Phoenix Contact / Industrial-Ethernet Maßgeschneiderte Kabel als Standard

Wegen immer neuer Anwendungsbereiche müssen Anbieter von Industrial-Ethernet ihre Verkabelungstechnik permanent weiterentwickeln. Daher gelten in jenem Bereich maßgeschneiderte Lösungen als der neue Standard.

von Tim Kindermann, Produktmarketing Industrie-Datensteckverbinder bei Phoenix Contact.

Spätestens seit der Einführung echtzeitfähiger Protokolle wie Profinet, Ethernet/IP oder Ethercat ist das Industrial-Ethernet zum festen Bestandteil der Automatisierungstechnik geworden. Doch dort gelten andere Anforderungen an die Datenübertragungsraten und -strecken. Je nach Einsatz in der Leit-, Steuer- oder Feldebene sowie der Branche unterscheiden sich diese Anforderungen zudem noch grundlegend. 

Ziel von Industrial-Ethernet sind maß­geschneiderte Lösungen, sodass sich die Automatisierungssysteme effizient an übergeordnete IT-Systeme anbinden lassen und unterschiedliche dezentrale Feldgeräte stabil in Echtzeit miteinander kommunizieren können. Dank seiner anwendungsneutralen Infra­struktur bietet das Ethernet-Protokoll gute Voraussetzungen dafür, maßgeschneiderte Lösungen zum neuen Standard zu machen und so neue Anwendungsbereiche zu erschließen. Anwendungsneu- tral wird die Infrastruktur durch die nahezu unbegrenzte Anzahl möglicher Kommu­nikationsteilnehmer sowie durch die un­terschiedlichen Übertragungsmedien wie Kupfer, Lichtwellenleiter und Funk.

Bislang beschränkte sich die Standardisierung auf höhere Datenraten und höhere Anforderungen an die Verkabelungstechnik. Die Anforderungen wurden bei der kupferbasierten Verkabelung durch immer höhere Leistungsklassen definiert – den so genannten Categories. Mittlerweile zeichnet sich ein gegenläufiger Trend ab: Neben neuen physischen Schnittstellen (PHY) für schnelles Ethernet mit Übertragungsraten von 25 Gbit/s, 50 Gbit/s oder 100 Gbit/s bringen neue Standards für geringere Datenübertragungsraten auch deutlich geringere Anforderungen an die Verkabelung mit sich. Erstmals rücken so Einsatzgebiete und Anwendungen in den Fokus, die das konventionelle Ethernet bislang nicht abdecken konnte. 

Reduzierte Verkabelung 
 
So wurde 2014 die IEEE 802.3bp definiert. Dieser neue Standard beschreibt ein 1000Base-T1-Ethernet, das auch als RTPGE (Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet) bekannt ist. Diese Technologie wurde hauptsächlich in und für die Automobil­industrie entwickelt. Die Spezifikationen gelten für verdrillte ungeschirmte Aderpaare, mit denen eine Datenübertragungsrate von bis zu 1 Gbit/s über Segmentstrecken von zehn bis 40 Metern erzielt werden kann. 

Eine solche reduzierte Verkabelung betrachtet aktuell auch die Single Twisted Pair Ethernet Study Group. Hier steht jedoch nicht das Gigabit-Ethernet im Fokus, sondern besonders lange kupfer­basierte Übertragungsstrecken von tausend Metern und mehr – bei einer vergleichsweise geringen maximalen Datenübertragungsrate von 10 Mbit/s. So lassen sich zukünftig weitere Anwendungsbereiche abdecken, in denen das Industrial-Ethernet bislang nicht zum Einsatz kam, beispielsweise in der Prozessautomatisierung. Dort setzen die Anwender vorwiegend auf klassische Feldbuslösungen wie Profibus PA oder den Foundation Fieldbus. Mit diesen Protokollen lassen sich gleichzeitig Daten und Leistung selbst in explosionsgefährdeten Bereichen mit eigensicheren Anwendungen übertragen. Etwa 95 % aller Applikationen in diesem Bereich setzen Stammleitungslängen von bis zu 1000 Metern voraus.

Damit Industrial-Ethernet auch diese anspruchsvolle und sicherheitsrelevante Domäne erobern kann, bedarf neuer Codierungs- und Modulationsverfahren des PHY sowie neuer Leitungstypen. Auch die Datensteckverbinder als Schnittstelle aller Netzteilnehmer müssen die hohen Anforderungen dieser Branche berücksichtigen. Neben den Anforderungen der Eigensicherheit im Ex-Bereich gehört auch die hohe Stoß- und Vibrationsfestigkeit dazu. Die Umsetzung des Standards IEEE 802.3 für 10-Mbit/s-Ethernet wird zeigen, ob das Industrial-Ethernet in Zukunft noch weitere Anwendungsbereiche erschließt – etwa die Gebäudeautomatisierung, die Beleuchtungsindustrie sowie die Energieerzeugung und -verteilung. 

Neue Standards schließen Lücken 

Um einerseits die Leistungsreserven vorhandener Twisted-Pair-Verkabelungen für CAT5e und CAT6 zu nutzen und andererseits der Forderung nach höheren Datenraten gerecht zu werden, wurden im Mai 2015 zwei Standards definiert: 2,5GBase-T und 5GBase-T. Das Ziel der daraus entstandenen Task-Force IEEE P802.3bz ist es, eine Datenrate von 2,5 Gbit/s über eine Cat5e-Verkabelung im Frequenzbereich 100 MHz sowie eine Datenrate von 5 Gbit/s über eine Cat6-Verkabelung im Frequenzband 250 MHz zu ermöglichen. Damit soll die Lücke zwischen 1000Base-T- und 10GBase-T-Ethernet geschlossen werden. Die Spezifikation der maximalen Ethernet-Channel-Länge von 100 Metern soll aber unangetastet bleiben (Bild 1). 

Der Standard ISO/IEC TR 11801-9904 (Technical Report) definiert neue Grenzwerte der Übertragungsparameter, um diese erhöhten Datenraten erreichen zu können. Hierzu zählen erweiterte Anforderungen an die Channel-Komponentenklassen für die Einfüge- und Rückflussdämpfung sowie für das Nebensprechen (Near-End Cross Talk). Erste Prüfungen der im Technical Report definierten Grenzwerte zeigen, dass die Verkabelungskomponenten von Phoenix Contact die erhöhten Anforderungen der neuen Ethernet-Standards bereits heute erfüllen. Anwender können also mit gängigen Komponenten wie  Installations- und Patch-Kabeln, RJ45-Steckverbindern oder Buchsenmodulen den Grundstein für ein zukunftssicheres Industrial-Ethernet legen (Bild 2).

»RJ45 Industrial«-Varianten für unterschiedliche Schutzarten 

Das RJ45-Steckverbinderprogramm von Phoenix Contact erfüllt die erhöhten Anforderungen im industriellen Umfeld. So sind die neuen Industriesteckverbinder besonders stoß- und vibrationsfest, und sie eignen sich dank ihrer 360°-Schirmung auch für Bereiche mit starker elektromagnetischer Störstrahlung. 

Die Vollmetall-Steckverbinder sind als einteilige IP20-Ausführung sowie als Variante mit der Bezeichnung »Push-Pull Advance« in Schutzart IP65/67 erhältlich. Der spezielle Verriegelungsmechanismus der Variante Push-Pull Advance bietet erhöhten Schutz gegen unbeabsichtigtes Lösen der Steckverbindung. Diese Steckverbinder werden ohne Spezialwerkzeug direkt im Feld konfektioniert und sie decken einen Aderquerschnitt von AWG26 bis AWG22 ab.