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Maßgeschneiderte Industrial-Ethernet-Lösungen

Verkabelungssysteme für die Prozessindustrie
Maßgeschneiderte Industrial-Ethernet-Lösungen

Immer neue Anwendungsbereiche erfordern eine permanente Weiterentwicklung der Verkabelungstechnik für Industrial Ethernet. Dabei schaffen neue Ethernet-Standards ein Gleichgewicht zwischen den Datenübertragungsraten und den applikationsspezifischen Anforderungen an die kupferbasierten Verkabelungssysteme. Damit wird Industrial Ethernet auch für die Prozessautomation immer interessanter.

Ursprünglich in den 1980er-Jahren zur Spezifikation der Datenübertragung innerhalb lokal begrenzter Computernetzwerke – der LANs (Local Area Networks) – entwickelt, hat sich die Ethernet-Technologie vor allem in den vergangenen zehn Jahren rasant weiterentwickelt. Spätestens seit der Einführung echtzeitfähiger Protokolle wie Profinet, Ethernet/IP oder Ethercat ist das Industrial Ethernet zum festen Bestandteil der gesamten Automatisierungstechnik geworden. Hier gelten jedoch nicht nur andere Anforderungen an die Datenübertragungsraten und -strecken. Je nach Einsatz in der Leit-, Steuer- oder Feldebene sowie der Branche unterscheiden sich diese Anforderungen grundlegend.

