Schlüsselkomponente in der industriellen Übertragungstechnik

Single Pair Ethernet vs. Feldbussysteme

| Autor / Redakteur: Uwe Widmann (Red.: Kristin Rinortner) / Andreas Donner

Next Generation Ethernet Cable: Welchen Einfluss hat Single Pair Ethernet auf Leitungen und Steckverbinder?
Next Generation Ethernet Cable: Welchen Einfluss hat Single Pair Ethernet auf Leitungen und Steckverbinder? (Bilder: Belden)

Schafft Single Pair Ethernet den Durchbruch in der Feldebene bis zum Sensor und verdrängt klassische Feldbussysteme? Welchen Einfluss nimmt Single Pair Ethernet auf Leitungen und Steckverbinder?

Der ungebrochene Trend zur Digitalisierung wird zukünftig alle Bereiche von Smart Factory und Smart Building über Smart Home und Automotive bis hin zu Transportation und viele weitere Anwendungsbereiche erfassen. Das Cyber Physical System (CPS) ermöglicht die Verbindung von Informationen/Software mit elektromechanischen Komponenten.

Zur Realisierung eines CPS wird eine leistungsfähige und robuste Dateninfrastruktur benötigt, welches über die Ethernet-Technologie nach IEEE 802.3 realisiert werden kann.

Seit der Veröffentlichung des ersten Ethernet-Standards 10BASE-T in den 1990 Jahren durch die IEEE 802.3 hat sich die Ethernet-Technologie rasant entwickelt. Bereits 1995 kamen die ersten Ethernet-CAT-5-Kabel nach TIA-568 A/B mit einer Übertragungsrate von 10 MBit/s auf den Markt und 1999 wurde der Standard 1000BASE-T veröffentlicht. CAT-6A-Leitungen für 10GBASE-T gehören heute zum Standard in der Kabelindustrie.

Synchron zur technologischen Entwicklung der Ethernet-Technologie, welche hauptsächlich durch die beiden Organisationen IEEE 802.3 (Institute of Electrical and Electronics Engineers) und TIA (Telecommunications Industry Association) vorangetrieben werden, erarbeitet die IEC (International Electrotechnical Commission) und die angegliederten nationalen Komitees einheitliche Standards für die entsprechenden Leitungen und Steckverbinder.

Ein gutes Beispiel für eine erfolgreiche Standardisierungsarbeit ist die Normungsreihe IEC 60603-7 für die RJ45-Bauartspezifikationen für geschirmte 8 polige Steckverbinder bis 2000 MHz und der Leitfaden ISO/IEC TR 11801-9901 für symmetrische Verkabelung zur Unterstützung von Datenraten bis mindestens 40 GBit/s.

Um die höheren Umweltanforderungen und Anforderungen an den IP-Schutz im industriellen Umfeld zu erfüllen, wurden M12-Datensteckverbinder mit D-Kodierung 2008 für Fast-Ethernet mit zwei Aderpaaren in die Rundsteckverbinder-Norm IEC 71076-2-101 aufgenommen und für die höheren Datenraten bis 500 MHz ein eigener Standard M12 mit X-Kodierung nach IEC 61076-2-109 mit vier Aderpaaren im Jahre 2014 veröffentlicht.

Die PI-Nutzerorganisation hat diese Standards in ihre PROFINET-Richtlinie für PROFINET Cabling and Interconnection Technology aufgenommen und für PROFINET spezifiziert. Mit TSN, Time Sensitive Networking nach IEEE 802.1 und IEEE 802.3, lassen sich zeit- und unternehmenskritische Nachrichten und anderer Datenverkehr gleichzeitig übertragen. Das ermöglicht definierte Reaktionszeiten und damit den Einsatz im industriellen Umfeld.

Ethernet von der Cloud bis zum Sensor

Um die Ethernet-Technologie von der Cloud bis zum Sensor durchgehend zu gestalten und bestehende Feldbussysteme wie Profibus in der Prozessebene abzulösen, bedarf es neuer Technologien mit kostengünstigen, miniaturisierten und standardisierten Komponenten.

Eine Schlüsselrolle in der Übertragungstechnik spielen dabei die neuen Single Pair-Ethernet-Leitungen (SPE). Die einpaarigen Single-Pair-Ethernet-Leitungen sind deutlich kompakter und günstiger in der Herstellung und weisen zudem ein deutlich geringeres Kabelgewicht auf (Tabelle 1).

