Single Pair Ethernet Viele Gesichter, ein durchgängiger Standard

Industrial Ethernet über nur noch ein Adernpaar spart Aufwand und Kosten. Mehrere Unternehmenskooperationen bieten Lösungen am Markt. Im Vergleich dieser Entwicklungen wird künftigen Nutzern Aufklärung gegeben und ein Überblick zu Standards, Normen, technischen Grundlagen und Vorteilen verschafft.

Generationen von Anwendern haben gelernt, dass für Fast-Ethernet (10/100 Mbit/s) Verkabelungen mit zwei Adernpaaren und für Gigabit-Ethernet vier Adernpaare benötigt werden. Zusammen mit dem Wissen über die unterschiedlichen Komponenten-Kategorien für die jeweiligen Übertragungsgeschwindigkeiten von Cat. 5 bis zur neuen Cat. 8.1/8.2 ist dies das Handwerkzeug, um Datenverkabelungen zu planen, zu errichten und zu betreiben. Mit dem neuen Single Pair Ethernet (SPE) drängt nun eine Technologie in den Markt, die diese TCP/IP- basierten Datenströme auch über nur ein Adernpaar übertragen kann.

Im Rahmen dieser Entwicklung bedarf es neuer elektronischer Komponenten in den zukünftigen Geräten, wie etwa PHY‘s, magnetische Koppler und Gerätebuchsen, aber eben auch die Infrastruktur aus Steckverbindern und passenden Kabeln mit nur noch einem verdrillten Paar Kupferadern. Gerade im Bereich der Steckverbinder haben in den vergangenen Monaten mehrere Hersteller von Verbindungstechnik und Infrastruktur-Lösungen für diesen neuen Standard präsentiert. Dazu muss man sich vor Augen führen, dass SPE nicht einfach eine neue Schnittstelle für bekannte Ethernetverbindungen ist, sondern eine neue Technik, für die alle Komponenten neu festgelegt werden müssen. Für eine End-to-End-Verbindung müssen verschiedene Normen für Schnittstellen, Kabel und einen neuen Übertragungsstandard von Normengremien festgelegt werden.

Zentrale Rolle bei der Normierung nimmt ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 ein. Hier werden, basierend auf den IEEE 802.3-Standards, die Verkabelungsnormen nach der ISO/IEC 11801 erstellt und gepflegt (Bild 1). Dazu erfolgt ein enger Austausch und eine intensive Zusammenarbeit mit IEEE 802.3 und den Komitees für die Verkabelungskomponenten; dies gilt für die Kupferdatenkabel IEC SC46C und für die zugehörigen Steckverbinder IEC SC48B.

IEC 63171 – Normung von Single- Pair-Ethernet-Verbindungstechnik

Der erste SPE-Steckverbindernormenentwurf wurde 2016 von Harting im IEC Gremium SC48B eingereicht und als IEC 61076-3-125 bis zum CD-Dokument publiziert. 2017 wurde von der Firma Commscope ein weiteres SPE-Steckgesicht zur Normung eingereicht und anschließend vom Gremium beschlossen, für alle SPE-Steckverbinder die Normenreihe IEC 63171 zu erstellen. Dementsprechend wurde bei SC48B das Projektteam PT63171 ins Leben gerufen und mit der Erstellung dieser neuen Normenreihe beauftragt. Die bis zu diesem Zeitpunkt bereits in Arbeit befindlichen Normen werden als in sich geschlossene Dokumente fertiggestellt und später im Rahmen von Überarbeitungen in diese neue Normenreihe integriert.

