Gigabit Ethernet im Automatisierungs-Netzwerk

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Neben den Leitungen müssen auch die Steckverbinder für vier Paare ausgelegt sein. Beim RJ45 nach IEC 60603-7 ist dies von vornherein gegeben und auch die Aderbelegung ist durch die TIA-Normen definiert. Dies gilt auch für alle geschützten Varianten des RJ45 nach IEC 61076-3-X, wobei X die Konsortium-spezifische Nummer darstellt.

Anders ist es beim Rundsteckverbinder M12, wo bislang die 4-polige Ausführung mit D-Codierung für Fast Ethernet eingesetzt wurde. Für die 4-paarige Verkabelung wird auch hier ein 8-poliger Steckverbinder benötigt, der mit der neu entwickelten und nach IEC 61076-2-109 genormten Ausführung in X-Codierung auch hier zur Verfügung steht.

Die Immunität gegenüber externen Störungen ist ein wichtiger Faktor für den störungsfreien und zuverlässigen Betrieb automatisierungstechnischer Netzwerke. Erschwerend kommen die zunehmend geringeren Spannungsabstände der Signal-
codierung und höheren Frequenzen bei Gigabit Ethernet hinzu (Bild 2).

Maßstab für die Störungsimmunität ist die Kopplungsdämpfung, die in der Automatisierungstechnik einen Wert von 80 dB erreichen sollte. So wird auch die Trennklasse „d“ nach EN 50174-2 erreicht – damit können Kommunikationsleitungen direkt neben Leistungsleitungen verlegt werden. Dies ist ein wichtiges Kriterium bei engen Platzverhältnissen und Leitungspaketen – etwa an Robotern.

Störungen in Adernpaaren weitgehend vermeiden

Ein weiterer Aspekt im Hinblick auf die Störungsempfindlichkeit sind nicht mit ihrer Impedanz abgeschlossene Adernpaare in Leitungen (Bild 3). Aus Sicht der Signaltheorie sind Adernpaare immer mit ihrem Wellenwiderstand an den Enden abzuschließen, damit sich keine Reflexionen des eingespeisten Signals auf dem Adernpaar ausbreiten können. Gleiches gilt für Störungen, die durch elektromagnetische Effekte extern auf das Adernpaar eingekoppelt werden.

Durch einen korrekten Abschluss wird die eingekoppelte Energie absorbiert, sie kann sich dann nicht mehr auf dem Adernpaar ausbreiten und benachbarte Adernpaare stören. Kritisch sind nun Geräte, die zwar einen 4-paarigen Anschluss per RJ45 suggerieren, aber intern nur eine 2-paarige Beschaltung für Fast Ethernet beinhalten. Mit Konformitätstests sorgen die Konsortien dafür, dass nur Geräte als geeignet bezeichnet werden, die vollständig geeignete Abschlussbeschaltungen haben.

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Signalintegrität von M12-Steckverbindern

Tests für die Signalintegrität sind notwendig, um die Güte der Signalübertragung für eine störungsfreie Erkennung zu beurteilen. So werden etwa das Reflektionsverhalten und das Übersprechen neben zahlreichen weiteren oft komplexen Parametern bewertet. Für den RJ45-Steckverbinder sind die notwendigen Messungen bereits in Normen definiert.

Für M12-Steckverbinder konnte dies bislang nicht nach einem standardisierten Verfahren beurteilt werden. Auf Initiative und unter Leitung von Phoenix Contact wurde daher das Normierungsprojekt IEC 60512-29-100 durchgeführt. Das neu entwickelte Messprinzip kann sowohl auf die Stift- als auch auf die Buchsenseite angewendet werden, was beim RJ45 so nicht möglich ist. Dies ist ein wichtiger Unterschied, da der RJ45 meist mit vorkonfektionierten Patch-Leitungen eingesetzt wird, die nach einer eigenen Norm gemessen werden. In der Praxis der Feldverkabelung wird hingegen oft sowohl die Stift- als auch die Buchsenseite frei konfektioniert.

Somit steht den Herstellern und Anwendern von M12-Steckverbindern für die Datenübertragung nun ein verlässliches und allgemein akzeptiertes Messverfahren zur Verfügung, um die Komponenten gemäß den Vorschriften Cat.5 oder
Cat.6_A zu qualifizieren.

Diese Problematik kann auch dann auftreten, wenn ein Kabelsegment in der Mitte 4-paarig ausgeführt ist und der Channel an beiden Enden mit einer 2-paarigen Verkabelung fortgeführt wird. In diesem Fall ist eine in den Geräten vorhandene Abschlussbeschaltung nicht mit den zwei ungenutzten Paaren verbunden, wodurch diese dann Störungen in die zwei anderen Paare einkoppeln können. Aus diesem Grund empfehlen Fachleute immer durchgehend 2- oder 4-paarig zu verkabeln und auf eine Mischverkabelung zu verzichten.

Mit der 4-paarigen Gigabit-geeigneten Verkabelungstechnik eröffnen sich zukunftsweisende Möglichkeiten. So können leistungsfähige Geräte aus dem IT-Umfeld zur automatisierungstechnischen Gesamtlösung beitragen. Die robuste und einfache Installationstechnik wird dabei für den Industriebereich übernommen.

Geräte und Kommunikationsstrukturen werden logisch und physikalisch integraler Bestandteil der gesamten Automatisierungslösung. Mit dem umfangreichen Steckverbinderangebot von Phoenix Contact werden diese Konzepte heute schon auf einfache Weise umgesetzt und zuverlässig betrieben.

* Dipl.-Wirt.-Ing. Bernd Horrmeyer ist Fachreferent für Standardisierung bei Phoenix Contact in Blomberg.

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Gigabit Ethernet im Automatisierungs-Netzwerk

Störungen in Adernpaaren weitgehend vermeiden