Die SPE-Leitungen können sowohl im Büroumfeld als auch im Industriebereich in verschmutzten und rauen Umgebungen, fest installiert wie auch flexibel, eingesetzt werden. Für den Einsatzbereich in Gebäuden bieten sich LSZH-Leitungen (LSZH – low smoke zero halogen) an. Die raucharmen- und halogenfreien Leitungen bieten im Brandfall erhöhte Sicherheit und erfüllen die Anforderungen der Bauprodukteverordnung (EU) 305/2011.

Für Industrieanwendungen werden SPE-Leitungen mit PUR-Material angeboten. Durch die hohe Schirmabdeckung von 80% sind die geschirmten SPE-Leitungen in Applikationen mit hohen elektromagnetischen Störungen gut geeignet.

Die Schirmqualität wird durch die Kombination Schirmfolie und Schirmgeflecht deutlich verbessert. Die Produkte halten den Belastungen und Herausforderungen in der Automobil-, Gebäude- und Industrieumgebung stand. Die neuen einpaarigen Ethernet-Kabel bilden dabei keine Ausnahme. Für andere Applikationen bietet die Firma eine große Anzahl an unterschiedlichen Ethernet-Leitungen an.

Generische Verkabelung von Gebäuden

Um die Anforderungen aus der IEEE 802.3 zu erfüllen, wurde der Leitfaden für die generische Verkabelung für Gebäude um den Teil "ISO/IEC TR 11801 Teil 9906 – Technical Report: Balanced 1-pair cabling channels up to 600 MHz" erweitert und spezifiziert folgende drei Anwendungsfälle an den Kanal:

  • 10BASE-T1 nach IEEE P802.3cg: Datenraten bis 10 MBit/s; Bandbreite 0,1 bis 20 MHz; Reichweite bis 15/1000 m
  • 100BASE-T1 nach IEEE 802.3bw: Datenraten bis 100 MBit/s; Bandbreite 0,3 bis 66 MHz; Reichweite bis 15 m
  • 1000BASE-T1 nach IEEE 802.3bp: Datenraten bis 1000 MBit/s; Bandbreite 1 bis 600 MHz; Reichweite bis 15/40 m.

Für kurze Entfernungen können ungeschirmte SPE-Leitungen bis zu 15 m Leitungslänge verwendet werden. Solche Leitungen werden derzeit überwiegend im Fahrzeug eingesetzt. Die IEEE 802.3 bu spezifiziert die Übertragung von Daten und Power (PoDL – Power over Data Lines) über ein Aderpaar.

Um die gegenläufigen Anforderungen nach hohen Datenübertragungsraten und langen Übertragungsstrecken entsprechend der IEEE 802.3 zu erfüllen werden neue Kabelstandards benötigt. Im IEC-Komitee SC 46C werden derzeit vier neue Standards für SPE-Leitungen IEC 61156-11/-12/-13/-14 für feste und flexible Verlegung erarbeitet:

  • Symmetrische geschirmte SPE-Leitungen mit Übertragungseigenschaften bis 600 MHz bei einer Übertragungslänge bis 40 m; geeignet für den Standard IEEE 802.3 bp:
    – feste Verlegung: IEC 61156-11 CDV; geplante Veröffentlichung: Juli 2019
    – flexible Verlegung: IEC 61156-12 CD; geplante Veröffentlichung: Dezember 2020
  • Symmetrische geschirmte SPE-Leitungen mit Übertragungseigenschaften bis 20 MHz bei einer Übertragungslänge bis 1000 m; geeignet für den Standard IEEE P802.3cg:
    – feste Verlegung: IEC 61156-13 NP; geplante Veröffentlichung: Juli 2020
    – flexible Verlegung: IEC 61156-14; befindet sich derzeit in der Erstellung.

Die Anforderungen aus den SPE-Kabelnormen in Verbindung mit der ISO/TR 11801-9906 stellen hohe Anforderungen an die Qualität und den Aufbau der Single-Pair-Ethernet-Leitungen. SPE-Leitungen entsprechend dem Standard IEC 61156-11/-12 besitzen Aderdurchmesser zwischen 0,4 und 1,0 mm. Die SPE-Leitungen entsprechend IEC 61156-13 sind für Aderdurchmesser zwischen 0,64 und 1,7 mm spezifiziert. Die Leitungen sind für einen Einsatzbereich zwischen –20 und 60°C geeignet.

