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Neue Standards für Industrial Ethernet Richtig verkabeln will gelernt sein

25.08.2017

Die Verkabelungstechnik für Industrial Ethernet muss sich permanent weiterentwickeln, denn es entstehen zunehmend neue Anwendungsbereiche. Dabei schaffen neue Ethernet-Standards ein Gleichgewicht zwischen den Datenübertragungsraten und den applikationsspezifischen Anforderungen an die Verkabelungssysteme.

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

Das Ziel des Industrial Ethernet ist es nicht, einen einheitlichen und umfassenden Kommunikationsstandard zu schaffen. Es müssen maßgeschneiderte Lösungen für die effiziente Anbindung an übergeordnete IT-Systeme entwickelt, sowie der Weg für eine stabile Echtzeitkommunikation bei unterschiedlichen dezentralen Feldgeräten geebnet werden. Das Ethernet-Protokoll bietet immerhin durch seine anwendungsneutrale Infrastruktur die besten Voraussetzungen, um maßgeschneiderte Lösungen zum neuen Standard zu machen und neue Anwendungsbereiche zu erschließen. Die so geschaffene Anwendungsneutralität wird durch eine nahezu unbegrenzte Anzahl an Kommunikationsteilnehmern und durch unterschiedliche Übertragungsmedien wie etwa Kupfer und Funk erreicht.

Einsatzgebiete im Fokus

In der Vergangenheit beschränkte sich die Standardisierung auf die Vervielfältigung der Datenübertragungsraten, bei gleichzeitig erhöhten Anforderungen an die Verkabelungstechnik. Mittlerweile zeichnet sich ein gegenläufiger Trend ab. Denn die neuen Standards sind für eine geringere Datenübertragung. Diese bringen neben physischen Schnittstellen für High-Speed-Ethernet auch deutlich geringere Anforderungen an die Verkabelung mit sich. Somit rücken erstmals Einsatzgebiete und Anwendungen in den Fokus, die bislang durch das konventionelle Ethernet nicht abgedeckt wurden.

Im Jahr 2014 wurde hierfür die IEEE 802.3bp definiert. Der neue Standard 1000Base-T1-Ethernet, auch Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet (RTPGE) genannt, wurde hauptsächlich in der Automobilindustrie entwickelt. Die Spezifikationen gelten für verdrillte, ungeschirmte Aderpaare. Durch diese ist eine Datenübertragungsrate von bis zu 1 GBit/s über Segmentstrecken von 10 bis 40 Metern möglich. Mit dieser Lösung können exakt die Anforderungen abgedeckt werden, welche bisher beispielsweise im automobilen Infotainment durch serielle Bussysteme wie Media Oriented Systems Transport-Bus (MOST) gelöst wurden. Ein großer Vorteil des RTPGE liegt darin, dass die reduzierte Verkabelung die Materialkosten unmittelbar senkt. Das Resultat daraus ist, dass Hersteller das Gesamtgewicht eines Fahrzeugs und damit auch den Kraftstoffverbrauch stetig reduzieren können.

Lange Übertragungsstrecken

Aktuell wird die reduzierte Verkabelung von der Single Twisted Pair Ethernet Study Group betrachtet. Im Fokus ihrer Studie steht allerdings nicht das Gigabit-Ethernet, sondern besonders lange kupferbasierte Übertragungsstrecken von 1000 Metern und mehr. Und das bei einer vergleichsweise geringen Datenübertragungsrate von 10 MBit/s. Künftig können so weitere Anwendungsbereiche, wie beispielsweise in der Prozessautomation, abgedeckt werden, in denen das Industrial Ethernet bislang nicht zum Einsatz kam. Von der Automatisierungsseite wird hierbei vorwiegend auf klassische Feldbusse, wie Profibus PA oder Foundation Fieldbus gesetzt. Diese Protokolle ermöglichen die gleichzeitige Übertragung von Daten und Leistung. Und das sogar in explosionsgefährdeten Bereichen mit eigensicheren Anwendungen. Zirka 95 Prozent aller Applikationen setzen hier allerdings Stammleitungslängen von bis zu 1000 Metern voraus.

Für die „Eroberung“ dieser anspruchsvollen und hoch sicherheitsrelevanten Domäne durch das Industrial Ethernet bedarf es nicht nur neuer Kodierungs- und Modulationsverfahren des Physical Layers, sondern ebenfalls neuer Leitungstypen. Die Datensteckverbinder müssen als Schnittstelle aller Kommunikationsteilnehmer allerdings auch die hohen Anforderungen dieser Branche berücksichtigen. Neben den Anforderungen der Eigensicherheit im Ex-Bereich gehört auch die hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit dazu. Durch die Umsetzung des Standards IEEE 802.3 für 10 MBit/s-Ethernet wird sich zeigen, ob das Industrial Ethernet in Zukunft noch weitere Anwendungsbereiche wie beispielsweise die Gebäudeautomation, Beleuchtungsindustrie oder Energieerzeugung- und verteilung erschließt.

Neue Standards schließen Lücken

Im Mai 2015 wurden die Standards 2.5GBASE-T und 5GBASE-T definiert. Deren Zielsetzung ist einerseits die Leistungsreserven vorhandener Twisted-Pair-Verkabelungen für CAT5e und CAT6 auszunutzen und andererseits der Forderung nach höheren Datenraten gerecht zu werden. Die daraus entstandene Task-Force IEEE P802.3bz soll hierbei 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 Frequenzbereich 250 MHz ermöglichen. Die Lücke zwischen 1000BASE-T- und 10GBASE-T-Ethernet soll damit geschlossen werden. Die Spezifikation der maximalen Ethernet-Channel-Länge von 100 Metern wird aber unangetastet bleiben.

Damit die erhöhten Datenraten erreicht werden, definiert der Standard ISO/IEC TR 11801-9904 die neuen Grenzwerte der Übertragungsparameter. Zu diesen zählen auch die erweiterten Anforderungen an die Channel-Komponentenklassen für die Einfüge- und Rückflussdämpfung (Insertion Loss und Return Loss) sowie für das Nebensprechen (NEXT). Erste Überprüfungen der im Standard definierten Grenzwerte zeigen, dass die Verkabelungskomponenten von Phoenix Contact die erhöhten Anforderungen der neuen Ethernet-Standards erfüllen. Somit können Anwender mit gängigen Komponenten, wie Installations- und Patch-Kabeln oder Buchsenmodulen den Grundstein für ein zukunftssicheres Industrial Ethernet legen.

Fazit

Im Zuge der technischen Weiterentwicklung der physikalischen Schicht und der Datenkabel und Steckverbinder stieg infolgedessen die Nachfrage nach applikationsspezifischen Verkabelungslösungen für bekannte und neue Einsatzgebiete des Industrial Ethernets. Die Datenverkabelungslösungen von Phoenix Contact eigenen sich für eben diese hohen Datenraten, weite Übertragungsstrecken und besonders sicherheitskritische Anwendungen. Ermöglicht wird durch die Produkte eine rationelle und zuverlässige Verkabelung in neuen Awendungsbereichen, wie der Automobilindustrie oder der Prozessautomation.

Bildergalerie

  • Datenraten, Übertragungsstrecken und Sicherheitsanforderungen müssen auf die jeweilige Applikation abgestimmt werden.

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  • Schnellanschlusstechniken wie IDC (Insulation Displacement Connection) ermöglichen eine einfache Konfektionierung der Datensteckverbinder direkt im Feld.

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