Single-Pair-Ethernet-Steckverbinder nach IEC 63171-6 in IP65/67 sowie IP20

Single-Pair-Ethernet-Steckverbinder nach IEC 63171-6 in IP65/67 sowie IP20 haben das Potenzial, die klassischen Feldbusse als Kommunikationsinfrastruktur abzulösen. (Bild: Harting)

Auf die Schnelle

Das Wesentliche in 20 Sek.

  • Single Pair Ethernet – Status Quo der Normung
  • SPE-Stecker sind verabschiedet
  • Systemansatz – Stecker, Leitung, Anschlusstechnik – muss passen
  • Eco-System ist im Aufbau
  • Inkompatibilitäten nutzen keinem, schaden allen

Generationen von Netzwerktechnikern, Planern, Installateuren und Anwendern haben gelernt, dass für Fast-Ethernet (10/100 Mbit/s) zwei Adernpaare benötigt werden, für Gigabit-Ethernet alle vier Adernpaare. Zusammen mit dem Wissen über die unterschied­lichen Komponentenkategorien für die jeweiligen Übertragungs­geschwindigkeiten von Cat. 5 bis hin zu Cat. 8.1/8.2 ist dies das Handwerkzeug, um die Kommunikationsinfrastruktur zu planen, zu errichten und zu betreiben.

Mit Single Pair Ethernet (SPE) drängt nun eine interessante Technologie in den Markt, die diese TCP/IP-basierten Datenströme auch über lediglich ein einziges Adernpaar übertragen kann.

Wie alles begann – die aktuellen IEEE802.3 Standards

Ausgangspunkt für die Entwicklung von SPE ist der BroadR-Reach Standard, der von der Broadcom Corporation entwickelt wurde. Nachdem die Automobilindustrie auf der Suche nach einem Nachfolger für den CAN-Bus dieses TCP/IP-basierte Übertragungsverfahren identifiziert hatte, wurde der erste SPE-Standard von der IEEE 802.3 als Standard 100BASE-T1 in IEEE 802.3bw-2015 Clause 96 veröffentlicht. Technologien wie teilautonomes Fahren erfordern jedoch noch höhere Datenraten. Und so folgte dem SPE-Standard für 100 Mbit/s recht schnell auch die Gigabit-Variante (IEEE 802.3bp 1000BASE-T1), die bereits 1 GBit/s unterstützt. Ende 2019 wurde der IEEE 802.3cg Standard verabschiedet, der Übertragungsraten von bis zu 10 Mbit/s über maximal 1 000 m Distanz ermöglicht. Speziell dieser Standard hat für viele Bereiche der Industrie besondere Relevanz, da sich mit diesen Eckdaten nahezu alle Feldbusse durch SPE ersetzen lassen. Aktuell arbeitet die IEEE an einem weiteren Standard für Datenraten bis 10 Gbit/s (IEEE 802.3ch), der für hochauflösende Sensoren und Videoübertragungen benötigt wird. Eine weitere Studiengruppe arbeitet bereits an Ansätzen für SPE mit noch höheren Geschwindigkeiten.

Die SPE-Technologie erreicht bereits die gleiche Leistungsfähigkeit wie das vorherrschende mehrpaarige Ethernet (MPE). Der einzige Schönheitsfehler ist die derzeit noch eingeschränkte SPE-Reichweite bei 100 Mbit/s auf 15 m und bei Gigabit auf 15 m beziehungsweise 40 m. Dies resultiert aus den Anforderungen der Hauptzielgruppe Automotive Industrie. Experten gehen jedoch davon aus, dass auch hier größere Übertragungslängen erreichbar sind und die dazu notwendigen Standards in den nächsten Jahren erstellt werden.

Spielball der normativen Kräfte?

Zentrale Rolle bei der Normierung nimmt ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 ein. Hier werden, basierend auf den IEEE 802.3 Standards, die Verkabelungsnormen nach der ISO/IEC 11801 erstellt und gepflegt. Dazu erfolgt eine intensive Zusammenarbeit mit IEEE 802.3 und den Komitees für die Verkabelungskomponenten IEC SC46C ­(Kupferdatenkabel) und die IEC SC48B (Steckverbinder).

