RJ45 oder M12 für Industrial Ethernet?

Das Ethernet hat sich neben den Feldbussystemen in industriellen Netzwerken bereits fest verankert. Als etablierter Standard lässt sich Ethernet gemäß der Norm IEEE802.3 problemlos in vorhandene Feldbussysteme einbinden. Dies ermöglicht eine vollständige vertikale Integration von der Leitebene bis zum Sensor. Infrastrukturkomponenten wie beispielsweise Switches, die auf die Anforderung im Industriebereich zugeschnitten sind, stehen zur Verfügung. Neben der Diskussion um aktive Komponenten rückt das Thema Steckverbinder oft in den Hintergrund und wird unterschätzt. Denn die Steckverbinderlösungen aus der Office-Welt sind für industrielle Applikationen nur bedingt geeignet. Belastungen wie Feuchtigkeit, größere Temperaturschwankungen, Vibration oder Schock sind typisch für den Alltag der rauen Industrieumgebung. Welcher Steckverbinder-Typ ist für die industrielle Ethernetverkabelung am besten geeignet? Diese Frage lässt sich nicht pauschal beantworten. Vielmehr ist der Anwender gefordert, das Verkabelungskonzept speziell auf seine Applikation zu optimieren. Dabei kann er sich von den jeweiligen Vorteilen der verschiedenen Steckverbindertypen leiten lassen. RJ45 oder M12? Für die Ethernetverkabelung hat sich der RJ45-Steckverbinder gemäß der Norm IEC60603-7 etabliert. Die achtpoligen Steckverbinder sind weit verbreitet und in den Versionen Kategorie 5 und Kategorie 6 gemäß IEC11801:2002 erhältlich. Für die RJ45-basierende, industrielle Ethernetverkabelung steht ein umfangreiches Produktprogramm bei Phoenix Contact zur Verfügung – in Schutzart IP20 für die schaltschrankinterne Verkabelung sowie in Schutzart IP67 für die Vernetzung im Feld. Dazu gehören beispielsweise Steckverbinder mit Schnellanschlusstechnik, konfektionierte Leitungen, Patchpanel und Terminaloutlets. Die Profibus Nutzerorganisation (PNO) hat für die Profinetverkabelung einen neuen RJ45-Steckverbinder mit Push-Pull-Verriegelung spezifiziert, der von Phoenix Contact und Harting in einer Kooperation entwickelt wurde (Bild 1). Dieser Steckverbinder mit Kunststoff- oder Metallgehäuse erfüllt ebenfalls die Anforderungen der Schutzart IP67. Inzwischen hat auch die AIDA (Automatisierungsinitiative Deutscher Automobilhersteller) diesen Steckverbinder für die Profinetverkabelung ausgewählt. Bei der Ethernetverkabelung in Schutzart IP67 kann der M12-Steckverbinder zunehmend eine Alternative zu RJ45 sein und sich für manche Applikation als vorteilhaft erweisen. Die M12-Variante mit D-Codierung als vierpolige Variante gemäß der Norm IEC 61067-2-101 Amendment 1 wurde bereits für das Industrial Ethernet definiert (Bild 2). Auch die PNO hat sich für diesen Steckverbinder-Typ ausgesprochen und ihn, neben dem RJ45-Steckverbinder mit Push-Pull-Verriegelung, für die Profinetverkabelung spezifiziert. Der im Bereich Sensor-Aktor- sowie Feldbus-Verkabelung etablierte M12-Steckverbinder zeichnet sich im industriellen Einsatz durch eine Reihe von Vorteilen aus. Er benötigt trotz Schutzart IP67 nur wenig Platz und wird somit dem Trend einer fortschreitenden Miniaturisierung gerecht. Folglich ist er insbesondere für Gerätebauer interessant, die Geräte mit geringer Baugröße entwickeln. Er ist dabei äußerst robust und sorgt für eine sichere Verbindung selbst bei einer Belastung durch Schock oder Vibration. Allerdings eignet sich nicht jeder M12-Steckverbinder für Ethernet-Applikationen. Die Übertragungseigenschaften müssen