04.06.2013

Klassiker M12-Steckverbinder:

Qualität der Signalübertragung auf dem 'Prüfstand'

Ob klassischer Feldbus, Industrial Ethernet oder das neue High-speed-Ethernet mit bis zu 10GBit/s - wichtig für den Erfolg eines Systems ist auch das Verkabelungskonzept mit seinen Steckverbindern. Damit die Steckverbinder innerhalb eines Systems nicht nur mechanisch kompatibel sind, muss die Qualität der Übertragung mittels standardisierter Messverfahren beurteilt werden.

Autor: Dipl.Wirt.Ing. Bernd Horrmeyer, Phoenix Contact Deutschland GmbH.


@ETH Kastengrund: @ETH Kastengrund:Den Herstellern und Anwendern von M12-Steckverbindern für die Datenübertragung steht mit den Direct-Fixtures ein verlässliches und allgemein akzeptiertes Messverfahren zur Verfügung. Damit können Komponenten gemäß Cat5 oder Cat6A qualifiziert werden. Die Zuverlässigkeit von industriellen Kommunikationsnetzwerken mit M12-Steckverbindern wird hiermit ein weiteres Mal unterstrichen.

Industrielle Kommunikationssysteme werden von Nutzerorganisationen entwickelt, die für ihre Systeme ein geeignetes Verkabelungssystem definiert haben. So wurde z.B. darauf geachtet, dass Schutzgehäuse sowohl für elektrische als 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. Diese Merkmale geben das für den jeweiligen Einsatz sinnvolle Steckgesicht vor. 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 100MBit/s sowie nach 1000Base-T mit 1GBit/s sicher übertragen.

Datenraten nehmen weiter zu

Mit der zunehmenden 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 10GB/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 ermöglichen sie Datenübertragungsraten bis 10GBit/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 vierpolige D-codierte Version gemäß IEC61076-2-101. Soll jedoch 1GBit-Ethernet nach 1000Base-T oder 10GBit-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 in Maschinen und Anlagen zum Einsatz, in denen die Verlegelänge vorher bekannt ist. Für die einfache Installation im Feld kommen in diesem gemäß IEC61076-2-109 genormten M12-Steckverbinder auch hier Schnellanschlusstechniken 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 - führende Feldbus-Organisationen haben sie auch für ihre Systeme spezifiziert (Bild 2).

Geforderte Werte erreicht?

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 Reflexionsverhalten und das Übersprechen neben zahlreichen weiteren oft komplexen Parametern bewertet. Rückstreuungen treten an Inhomogenitäten innerhalb der Übertragungsstrecke aus - etwa an Steckverbindern. Ein Teil der Signalenergie wird dabei reflektiert und breitet sich in entgegengesetzter Richtung im Kabel aus. Mit der Rückflussdämpfung (englisch: Return Loss, RL) wird ein logarithmisches Maß für das Verhältnis von ausgesendeter zu reflektierter Energie gebildet. Das ist dann das Gütemaß für die korrekte Impedanzanpassung des Steckverbinders (Bild 3). Da auf jedem Kontaktpaar unterschiedliche Signale übertragen werden, kann es durch ein Übersprechen zu Störungen im Empfangskanal kommen. Das Nahnebensprechen (englisch Near End Crosstalk, Next) gibt an, wie stark das Signal zwischen Kontaktpaaren im Steckverbinder induziert wird. Angegeben wird es als logarithmiertes Verhältnis von der Signalleistung im sendenden Kontaktpaar zur Empfangsleistung im empfangenden Kontaktpaar. Das ist dann das Gütemaß für die Separierung der Kontaktpaare des Steckverbinders (Bild 4). Bei allen Ethernet-basierten Übertragungssystemen verbergen sich die zu testenden Parameter und deren Grenzwerte in den Komponentenklassen der ISO/IEC11801 - z.B. 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 dafür notwendigen Messungen zur Signalintegrität sind bereits in Normen definiert, die speziell für diesen Zweck entwickelt wurden.

Messungen mit Direct-Fixtures

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 Qualifikation 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 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 die notwendigen Messmittel entwickelt - sogenannte Direct-Fixtures. Diese Direct-Fixtures stellen aus der Sicht der Datenübertragung ein hochwertiges Gegenstück zu einem M12-Steckverbinder dar - damit wird der Prüfling ohne nennenswerte Beeinflussung durch den Prüfaufbau beurteilt. Ein besonderer Clou dabei ist das im Vergleich zum RJ45-Steckverbinder einfach gehaltene Messprinzip. Da der RJ45 einige Asymmetrien aufweist, ist dort ein aufwändigeres Messverfahren mit mehreren Kompensationsschritten notwendig, das beim M12 aufgrund seines symmetrischen Aufbaus entfällt. Dadurch wird die Prüfung und Bewertung der Komponenten im Prüflabor einfacher.

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Vorteile von M12

Für den Einsatz von M12 spricht auch, 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.

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