Steckverbinder für Single Pair Ethernet

Zum Anschluss der SPE-Leitungen an die Endgeräte werden Single Pair Ethernet Steckverbinder benötigt. IEEE 802.3 hat hierzu einen Arbeitsauftrag an die ISO/IEC JTC 1/SC 25 WG 3 erteilt entsprechende Steckverbinder vorzuschlagen und zu standardisieren. Um den unterschiedlichen Anforderungen in der Büro – und Industrieumgebung gerecht zu werden sind Steckverbindervarianten entsprechend den in der ISO IEC TR 29106 für M1I1C1E1 (IP 20) und M2I2C2E2 / M3I3C3E3 (IP 67) spezifizierten Umgebungsklassifikationen im Auswahlverfahren zu berücksichtigen.

Infolge der Bedeutung der SPE-Technologie für die unterschiedlichen Applikationsbereiche beteiligten sich an dem Auswahlverfahren zahlreiche Hersteller. In der Projektgruppe IEC SC 48B – PT 63171 werden die Steckverbindervarianten 1 bis 6 bearbeitet und standardisiert.

Neben einer reinen einpaarigen Verkabelungsstruktur besteht die Möglichkeit, eine vierpaarige Struktur aufzubauen um gleichzeitig vier Single-Pair-Ethernet-Kanäle in einer Leitung zu integrieren. Besonders im industriellen Umfeld, wo häufig viele Sensoren auf kleinstem Raum vorhanden sind, ermöglicht dies eine einfach strukturierte Verkabelung. Das im industriellen Umfeld (M2I2C2E2 / M3I3C3E3) entsprechend bewährte Design der M12- und M8-Steckverbinder, welche in der Variante 3; IEC 48B/2653/NP – IEC 63171-5 beschrieben sind, ermöglicht die Realisierung eines solchen Konzeptes.

IEC 63171: Anforderungen der SPE-Basisnorm

Alle SPE-Steckverbindervarianten müssen die Single-Pair-Ethernet-Grundanforderungen erfüllen, welche in der SPE-Steckverbinder-Basisnorm IEC 63171 „General Requirements and Test“ definiert werden. Um die Anforderungen des Marktes nach standardisierten Komponenten zu erfüllen, arbeiten Steckverbinder- und Kabelhersteller in internationalen und nationalen Standardisierungsgremien zusammen. Belden kooperiert in diesen Standardisierungsprojekten eng mit weiteren Experten zusammen und hat auf der electronica und SPS IPC Drives Ende 2018 SPE-Leitungen entsprechend dem Standard IEC 61156-11 und IEC 61156-13 vorgestellt.

Die Normungsarbeiten sind damit aber noch nicht beendet. Die Notwendigkeit nach höheren Datenraten, robusten und kostengünstigen Steckverbindern und Kabeln im Umfeld von Industrie 4.0 erfordern weitere technologische Anstrengungen und Standardisierungsarbeiten. In der IEEE P802.3 ch wurde eine Arbeitsgruppe Multi-Gig Automotive Ethernet PHY Task Force mit dem Ziel gegründet, den Standard IEEE 802.3 für größer 1 GBit/s für Automotive Ethernet weiterzuentwickeln.

Belden arbeitet bei der Weiterentwicklung der Single Pair-Technologie eng mit weiteren Unternehmen, z.B. Weidmüller, mit dem Ziel zusammen, die Single-Pair-Ethernet-Technologie für eine breite Anwendung, und damit auch für den Einsatz in der Feldebene, zu realisieren. Die Vorteile der SPE-Technologie in Bezug auf Miniaturisierung und Gewichtsreduktion verbunden mit einer einfachen Anschlusstechnologie machen diese Innovation für die Automatisierungstechnik, Prozessautomation, Gebäudeverkabelung, Bahntechnik, Automobilindustrie und für viele weitere Anwendungen interessant.

Über den Autor

Uwe Widmann arbeitet in der Abteilung Technologie & Standardisierung bei Belden Deutschland in Neckartenzlingen.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Elektronikpraxis.

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