Normenprojekte für SPE- Steckgesichter

IEC 63171 – Basisnorm mit allen notwendigen Spezifikationen und Prüfsequenzen (CD in Vorbereitung)

IEC 63171-1 – SPE-Steckverbinder der Firma CommScope auf Basis der LC- Verriegelung für M1I1C1E1-Anwendungen (CDV verfügbar)

IEC 63171-2 – SPE-Steckverbinder der Firma Reichle & De-Massari für M1I1C1E1 Anwendungen (CD verfügbar)

IEC 63171-3 – SPE Steckverbinder der Firma Siemon basierend auf einem Paar des Tera Steckverbinders für M1I1C1E1 Anwendungen (NP verfügbar)

IEC 63171-4 – SPE Steckverbinder der Firma BKS für M1I1C1E1 Anwendungen (NP verfügbar)

IEC 63171-5 – SPE-Steckverbinder der Firma Phoenix Contact basierend auf dem IEC 63171-2 Steckgesicht für M2I2C2E2 und M3I3C3E3 -Anwendungen (CD verfügbar)

IEC 63171-6 (bisher IEC 61076-3-125) – SPE-Steckverbinder der Firmen HARTING, Hirose und TE Connectivity für M2I2C2E2- und M3I3C3E3 -Anwendungen (CDV verfügbar, FDIS in Vorbereitung und finale Veröffentlichung 2019).

Die IEC 63171-1 (LC Style) und die IEC 63171-6 (Industrial Style) sind vollständige Normendokumente mit allen notwendigen Spezifikationen und Prüfsequenzen. Alle später begonnenen Normen beziehen sich auf die Basisnorm IEC 63171 und beinhalten nur die unterschiedlichen mechanischen Ausführungen.

Die Verkabelungsstandards für SPE

SPE und dafür normierte Steckverbinder fließen in die aktuellen Verkabelungsstandards mit ein. International betrifft das vor allem die Normenreihe für strukturierte Verkabelung nach ISO/IEC 11801:2017 und in ähnlicher Weise dann auch die europäische Normenreihe im CENELEC nach EN 50173. Hier wird SPE über Anhänge (Amendements) zuerst in den Teil 3 Industrieverkabelung einfließen. Zentrales Dokument für diese Anhänge ist das ISO/IEC 11801 TR9906 „Technical Report: Balanced 1-pair cabling channels up to 600 MHz“.

Die Implementierung von SPE in die ISO/IEC 11801 Dokumente ist deshalb so wichtig, da nur in dieser Norm die Verkabelungskanäle mit allen notwendigen Parametern (Länge, Anzahl Verbindungen, Bandbreite und das komplette Set an übertragungstechnischen Parametern einschließlich NEXT, FEXT, Schirmungseigenschaften usw.) mit Relation zur Umgebung – MICE beschrieben werden und damit dann auch nach Installation messtechnisch überprüfbar sind.

Parallel dazu werden auch die Installationsstandards für die Industrie als Basis für die Verkabelung von Automatisierungslösungen nach IEC 61918 (IEC SC65C) entsprechend angepasst. Die PI (mit Profinet nach IEC 61784-5-3) und ODVA (mit Ethernet/IP nach IEC 61784-5-2) wird sich aktiv an der Weiterentwicklung und Implementierung von Standards SPE beteiligen.

In Verbindung mit den Komponentenstandards zu Steckverbindern und Kabeln erhalten alle Anwender für SPE klare Richtlinien zum Aufbau und zur Überprüfung von entsprechenden Übertragungsstrecken. Diese Verkabelungen bleiben für 1 Gbit/s SPE erst einmal auf eine Reichweite von 40 m beschränkt. Für die 10 Mbit/s-Variante werden Reichweiten von 1000 m und darüber hinaus realisiert.

Weitere Papiere zu SPE-Verkabelungen mit Relevanz für die USA einschließlich Kanada und Mexiko werden bei ANSI/TIA-568.5 und TIA TR42.7 vorbereitet. In den TIA42-Papieren wird das über ein Addendum TIA-1005-A-3 aktualisiert. Inhaltlich sind all diese Ergänzungen weitestgehend deckungsgleich.