Maßgeschneiderte Lösungen
Ziel des Industrial Ethernet kann es also nicht sein, einen einheitlichen umfassenden Kommunikationsstandard zu schaffen. Vielmehr müssen maßgeschneiderte Lösungen für die effiziente Anbindung an übergeordnete IT-Systeme sowie für die stabile Echtzeitkommunikation unterschiedlicher dezentraler Feldgeräte ermöglicht werden. Dank seiner anwendungsneutralen Infrastruktur bietet das Ethernet-Protokoll gute Voraussetzungen dafür, maßgeschneiderte Lösungen zum neuen Standard zu machen und so neue Anwendungsbereiche wie etwa die Prozessindustrie zu erschließen. Anwendungsneutral wird die Infrastruktur durch die nahezu unbegrenzte Anzahl möglicher Kommunikationsteilnehmer sowie durch die unterschiedlichen Übertragungsmedien wie Kupfer, Lichtwellenleiter und Funk.
In der Vergangenheit beschränkte sich die Standardisierung auf die Vervielfältigung der Datenübertragungsraten bei gleichzeitig erhöhten 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 – Physical Layer) für das High-Speed-Ethernet mit Übertragungsraten von 25, 50 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 bislang durch das konventionelle Ethernet nicht abgedeckt wurden.
Reduzierte Verkabelung
So wurde 2014 z. B. die IEEE 802.3bp definiert. Der neue Standard beschreibt das 1000Base-T1-Ethernet, das auch als RTPGE (Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet) bezeichnet wird. Diese Technologie wurde hauptsächlich in der Automobilindustrie entwickelt. Die Spezifikationen gelten für verdrillte ungeschirmte Aderpaare, mit denen eine Datenübertragungsrate von bis zu 1 GBit/s über Segmentstrecken von 10 bis 40 m erzielt werden kann. Damit sind exakt jene Anforderungen des Automobilbaus abgedeckt, die beispielsweise im automobilen Infotainment bislang durch serielle Bussysteme wie den Most(Media oriented systems transport)-Bus gelöst wurden. Der Vorteil des RTPGE liegt auf der Hand: Die reduzierte Verkabelung senkt unmittelbar die Materialkosten, und die Hersteller können das Gesamtgewicht des Fahrzeugs und damit auch den Kraftstoff-Verbrauch reduzieren.
Die reduzierte Verkabelung wird aktuell auch von der Single Twisted Pair Ethernet Study Group betrachtet. Hier steht jedoch nicht das Gigabit-Ethernet im Fokus, sondern besonders hohe kupferbasierte Übertragungsstrecken von 1000 m und mehr – bei einer vergleichsweise geringen Datenübertragungsrate von 10 Mbit/s.
So könnten künftig weitere Anwendungsbereiche abgedeckt werden, in denen Industrial Ethernet bislang nicht zum Einsatz kam – beispielsweise in der Prozessautomation. Automatisierer setzen hier bislang vorwiegend auf klassische Feldbuslösungen wie Profibus PA oder Foundation Fieldbus. Diese Protokolle ermöglichen die gleichzeitige Übertragung von Daten und Leistung selbst in explosionsgefährdeten Bereichen mit eigensicheren Anwendungen. Zirka 95 % aller Applikationen setzen hier Stammleitungslängen von bis zu 1000 m voraus.
Damit das Industrial Ethernet auch diese anspruchsvolle und hoch sicherheitsrelevante Domäne erobern kann, bedarf es nicht nur neuer Kodierungs- und Modulationsverfahren des Physical Layers sowie neuer Leitungstypen. Auch die Datensteckverbinder als Schnittstelle aller Kommunikationsteilnehmer müssen die hohen Anforderungen dieser Branche berücksichtigen. Neben den Anforderungen der Eigensicherheit im Ex-Bereich gehört auch die hohe Schock- 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 Gebäudeautomation, die Beleuchtungsindustrie oder die Energieerzeugung und -verteilung.
Neue Standards schließen Lücken
Um einerseits die Leistungsreserven vorhandener Twisted-Pair-Verkabelungen für Cat5e und Cat6 auszunutzen 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 Frequenzbereich 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 m soll aber unangetastet bleiben.
Der Standard (Technical Report) ISO/IEC TR 11801-9904 definiert neue Grenzwerte der Übertragungsparameter, damit diese erhöhten Datenraten erreicht werden. Hierzu zählen erweiterte Anforderungen an die Channel-Komponentenklassen für die Einfüge- und Rückflussdämpfung (Insertion Loss und Return Loss) sowie für das Nebensprechen (NEXT). 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.
Fazit
Mit der technischen Weiterentwicklung der physikalischen Schicht (Physical Layer) sowie von Datenkabeln und -steckverbindern steigt die Nachfrage nach applikationsspezifischen Verkabelungslösungen für bekannte und neue Einsatzgebiete des Industrial Ethernets. Neue Standards definieren Voraussetzungen, Grenzwerte und Prüfverfahren – und schaffen so die Grundlage für weltweit einsetzbare sichere Komponenten. Datenverkabelungslösungen von Phoenix Contact eignen sich für hohe Datenraten, weite Übertragungsstrecken oder besonders sicherheitskritische Anwendungen. Gleichzeitig ermöglichen die Produkte eine rationelle und zuverlässige Verkabelung in neuen Anwendungsbereichen wie etwa der Prozessautomation.
www.prozesstechnik-online.deSuchwort: cav0217phoenixcontact

Varianten für verschiedene Schutzarten

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Kurz und Bündig

Das robuste RJ45-Steckverbinderprogramm von Phoenix Contact erfüllt bereits heute die erhöhten Anforderungen im industriellen Umfeld. So sind die neuen Industrie-Steckverbinder besonders schock- und vibrationsfest, und sie eignen sich dank ihrer 360°-Schirmung auch für Bereiche mit erhöhter elektromagnetischer Störstrahlung. Die Vollmetall-Steckverbinder sind als einteilige IP-20-Ausführung sowie als Variante mit der Bezeichnung „Push-Pull Advance“ in Schutzart IP 65/67 erhältlich. Der spezielle Verriegelungsmechanismus der Variante Push-Pull Advance bietet einen erhöhten Schutz gegen unbeabsichtigtes Lösen der Steckverbindung. Der Steckverbinder kann ohne Spezialwerkzeug konfektioniert werden und lässt sich so einfach und zeitsparend direkt in die Feldverkabelung integrieren. Die Steckverbinder decken einen Aderquerschnitt von AWG26 bis AWG22 ab.

Tim Kindermann
Produktmarketing Industrie-Datensteckverbinder,
Phoenix Contact


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