Twisted-pair – Totgesagte leben länger

Übersicht der IEEE-802.3-Standards für Ethernet über Twisted Pair Kabel.

© ethernetalliance.org

Als das Team um David Boggs und Robert Metcalfe in den 70er-Jahren Ethernet am Xerox Palo Alto Research Center (PARC) entwickelte, war noch nicht abzusehen, dass sich dieses Übertragungsverfahren so dynamisch entwickeln würde und bis heute die Datenübertragung weltweit dominiert. Das originale 10BASE5-Ethernet nutzte noch Koaxialkabel als gemeinsames Medium. Und auch wenn Funktechnik und optische Kabel von vielen als die zukünftige Übertragungstechnik beschworen werden, so sind heute die vielfach totgesagten Twisted-Pair-Kabel nach wie vor die am häufigsten verwendeten Übertragungsmedien.

Beginnend 1990 mit 10BASE-T, verzehnfachte sich etwa alle fünf Jahre die Datenübertragungsrate der IEEE-Standards über 100BASE-TX und 1000BASE-T bis zu 10GBASE-T. Diese Serie konnte für den Sprung auf 100GBASE-T zwar nicht fortgesetzt werden; dafür wurden 2016 aber gleich vier neue IEEE-Standards fertiggestellt. Um bereits installierte Cat.5/(5e)- und Cat.6-Netzwerke für höhere Datenraten – insbesondere zur Anbindung datenhungriger WLAN-Accesspoints – fit zu machen, wurden 2,5GBASE-T und 5GBASE-T spezifiziert. Alle diese Standards sind für Übertragungslängen bis 100 m einsetzbar und damit für klassische Gebäude- und Industrieverkabelung prädestiniert. Für die leistungsfähige Verkabelung in Rechenzentren kamen 25GBASE-T und 40GBASE-T für Übertragungslängen bis 30 m hinzu. Als nächste Schritte werden 50GBASE-T und sicher in naher Zukunft auch 100GBASE-T1 in Angriff genommen.

Bis 100BASE-TX erfolgt die Datenübertragung über zwei verdrillte Adernpaare. Dabei dient ein Paar zum Senden und das andere Paar zum Empfangen. Mit 1000BASE-T erfolgte der Übergang auf eine parallele, bidirektionale Datenübertragung über alle vier Adernpaare – sprich 250 bit/s pro Adernpaar. Die BroadR-Reach-Technologie von Broadcom nutzt diese bidirektionale Datenübertragung zur Übertragung von 100 Mbit/s Ethernet über nur ein verdrilltes Adernpaar.

Diese Technologie fand zuerst großes Interesse bei der Automobilindustrie, die insbesondere für Fahrer-Assistenz-Systeme und zukünftige autonome Fahrzeuge aber auch für Infotainment-Systeme einen kostengünstigen Ersatz für den immer noch dominierenden CAN-Bus benötigt. Ethernet über nur ein verdrilltes Adernpaar ist hierfür ideal. Es ist kostengünstig und im Vergleich zum CAN-Bus quasi gewichtsneutral. Dementsprechend wurden durch Arbeitsgruppen der IEEE 802.3 die neuen Standards 100BASE-T1 (IEEE 802.3bw) und 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp) spezifiziert.

Abweichend zu den Multipaar-Ethernet-Standards mit dem klar definierten RJ45-Steckverbinder (die richtige Bezeichnung lautet eigentlich 8P8C-Modularstecker), enthalten die einpaarigen Standards für T1-Ethernet allerdings keine Vorgaben zur Ausführung der Steckverbinder-Schnittstelle. Betrachtet man Fahrzeuge als abgeschlossene Systeme, macht diese Vorgehensweise Sinn, denn auch heute werden in Fahrzeugen verschiedener Hersteller unterschiedliche Schnittstellen verbaut. Für den Einsatz und die Verbreitung von T1-Ethernet in industriellen Applikationen oder der Gebäudeautomation mit einer Vielzahl von Marktteilnehmern ist jedoch genauso wie für 4-paariges Ethernet ein klar definierter Steckverbinder-Standard notwendig. Das gilt umso mehr für den aktuell in Arbeit befindlichen neuen Standard 10BASE-T1, der die Übertragung von 10 Mbit/s Ethernet über Strecken von bis zu 1000 Metern und noch darüber ermöglichen soll. Damit hat dieser neue Standard das Potenzial, alle heute verwendeten Feldbus-Systeme auf lange Sicht abzulösen. Dies gilt umso mehr, da analog zu PoE (Power over Ethernet) auch für das einpaarige Ethernet ein Power-Standard mit dem Namen ‚Power over Data Line‘ (PoDL) spezifiziert wird.

Konzept für einen T1-Steckverbinder in Schutzart IP20.