Diese Verkabelungsnormen liefern dem Anwender Informationen über die Struktur der Verkabelung, die einzusetzenden Verkabelungskomponenten zur Erreichung der Leistungsvorgaben und die Grenzwerte zur Überprüfung der Verkabelung. Somit sind sie wichtigstes Instrument zum Aufbau und zur Inbetriebnahme von SPE-Verkabelungen. Gleichzeitig stellen sie über die Referenzen zu den Komponentenstandards die Kompatibilität zwischen Geräten und Verkabelung sicher.

Diese Kompatibilität ist Grundvoraussetzung für die Funktion von Netzwerken und Verbindungen auf Basis SPE und damit Basis für IoT/IIoT. Der Einsatz anderer Verkabelungskomponenten, etwa in ISO/IEC 11801-3 Amd.1, ist zwar grundsätzlich möglich, allerdings dann nicht mehr normkonform und birgt das Risiko von Inkompatibilitäten und Funktionseinbußen. Deshalb haben ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA 42 Anfang 2018 internationale Auswahlprozesse zur Festlegung einheitlicher Schnittstellen gestartet. Diese beiden Auswahlprozesse wurden von der IEEE 802.3 mit initiiert, indem von dort eine Empfehlung für ein SPE MDI (SPE-Geräteschnittstelle) von ISO/IEC und TIA erbeten wurde.

An diesem Auswahlprozess haben sich über 20 nationale Expertengremien beteiligt. Im Ergebnis dieser Wahl haben sich zwei Steckgesichter durchgesetzt:

für die Gebäudeverkabelung (M1I1C1E1) das Steckgesicht nach IEC 63171-1

für die Industrie und industrienahe Anwendungen (M2I2C2E2 und M3I3C3E3) das Steckgesicht nach IEC 63171-6 (bisher IEC 61076-3-125).

Der Auswahlprozess bei TIA 42 hat die Ergebnisse von ISO/IEC bestätigt und damit besteht global Einigkeit über die SPE-Schnittstellen. Diese gewählten Steckgesichter werden jetzt in die jeweiligen internationalen Verkabelungsnormen eingearbeitet. Damit ist die Voraussetzung für den großflächigen Einsatz und somit für die erfolgreiche Vermarktung der SPE-Technologie mit der durchgängigen Kompatibilität von Geräten, Kabeln und Steckverbindern in unterschiedlichen Anwendungsfeldern gewährleistet und Planungssicherheit für alle Marktteilnehmer hergestellt.

Übertragungsstrecken bis 1000 m

Die heute bereits zur Verfügung stehende Ethernet-Technologie nach IEEE 802.3bp 1000BASE-T1 liefert 1 GBit/s Übertragungsgeschwindigkeit über nur ein Adernpaar Kupferverkabelung. Aktuell wird bei IEEE an einem weiteren Standard für noch höhere Datenraten bis 10 Gbit/s (IEEE 802.3ch) gearbeitet, der für hochauflösende Sensoren und Videoübertragungen benötigt wird. Außerdem wird ein Standard für nur 10 Mbit/s (IEEE 802.3cg) erstellt.

Dieser Standard hat auch für viele Bereiche der Industrie besondere Relevanz, da er Übertragungsstrecken bis 1000 m erlaubt und damit nahezu alle Feldbusse ersetzen kann. Darüber hinaus wurde im März 2019 auch eine weitere Arbeitsgruppe ins Leben gerufen, die sich mit Übertragungsraten oberhalb von 10 Gbit/s beschäftigt. Hier wurden 25 Gbit/s und 50 Gbit/s als Ziel ins Auge gefasst. Diese hohen Datenraten sind die Basistechnologie für autonomes Fahren und neue in Zonen eingeteilte Rechnerarchitekturen im Fahrzeug (Bild 2).

Daten und Stromversorgung

Wie auch bei den mehrpaarigen Verkabelungen gibt es analog zu Power over Ethernet (PoE) auch für SPE einen neuen Standard zur Fernspeisung, genannt PoDL (Power over Data Line). Diese Kombination von Daten und Energie durch sehr kleine Steckverbinder und einpaarige symmetrische Kabel unterstützt die Trends bezüglich Miniaturisierung, höherer Datenraten und Modularisierung für komplexere Anlagen – alles Voraussetzungen zur schnellen Entwicklung eines Marktes für SPE Anwendungen auch außerhalb von Fahrzeugen in der Industrie, Smart Cities und Buildings.

