Rundsteckverbinder der Bauform M8 sind seit vielen Jahren fester Bestandteil der Sensor-Aktor-Verkabelung. Neben ihrer kompakten und robusten Bauweise bieten sie diverse weitere Vorteile:

• Tauglichkeit für die Schutzart IP 65/67,
• verschiedene Bauformen für unterschiedliche Umweltbedingungen und Einbausituationen,
• vielfältige Anschlusstechniken zur Konfektionierung im Feld
• sowie vorkonfektionierte Lösungen.

Viele Anwender möchten diese Steckverbinder daher auch für die ethernetbasierte Kommunikation in der dezentralen Automation einsetzen – wie ihre größeren Geschwister, die M12-Steckverbinder. Auf diese Weise ließe sich die Baugröße von Feldgeräten – wie etwa Remote-IOs und Ventil-Inseln – deutlich verringern.
Welche Anforderungen werden aus technischer Sicht an M8-Stecker im Ethernet-Umfeld gestellt? Die Basis für die Auslegung von Ethernet-Übertragungsstrecken ist heute der Aufbau einer Kommunikationsstrecke gemäß den Standards der anwendungsneutralen Verkabelung nach ISO/IEC 11801 für den Büro- und ISO/IEC 24702 für den Industriebereich.

Bei der generischen Verkabelung können zwei Leitungstypen und vier Steckverbindungen eingesetzt werden.

© Phoenix Contact

Ein Kernelement in diesem Zusammenhang ist das Zusammenspiel des Channels als Gesamtheit aus der Übertragungsstrecke, den verwendeten Komponenten und der Referenz-Implementation. Um den Channel so einfach wie möglich zu planen, wurde das Modell der Referenz-Implementation geschaffen. Darin ist definiert, dass beim Einsatz von Komponenten einer bestimmten Kategorie sowie bei Beachtung einiger Aufbauregeln ein so genannter „Channel“ einer bestimmten Klasse erreicht wird. Voraussetzung dafür ist, dass die Installation ordnungsgemäß erfolgt. Um einen Channel zu planen, ist zunächst festzulegen, bis zu welcher Übertragungsfrequenz dieser geeignet sein soll. Unterschiedliche Übertragungs-Bandbreiten werden so in verschiedene Klassen (Class) eingeordnet, wobei heute die Mindestanforderung für 100 MHz bei Class D liegt.

Innerhalb eines Channels dürfen maximal vier Steckverbindungen angeordnet werden, die über zwei Leitungstypen mit unterschiedlicher Qualität miteinander verbunden sind: Zum einen die Leitungen für die Horizontal-Verkabelung und zum anderen die Leitungen für die flexible Verkabelung – die so genannten Cords –, die weniger anspruchsvolle Parameter besitzen. Außerdem darf die Länge des Horizontalkabels (Horizontal Link) maximal 90 m und die Summe der Länge aller Cords maximal 10 m betragen.

Eine weitere, insbesondere im industriellen Umfeld wichtige Voraussetzung ist, dass diese Fähigkeiten der Referenz-Implementation nur bei einer Umgebungstemperatur von bis zu +40 °C gelten. Dabei kommt es darauf an, dass die Bedingungen der Referenz-Implementation eingehalten werden, und dass die eingesetzten Komponenten eine bestimmte Qualität aufweisen. Nur dann ist die geforderte Channel-Leistung mit der entsprechenden Kategorie – kurz „Cat“ genannt – erreichbar. Mit Komponenten gemäß Cat 5 ist es dann möglich, in einer 4-poligen Ausführung Ethernet nach 100Base-T und in einer 8-poligen Ausführung 1000Base-T in einem nach der Referenz-Implementation aufgebauten Channel der Class D zu übertragen. Dabei werden alle Versionen des Industrial Ethernet abgedeckt.

Industrial Ethernet stellt hohe Ansprüche

Die jeweils von einer Nutzerorganisation wie der PNO (Profibus Nutzerorganisation) oder der ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) unterstützten Ausführungen des Industrial Ethernet sind bezüglich der Verkabelungstechnik so aufgebaut, dass mit den von ihnen definierten Komponenten und Auslegungsregeln stets ein Channel als Übertragungsstrecke aufgebaut werden kann. Dazu müssen die Komponenten eine definierte Übertragungs-Qualität sowie Aufbauregeln einhalten, die den Normen der anwendungsneutralen Verkabelung entlehnt sind. Meist wird hier ebenfalls eine Channel-Länge von 100 m mit Cat 5-Komponenten erreicht, um Ethernet gemäß 100Base-T zu übertragen.

Im Industrial Ethernet sind Channel mit einem Leitungstyp und vier Steckverbindungen populär.

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Darüber hinaus stellen einige Systeme, wie etwa Profinet, bei der Definition der verwendeten Leitungen höhere Ansprüche an das Dämpfungsverhalten und an die Schirmqualität. So soll deren Nutzung im industriellen Umfeld – auch bei höheren Temperaturen und EMV-Einflüssen als von der ISO/IEC 11801 vorgesehen – ohne aufwendige Berechnungen möglich sein. Außerdem werden hierdurch teilweise die Restriktionen der Referenz-Implementierung überwunden; der Anwender kann seinen Channel ohne Unterscheidung zwischen Cords und Horizontal-Verkabelung aufbauen.

Die Modelle sind darauf angelegt, die seitens der IEEE 802.3 geforderten Eigenschaften für die Übertragung von beispielsweise 100Base-T mit unterschiedlichen Leitungstypen, Längenabschnitten und Steckverbindungen im Channel zu ermöglichen. Ethernet lässt sich aber auch anders übertragen. Solange die in IEEE 802.3 definierten Grenzwerte – die sich ebenso in den Grenzwerten der Channel gemäß ISO/IEC 11801 widerspiegeln – eingehalten werden, ist die Übertragung sicher; und zwar unabhängig von den im Channel verwendeten Komponenten.
Mit diesem Ansatz ist es möglich, selbst von den oben aufgeführten Standards abweichende Komponenten einzusetzen und damit die Grenzwerte des Channels einzuhalten. Dies ermöglicht eine sichere Datenübertragung nach den Anforderungen der IEEE 802.3. Voraussetzung hierfür ist lediglich die sorgfältige Auswahl und Qualifizierung der für diese Channels eingesetzten Komponenten sowie des Gesamtsystems.

Im Gegensatz zum Büro-Umfeld mit seinen zentralen Switches, von denen die Verkabelung sternförmig zu den einzelnen Arbeitsplätzen führt, wird im Industrie-Umfeld oft eine Linientopologie errichtet, bei der die einzelnen Teilnehmer untereinander verbunden sind. Eine Vielzahl von Channels im Maschinen- und Anlagenumfeld benötigen daher nicht die mögliche Streckenlänge von 100 m, sondern nur eine deutlich kürzere Strecke von Gerät zu Gerät. Außerdem sind Steckverbindungen innerhalb des Channels hier zumeist nicht erforderlich ((überflüssig)), da die Geräte direkt mit einer Leitung untereinander verbunden sind. Konsequenterweise bieten sich für diese Einsatzgebiete Systeme an, die lediglich in ihrer Gesamtheit die Channel-Grenzwerte einhalten. Kommen hier M8-basierte Steckverbinder-Systeme zum Einsatz, kann der Anwender zusätzlich noch von deren Industrietauglichkeit und Miniaturisierung profitieren.