte angemeldet sind. Techniker haben zudem die Möglichkeit ähnlich wie beim Auto auszulesen.

Kommt es zu Fehlfunktionen in einem NMEA2000-Netzwerk, welches schon einmal funktioniert hat, bitte als erstes den Sitz der Stecker überprüfen. Auch Korrosion an den Steckern oder am Batterieanschluss sowie Kabelbrüche durch unbemerkte mechanische Belastungen können zu Problemen führen. Sehr häufig sind Brüche durch Verformungen von T-Stücken, die Hitze ausgesetzt sind. Beispielsweise wenn sie nah unter der Decke oder in der Nähe des Kühlkompressors oder der Heizung verlegt sind. Hier hilft eine ordnungsgemäße Verschraubung mit den an den T-Stücken vorgesehenen Löchern.

Fazit

Auch Yachten werden immer vernetzter und durch NMEA2000 ist die Vernetzung deutlich einfacher geworden. Komfortable Steckverbindungen ersetzen lästiges Verkabeln und auch die Einstellungen an den Geräten sind einfacher geworden. Das Verständnis der wenigen Fehlerquellen vorausgesetzt, ermöglicht es auch Laien, die Bordgeräte sinnvoll zu vernetzen. Auch die Hersteller haben das erkannt. So können mittlerweile auch immer mehr Schaltprozesse auf modernen Yachten über NMEA2000 ferngesteuert oder gar intelligent überwacht werden. Auch moderne Dieselmotoren können durch nur eine Kabelverbindung mit der Blackbox, beispielsweise auf dem Plotter oder Tablet, überwacht werden. Der Kauf von Extrasensoren entfällt. NMEA2000 ist ein zukunftsweisendes System, das nicht nur vieles vereinfacht, sondern auch neugierig auf kommende Innovationen im Yachtbereich macht!