Damit hat die SPE Technologie innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne bereits die gleiche Leistungsfähigkeit wie das heute vorherrschende »Mehrpaarige Ethernet« (MPE) erreicht. Die einzige Einschränkung ist die derzeit eingeschränkte Reichweite für 100 Mbit/s und Gigabit-SPE (15 m bzw. 40 m), die aus den Anforderungen der Hauptzielgruppe in der Automotive Industrie resultiert.

Expertenmeinungen gehen davon aus, dass hier auch größere Übertragungslängen erreichbar sind. Bild 3 zeigt, welche erweiterten Übertragungslängen technisch möglich sind. Damit diese Erweiterungen der SPE-Standards bei IEEE 802.3 in Angriff genommen werden und insbesondere die Halbleiterindustrie in die Entwicklung dieser neuen Chipsätze investiert, bedarf es jedoch der Definition der hierfür geeigneten neuen Anwendungen und Marktpotentiale. Hierzu ist eine offene Zusammenarbeit aller Interessenten für die erweiterten SPE-Reichweiten notwendig.

Vergleich von MPE (4 Aderpaare) und SPE (1 Aderpaar)

Auch wenn für jetzige 4-paarige Datenverkabelungen wie auch für SPE verdrillte Adernpaare benötigt werden, sind die Anforderungen an die Verkabelung und Verbindungstechnik hinsichtlich Übertragungslänge mit den aktuell verfügbaren SPE-Übertragungsstandards sowie den HF-Anforderungen, was sich besonders am nötigen Bandbreitenbedarf zeigt, recht unterschiedliche.

Migration von MPE aus SPE (cable sharing)

Hohe Datenraten über ein Adernpaar: 4-paarige Verkabelungen für SPE mittels »cable sharing« zu benutzen, klingt hilfreich. In Sonderfällen ist dies zwar möglich, aber technisch und wirtschaftlich nicht sinnvoll. Zum einen erfordern SPE-Verkabelungen im Vergleich zu MPE höhere Bandbreiten, insbesondere beim Übersprechen und im Vergleich zu MPE mit 100 m Übertragungslänge gibt es bisher bei SPE erst kürzere Übertragungslängen von 40 m bei 1000BASE-T1 für geschirmte Kabel. Damit muss in diesem Migrationsszenario der Anwender die installierten Verkabelungen Strecke für Strecke neu für SPE überprüfen und in der Regel durch höher klassifizierte Kabel ersetzen. Damit ist auch die wirtschaftliche Sinnhaftigkeit solcher Nutzungskonzepte fraglich.

Um beispielsweise eine installierte Cat. 6A Verkabelung für 1000BASE-T1 zu qualifizieren, darf die Übertragungslänge 40 m nicht überschreiten, und die entsprechenden HF-Parameter müssen bis 600 MHz qualifiziert werden. Selbst wenn alles optimal passt, kann man dann mit SPE 4x 1 Gbit/s übertragen, obwohl diese Cat. 6A Verkabelungsstrecken heute mit 10 Gbit/s MPE genutzt werden können. Aus diesen Gründen sieht Harting die Einsatzfelder von SPE, speziell auf Industrieanwendungen bezogen, woanders.

