Signalintegrität von Steckverbindern

DER AUTOR Dipl.-Wirt.-Ing. Bernd Horrmeyer ist Fachreferent für Standardisierung bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg www.phoenixcontact.de

Industrielle Kommunikationssysteme werden von Nutzerorganisationen entwickelt, die für ihre Systeme ein geeignetes Verkabelungssystem definiert haben. So wurde zum Beispiel darauf geachtet, dass Schutzgehäuse sowohl für elektrische wie auch für optische Einsätze geeignet sind, und dass alle Fasertypen dabei unterstützt werden. Auch die normative Festlegung der Steckverbinder ist ein wichtiger Aspekt, um die weite Verbreitung und Steckkompatibilität untereinander zu unterstützen.

Wichtige Unterscheidungsmerkmale sind hierbei zum einen die Übertragungsmedien – elektrisch oder optisch, und zum anderen der Schutz gegen Umweltbelastungen – üblicherweise IP20 für geschützte und IP65/67 für ungeschützte Umgebungen. In ihren Richtlinien fordern die Nutzerorganisationen häufig die Übertragungsqualität Cat5. Damit werden bei einer Verkabelung, die der Referenz-Implementation nach ISO/IEC11801 entspricht, Ethernet nach 100Base-T mit 100 MBit/s sowie nach 1000Base-T mit 1 GB/s sicher übertragen.

Mit zunehmender Komplexität der Anwendungen in der Industrieautomation steigt auch der Bedarf an höheren Datenübertragungsraten. Anwendungen wie Kameras zur Qualitätsinspektion, Server zur Speicherung von Qualitätsdaten aus der Produktion oder Scanner zur Identifikation von Komponenten benötigen höhere Datenraten. So nehmen Applikationen mit Datenraten von 10 GB/s zu, die dem Ethernet-Standard 10000Base-T entsprechen und Komponenten nach Cat6A benötigen.

RJ45-Steckverbinder mit und ohne Schutzgehäuse haben sich hierfür am Markt etabliert – mit Cat5 und Cat6A erlauben sie Datenübertragungsraten bis 10 Gigabit/s. Daneben ist auch der M12-Steckverbinder populär. Weil er im Sensorumfeld weit verbreitet ist, möchte der Anwender ihn auch für das Industrial Ethernet einsetzen. Für die Übertragung von 100Base-T eignet sich die 4-polige D-codierte Version gemäß IEC61076-2-101. Soll jedoch 1 Gigabit-Ethernet nach 1000- Base-T oder 10 Gigabit-Ethernet nach 10000Base-T übertragen werden, muss ein neues System her, da hier acht Kontakte nötig sind. Mit dem von Phoenix Contact entwickelten X-codierten M12-Steckverbinder wird die Übertragung von bis zu 10000Base-T in allen Konfigurationen des Channels möglich. Vorkonfektionierte Leitungen kommen idort zum Einsatz, wo die Verlegelänge vorher bekannt ist. Für die einfache Installa-tion im Feld kommen gemäß IEC61076- 2-109 genormte M12-Steckverbinder auch in Schnellanschlusstechnik zum Einsatz, die eine durchdachte Leiterführung zur prozesssicheren Einhaltung von Cat6A beinhalten. M12-Steckverbinder mit D- und X-Codierung sind somit fester Bestandteil der Feldverkabelung in der Industrieautomation − die Feldbus-Organisationen haben sie auch für ihre Systeme spezifiziert.

Steckverbinder-Normen definieren jeweils die einzuhaltenden mechanischen und elektrischen Parameter sowie die hierfür notwendigen Testverfahren. Somit ist die Kompatibilität für den Anwender gegeben. Eine Sonderstellung nehmen die Tests für die Signalintegrität ein. Sie sind notwendig, um die Güte der Signalübertragung zu beurteilen. So werden etwa das Reflektionsverhalten und das Übersprechen neben zahlreichen weiteren oft komplexen Parametern bewertet. Ohne ausreichende Qualität besteht die Gefahr, dass die Signale aufgrund von Störungen so verändert werden, dass sie nicht mehr erkannt werden können.

Bei allen Ethernet-basierten Übertragungssystemen verbergen sich die zu testenden Parameter und deren Grenzwerte in den Komponentenklassen der ISO/IEC11801 – wie zum Beispiel Cat5 oder Cat6A. Die ISO/IEC11801 wurde für Anwendungen im Bereich der strukturierten Datenverkabelung in Gebäuden entwickelt, wo meist der RJ45-Steckverbinder eingesetzt wird. Die notwendigen Messungen zur Signalintegrität sind in Normen definiert, die speziell für diesen Zweck entwickelt wurden.

M12-Steckverbinder sind zwar in ihrer Geometrie definiert, die Datenübertragungsqualität konnte bislang aber nicht nach einem standardisierten Verfahren beurteilt werden. So haben alle Marktteilnehmer bislang ein Messverfahren angewendet, bei dem in einer möglichst kurzen und hochwertigen Verkabelungsstrecke ein M12-Steckverbinderpaar eingefügt wird. Damit wird festgestellt, ob die geforderten Werte für die Qualifika- tion nach Cat5 oder Cat6A erreicht werden.

Mit zunehmender Popularität des M12 in der industriellen Kommunikationsverkabelung sowie in der strukturierten Datenverkabelung für den Industriebereich nach ISO/IEC24702 genügt dieses Verfahren nicht mehr den Anforderungen. Daher ist es notwendig, auch die M12-Steckverbinder bezüglich der Signalübertragungsqualität mit einem genormten Messverfahren zu bewerten.

Auf Initiative und unter maßgeblicher Beteiligung von Phoenix Contact wurde das Normierungsprojekt IEC60512-29-100 gestartet, um die Datenübertragungsqualität von M12-Steckverbindern nach dem Stand der Technik zu beurteilen. Neben Parametern und Grenzwerten wurden hierzu auch die notwendigen Messmittel entwickelt − sogenannte Direct-Fixtures. Diese stellen aus der Sicht der Datenübertragung ein hochwertiges Gegenstück zu einem M12-Steckverbinder dar – damit wird der Prüfling ohne Beeinflussung durch den Prüfaufbau beurteilt.

Für den Einsatz von M12 spricht, dass das Messprinzip sowohl auf die Stift- als auch auf die Buchsenseite angewendet werden kann − was beim RJ45 so nicht möglich ist. Dies ist ein wichtiger Unterschied zur strukturierten Verkabelung mit ihren vorkonfektionierten RJ45-Patch-Leitungen. Denn diese Leitungen werden nach einer eigenen Norm gemessen. In der Praxis der Feldverkabelung wird hingegen oft sowohl die Stift- als auch die Buchsenseite frei konfektioniert.

Somit steht nun ein verlässliches und allgemein akzeptiertes Messverfahren zur Verfügung, um die Komponenten gemäß Cat5 oder Cat6A zu qualifizieren. Die Zuverlässigkeit von industriellen Kommunikationsnetzwerken mit M12-Steckverbindern wird hiermit unterstrichen. ge