Übertragung von Gigabit-Ethernet und Energie über zweiadrige Twisted-Pair-Kabel

Kleiner, leistungsfähiger,
kostengünstiger

Da die intelligente Fabrik auf der Vernetzung vieler, unterschiedlicher Prozesse beruht, wird das Datenaufkommen im Produktionsbereich weiter steigen. Deshalb ist dort eine Verbindungsart erforderlich, die kleiner, leistungsfähiger und kostengünstiger ist als die heute gängigen Lösungen. Die Entwicklungsstudie One-Pair Ethernet soll zeigen, wie sich diese Kriterien zukünftig erfüllen lassen.
In einer intelligenten Fabrik werden Sensoren nach wie vor die physikalische Schnittstelle zu Maschinen und Anlagen bilden. Da dort jedoch immer mehr Daten zu erfassen sind, wird die Anzahl der Sensoren sprunghaft zunehmen – und damit auch die Anzahl der Steckverbinder. Außerdem wird es immer mehr verteilte Systeme mit integrierter Spannungsversorgung geben, weshalb Steckverbinder, die zugleich auch Energie übertragen, besonders wirtschaftliche Lösungen ermöglichen. Die Datenkommunikation läuft heute sowohl über klassische Feldbussysteme wie Profibus oder Modbus als auch über CAN, CC-Link oder AS-Interface. Aber nur Ethernet ermöglicht eine durchgängige Kommunikation von der Feldebene bis in die Cloud, in der sich Informationen mittels spezieller IT-Systeme an jedem Ort der Welt auswerten lassen. Ob sich künftig alle Sensoren über dieses Protokoll anbinden lassen, lässt sich momentan nicht mit Sicherheit sagen. Denn Ethernet ist zurzeit unter dem Strich noch etwas teurer als die anderen im Feld etablierten Ansätze. Im Zuge von Industrie 4.0 kommen immer mehr Bildverarbeitungssysteme zum Einsatz, die hohe Anforderungen an die Bandbreite stellen, die sich letztlich nur via Ethernet erfüllen lassen. Das gilt ebenso mit Blick auf eine Echtzeit-Datenkommunikation in der Feldebene oder eine standardisierte M2M-Kommunikation.

Miniaturisierung als entscheidender Faktor

Aktuell beruhen kupferbasierte Ethernet-Installationen auf vier- oder achtadrigen Twisted-Pair-Kabeln, mit denen sich auf Entfernungen von bis zu 100m sowohl 100MBit/s (Fast Ethernet) bzw. 1GBit/s als auch Energie (PoE) übertragen lassen, was in dem Standard IEEE802.3 definiert ist. Bei den Steckverbindern kommen verschiedene Typen zum Einsatz. Das Spektrum reicht von speziellen Varianten des eigentlich für das Büroumfeld konstruierten RJ45, die hohe Schutzarten wie IP65 erreichen sowie Vibrationen und Erschütterungen standhalten, über industriegerechte M8- und M12-Steckverbinder bis hin zu dem sogenannten Mini-I/O, der bisher kleinsten Bauform für den Anschluss von Sensoren in der Feldebene. Aber bei allen Typen braucht es je nach Übertragungsgeschwindigkeit vier- oder achtadrige Kabel. Aufgrund der dazu erforderlichen Kontakte sind die Steckverbinder teilweise größer als die Sensoren und die Ethernet-Schnittstelle nimmt fast die Hälfte des Platzes auf der Platine ein. Die Vorteile einer zweiadrigen Lösung bestehen zunächst einmal in den Kosten, denn es sind nur 25 bzw. 50 Prozent der Kupfermenge erforderlich. Zugleich werden die Kabel dünner und damit flexibler, lassen sich also in Maschinen und Anlagen leichter verlegen. Außerdem werden auch die Steckverbinder kleiner, wodurch sich wiederum kleinere Automatisierungskomponenten konstruieren lassen. Bereits der Mini-I/O-Steckverbinder ermöglicht es, die Bauhöhe von Geräten um die Hälfte zu reduzieren und dieser Trend wird sich im Zuge einer zweiadrigen Ethernet-Verkabelung weiter fortsetzen. Die Grundlagen für die internationale Standardisierung einer solchen Verkabelung sind bereits erreicht. Im Rahmen des IEEE hat die Arbeitsgruppe 802.3bp u.a. für die Performance-Charakteristik der Signale im Link die erforderlichen Systeme definiert und die Übertragungsentfernungen festgelegt. Diese betragen bei Fast Ethernet ebenso wie bei vier- oder achtadrigen Kabeln 100m und bei 1GBit/s 40m, also knapp die Hälfte, was jedoch für die Kommunikation innerhalb von Maschinen und Anlagen nicht ins Gewicht fällt, da hier normalerweise keine großen Distanzen zu überbrücken sind.

Wirtschaftliche Anbindung von Sensoren

Der nächste Punkt ist die Standardisierung eines robusten zweipoligen Steckverbinders. Wie sich ein solcher realisieren lässt, zeigt die Entwicklungsstudie One-Pair Ethernet. Sie basiert auf dem bewährten M8-Standard, hat Schutzart IP65, wobei grundsätzlich auch höhere Schutzarten möglich sind, ist rundum geschirmt und etwa 60 Prozent kleiner als herkömmliche RJ45-Steckverbinder. Zusätzlich zu den zwei Adern für die Datenübertragung lassen sich – bei gleicher Baugröße – zwei weitere Adern integrieren, die Endgeräte mit Spannung versorgen. Da die Entwicklungsstudie eine Ethernet-Schnittstelle hat, gewinnen die Hersteller von Sensoren Platz auf den Platinen ihrer Produkte. Ferner lassen sich Sensoren, die bereits eine entsprechende Schnittstelle haben, einfacher an Netzknoten anschließen. Das reduziert schließlich auch die Kosten. Denn One-Pair Ethernet bietet im Vergleich zu heutigen, komplex aufgebauten M8- und M12-Varianten Preisvorteile. Außerdem treten bei der Konfektionierung im Feld – anders als bei vier- oder achtpoligen Steckverbindern – selbst dann keine Fehler auf, wenn es zum Vertauschen der Adern kommt. Die angeschlossenen Maschinen oder Systeme lassen sich schneller starten bzw. hochfahren, da die Kommunikation rascher zustande kommt als mit herkömmlichen Verbindungsarten. Ein weiterer Vorteil der Entwicklungsstudie besteht darin, dass sich der Steckverbinder auch in bereits vorhandene Ethernet-Installationen integrieren lässt, wobei zwei der vier oder acht Adern zur Anwendung kommen. Prinzipiell lässt sich One-Pair Ethernet auch in allen Feldbus-Infrastrukturen einsetzen, da diese auf zweiadrigen Kabeln beruhen. Weil diese Kabel jedoch nicht für die hohen Frequenzen einer Datenübertragung via Ethernet ausgelegt sind, müssen Anwender Abstriche hinsichtlich der Geschwindigkeit in Kauf nehmen.