Einsatzfelder

In Industrieanwendungen ist Ethernet von der Unternehmenszentrale bis in die Steuerungsebene durchgängig vertreten. Ab hier kommen aktuell meist Übersetzer und Gateways zum Einsatz, die die Verbindung an Feldbus-Systeme herstellen. Da jedoch auch in der Feldebene immer anspruchsvollere und leistungsfähigere Sensoren und Aktoren ihren Platz finden, ist der Bedarf für Ethernet in der Feldebene klar gegeben. Über SPE kann die Vielzahl an Feldteilnehmern platzsparend und kostengünstig mit Ethernet versorgt werden. Das macht Übersetzer und Gateways obsolet, macht jeden Sensor IP-adressierbar und mit TSN auch deterministisch: MPE bis AN die Feldebene und dann durchgängig mit SPE bis direkt IN die Feldebene. Der Claim »Vom Sensor bis in die Cloud« wird mit SPE Realität.

Das Steckgesicht nach IEC 63171-6

Durch den höheren genannten Bandbreitenbedarf steigen die HF-Anforderungen an die Kabel- und Verbindungstechnik, und ein sehr symmetrischer Aufbau der Steckverbinder ist notwendig, um die HF-Anforderungen zuverlässig zu erfüllen. Aus diesem Grunde sind die Kontakte beim T1-Industrial-Steckverbinder symmetrisch im vollständig geschlossenen Schirmgehäuse angeordnet. Somit heben sich die Koppelkapazitäten und -induktivitäten beider Leiter zur Schirmung oder der Leiterplatte auf und die differentielle Datenübertragung wird nicht gestört.

Ebenso sind beide Kontakte parallel zur Leiterplatte und nebeneinander angeordnet. Dadurch ist der Signalweg in beiden Leiterwegen identisch und Signallaufzeitunterschiede werden vermieden (Bild 4).

Kompatibilität und Aussicht

Gemäß den IEEE 802.3-Normen werden die größeren Reichweiten nur mit geschirmten Übertragungsstrecken erreicht. Aus diesem Grund und um auch in rauen Industrieumgebungen eine sichere Übertragung zu gewährleisten, wurde konsequent ein geschirmter Aufbau umgesetzt. Dabei dienen die Schirmbleche auch gleichzeitig der robusten mechanischen Verriegelung der IP20-Version. Mit dem metallischen Rasthebel wird dabei auch das beim RJ45 oft bemängelte Problem mit der defekten Verriegelung eliminiert. In industriellen Anwendungen haben sich M8- und M12-Rundsteckverbinder etabliert. Dementsprechend wurde das neue SPE-Steckgesicht als einheitlicher »Datencontainer« in die M8-Bauformen mit Schraub-, SnapIn- und PushPull-Verriegelung integriert.

Weiterhin sind auch M12-Bauformen mit Schraub- und PushPull-Verriegelung genormt, um insbesondere die großen Kabelquerschnitte für den 1000-m-10BASE-T1L-Kanal aufzunehmen. In allen Bauformen wird damit das gleiche Steckgesicht verwendet und somit können auch IP20-Steckverbinder zur Parametrierung oder für Prüfungen mit den IP65/67-Schnittstellen verbunden werden. Die Nutzung der weit verbreiteten M8/M12-Bauformen gewährleistet die optimale Marktakzeptanz und reduziert gleichzeitig die notwendigen Investitionskosten, da bei vielen Anbietern die entsprechenden Gehäusebauformen vorhanden sind.

Die Nutzung der identischen Buchsen- und Steckverbindereinsätze (»Datencontainer«) in allen Bauformen garantiert die einheitlichen technischen Kennwerte in allen Baureihen und schafft günstige Voraussetzungen für eine kosteneffiziente Fertigung durch Skaleneffekte. Damit steht mit den SPE-Schnittstellen nach IEC 63171-6 ein international genormtes Steckgesicht zur Verfügung, das die künftige Nutzung von SPE in industriellen Anwendungen unterstützt.

Durch Nutzung dieses genormten SPE-Datencontainers ist auch die Integration dieses IEC 63171-Steckgesichts in zahlreiche weitere Bauformen wie dem als neues Normenprojekt in Arbeit befindlichen Steckverbindersystem mit innenliegender M12-Push/Pull-Verriegelung oder auch weitere und noch zu entwickelnde Bauformen möglich.    sd