der Kategorie 5 der Norm IEC11801:2002 entsprechen. Aus Sicht der Übertragungseigenschaften können Standard-M12-Steckverbinder aufgrund ihrer Kontaktgeometrie für einen Einsatz in Ethernet-Netzwerken ungeeignet sein. Anschlusstechniken wie z.B. Federkraftklemmen können Inhomogenitäten darstellen und dadurch bestimmte Eigenschaften wie die Rückflussdämpfung (Return Loss) negativ beeinflussen. Um die Kategorie 5 einzuhalten, müssen diese Effekte kompensiert werden. Alle M12-Komponenten für Industrial Ethernet von Phoenix Contact werden insbesondere diesen Anforderungen an die Übertragungseigenschaften gerecht. Vier- oder achtpolig? Beim Fast-Ethernet-Standard (100 Base-T) mit einer Übertragungsrate von 100MBit/s wird ein Datenpaar zum Senden und ein Datenpaar zum Empfangen genutzt. Aus diesem Grund sind vierpolige M12-Steckverbinder mit D-Kodierung für Fast-Ethernet vollkommen ausreichend. Erst bei höheren Übertragungsraten wie beim Gigabit-Ethernet-Standard (1000 Base-T) mit einer Datenübertragungsrate von 1.000MBit/s müssen achtpolige Steckverbinder verwendet werden. Beim Gigabit-Ethernet wird auf allen vier Aderpaaren im Vollduplexbetrieb gleichzeitig gesendet und empfangen. Die Übertragungseigenschaften der Kategorie gemäß der Norm IEC 11801:2002 sind auch für Gigabit-Ethernet ausreichend. Ein achtpoliges Steckgesicht mit spezieller Kodierung für Ethernet ist derzeit jedoch noch nicht normiert. Dennoch hat sich für die achtpolige Ethernetverkabelung mit M12-Steckverbindern die A-Kodierung durchgesetzt, die auch bei der Sensor-Aktor Verkabelung zum Einsatz kommt. Ein Fehlstecken mit B-kodierten Steckverbindern für Feldbussysteme ist folglich ausgeschlossen. Bei \’Power Over Ethernet\‘-Anwendungen gemäß der Norm IEEE802.3af ist grundsätzlich zwischen zwei Varianten der Übertragung zu unterscheiden: Die Versorgungsspannung sowie die Daten können entweder zusammen (Variante A) oder getrennt voneinander (Variante B) übertragen werden. Vierpolige M12-Steckverbinder sind lediglich für die Variante A geeignet. Dabei wird die Versorgungsspannung auf die beiden Datenpaare aufmoduliert. Beim Einsatz von achtpoligen M12-Steckverbindern können bei Applikationen mit Fast Ethernet die zwei nicht benötigten Aderpaare für eine getrennte Spannungsversorgung genutzt werden (Variante B). Für die M12-basierende Ethernetverkabelung stellt Phoenix Contact ein umfangreiches Produkt-Portfolio vier- und achtpoliger Komponenten gemäß Kategorie 5 zur Verfügung (Bild 3). Dazu gehören Steckverbinder, konfektionierte Leitungen, Schaltschrankdurchführungen sowie Einbaubuchsen mit Schirmanbindung für die geräteseitige Platinenmontage. Die Schnellanschlusstechnik Quickon ermöglicht das Konfektionieren der Steckverbinder selbst unter erschwerten, industriellen Bedingungen ohne Spezialwerkzeug. M12-Adapterkabel beziehungsweise M12-Wanddurchführungen mit konfektionierter Leitung sowie RJ45-Steckverbinder erlauben zudem den Einsatz beider Schnittstellen innerhalb einer Applikation. Fazit Welcher Steckverbinder-Typ ist am besten für Industrial Ethernet geeignet? Diese Frage muss der Kunde von Fall zu Fall, individuell auf seine Anwendung zugeschnitten, entscheiden. Weder der M12- noch der RJ45-Steckverbinder wird für alle Ethernet-Applikationen alleine die optimale Lösung darstellen. Vielmehr wird man innerhalb von industriellen Ethernet-Installationen künftig auch Mischinstallationen mit RJ45- und M12-Steckverbindern vorfinden.