© Harting

Die Normierung eines einheitlichen T1-Steckgesichtes für steckkompatible IP20- oder IP65/67-Ausführungen ist folglich das Ziel eines gerade von Harting eingereichten IEC-Normenprojektes. Ausgangspunkt dieses Entwurfes ist ein geschirmter zweipoliger Steckverbinder mit aktiver und robuster metallischer Verriegelung. Genau dieses Steckgesicht findet sich in zwei runden IP65/67-Steckgesichtern wieder. Dabei wird für eine Variante eine Snap-In-Verriegelung aus Kunststoff vorgeschlagen, ähnlich wie sie für M8-Steckverbinder nach IEC 61076-2-104 genormt ist. Die zweite Variante ist nochmals robuster und basiert auf einer Push-Pull-Verriegelung aus Metall.

Eine weitere Expertengruppe arbeitet an einer entsprechenden IEC-Norm für T1-Kabel und ein Technical Report wird sich mit der Frage beschäftigen, wie T1-Ethernet-Verkabelungen aufzubauen sind. Nicht zuletzt wird sich – insbesondere unter dem Einfluss der Automobilindustrie – das Angebot für die notwendigen PHY-Chipsätze schnell erhöhen und zu günstigen Kosten verfügbar sein. Damit sind die beiden Lebensadern – Daten und Power – bis zu einem Leistungsbereich von aktuell 60 W mit einem Adernpaar realisierbar. Und mit Time Sensitive Networking (TSN) wird in absehbarer Zeit auch das letzte Problem des fehlenden Determinismus von Ethernet beseitigt sein.

Big Data durchs Nadelöhr

Um den M8 auch in der neuen Variante bei seinen Wurzeln als universelle Lösung zu be­lassen, ist die D-kodierte Variante ebenfalls nach IEEE 802.3. und der nach PAS IEC 61076-2-114 genormt.

© Harting

Wie schon mehrfach angeklungen: Die in der Automatisierungstechnik verwendeten Geräte wie etwa Kameratechnik, Sensorsysteme, Switches, I/O-Boxen oder dezentrale Industrie-PCs werden nicht einfach nur kleiner. Sie müssen daneben den gestiegenen Anforderungen der Digitalisierung gerecht werden und erzeugen mittlerweile schon deutlich mehr Daten als noch vor einigen Jahren.

Um auch Geräte bis in die letzten Winkel der Feldebene über Ethernet-basierte Systeme kommunizieren lassen zu können, kommen eigentlich nur zwei IP67-geschützte Lösungen in Frage: Ein zusätzlich in einem Gehäuse geschützter RJ45 oder ein M12-Rundsteckverbinder. Diese Steckverbinder sind klein, aber für viele Anwendungen mittlerweile trotzdem schon zu groß. Um ein Beispiel zu nennen: Manch moderne Industriekamera ist mittlerweile so klein, dass der Anschluss für Power und Daten die Miniaturisierung des Gehäuses begrenzt und den meisten Platz in der Applikation einnimmt.  

Dieser Herausforderung will sich Harting einer neuen D-codierten Lösung für den M8-Steckberbinder stellen. Der sogenannt M8ty besitzt ein robustes Metallgehäuse mit durchgehender Schirmung und passend auf 0,8 mm Durchmesser geänderten Kontakten, die es ihm ermöglichen, Endgeräte mit 100 Mbit Fast Ethernet zu versorgen. Um nicht weiteren Platz durch zusätzliche Power-Schnittstellen zu belegen, ist der M8 in D-Codierung auch PoE fähig und kann den Feldteilnehmern gleichzeitig Daten und Power liefern.

Zur diesjährigen Hannover Messe, die gleichzeitig Startschuss für die Serienproduktion war, gab es bereits eine durchgehende Lösung aus umspritzten Kabeln und Leiterplattenanschlüssen zu sehen. Auf der Leiterplatte ist die M8-Lösung etwa 30 % kleiner als die bisherige Lösung in M12. Das scheint zunächst nicht viel; kombiniert man aber auf einer I/O-Box diverse M8-Buchsen, addiert sich das verringerte Rastermaß auf eine beachtliche Platzersparnis. Geräteseitig stehen dem Anwender zwei Flanschdosen in den Höhen 9 mm und 13 mm zur Wahl. So können Bauhöhen anderer Anschlüsse abgefangen werden und man bekommt keine Distanzprobleme.

Im ersten Schritt wird der M8 D-codiert die von Rundsteckverbindern bekannte Verschraubung bekommen. Da Harting beim größeren Pendant M12 allerdings schon gute Erfahrungen mit einer Push-Pull-Verriegelung gemacht hat, soll es in nicht allzu ferner Zukunft den M8 auch mit dieser schnellen und einfachen Verriegelung geben. Gerade in sehr eng gerasterten Anschlüssen nebeneinander verspricht diese Lösung eine einfachere Handhabung. Schließlich wird sich im Bereich der Anschlusstechnik für die Kabelseite ebenfalls noch etwas tun. Hier wird Harting mit der eigenen, unter dem Namen Harax bekannten Schneidklemme einen feldkonfektionierbaren Steckverbinder nachlegen.

Autoren:
Jonas Diekmann ist technischer Redakteur bei Harting Electronics;
Matthias Domberg ist Produktmanager bei Harting Electronics;
Matthias Fritsche ist Produktmanager bei Harting  Electronics.