Allein innerhalb der IEC-Arbeitsgruppe SC46C sind für die Normierung der Datenkabel als Meterware folgende Normenprojekte in Arbeit:

  • IEC 61156-11 – SPE Datenkabel bis 600 MHz Bandbreite zur festen Verlegung (final veröffentlicht)
  • IEC 61156-12 – SPE Datenkabel bis 600 MHz Bandbreite zur flexiblen Verlegung (CD verfügbar)
  • IEC 61156-13 – SPE Datenkabel bis 20 MHz Bandbreite zur festen Verlegung (CD verfügbar)
  • IEC 61156-14 – SPE Datenkabel bis 20 MHz Bandbreite zur flexiblen Verlegung (geplant)

Normung der Verbindungstechnik

Der erste Normenentwurf für SPE-Steckverbinder wurde 2016 von der Firma Harting bei SC48B eingereicht und als IEC 61076-3-125 bis zum CD Dokument publiziert. 2017 wurde von der Firma CommScope ein weiteres SPE-Steck­gesicht eingereicht. Daraufhin wurde vom IEC SC48B beschlossen, für alle SPE-Steckverbinder die Normenreihe IEC 63171 zu erstellen. Dies ist die Aufgabe des Projektteams PT63171. Die bis zu dessen Gründung 2018 bereits in Arbeit befindlichen Normen (IEC 63171-1 und 63171-6) werden als in sich geschlossene Dokumente fertiggestellt und später im Rahmen von Überarbeitungen in diese Normenreihe integriert. In Arbeit sind aktuell (Stand: Januar 2020):

  • IEC 63171 – Basisnorm mit allen notwendigen Spezifikationen und Prüfsequenzen (CDV im Umlauf)
  • IEC 63171-1 – SPE Steckverbinder der Firma CommScope auf Basis der ­LC-Verriegelung für M1I1C1E1 Anwendungen (FDIS im Umlauf)
  • IEC 63171-3 – SPE Steckverbinder der Firma Siemon basierend auf einem Paar des Tera-Steckverbinders für M1I1C1E1 Anwendungen (zurückgezogen)
  • IEC 63171-4 – SPE Steckverbinder der Firma BKS für M1I1C1E1 Anwendungen (CD verfügbar)
  • IEC 63171-2 – SPE Steckverbinder der Firma Reichle & De-Massari für M1I1C1E1 Anwendungen (CD verfügbar)
  • IEC 63171-5 – SPE Steckverbinder der Firma Phoenix Contact basierend dem IEC 63171-2 Steckgesicht für M2I2C2E2 und M3I3C3E3 Anwendungen (CD verfügbar)
  • IEC 63171-6 (bisher IEC 61076-3-125) – SPE Steckverbinder der Firmen Harting und TE Connectivity für M2I2C2E2 und M3I3C3E3 Anwendungen (genehmigt und veröffentlicht)

Verkabelungsstandards für SPE

Die Übertragungsphysik lässt sich nicht überlisten: Bei gleichen Datenraten benötigt Single Pair Ethernet höhere Signalbandbreiten, was beispielsweise mehr Detailarbeit bei der HF-Schirmung und dem Steckverbinderdesign verlangt.

Die Übertragungsphysik lässt sich nicht überlisten: Bei gleichen Datenraten benötigt Single Pair Ethernet höhere Signalband-breiten, was beispielsweise mehr Detailarbeit bei der HF-Schirmung und dem Steckverbinderdesign verlangt. IEE-Redaktion

SPE und dafür normierte Steckverbinder fließen in die aktuellen Verkabelungs­standards mit ein. International betrifft das vor allem die Normenreihe für strukturierte Verkabelung nach ISO/IEC 11801: 2017 und in ähnlicher Weise auch die europäische Normenreihe EN50173.

Die Implementierung von SPE in die ISO/IEC 11801 Dokumente ist deshalb so wichtig, da nur diese Norm die Verkabelungskanäle mit allen notwendigen Parametern (Länge, Anzahl Verbindungen, Bandbreite und das komplette Set an ­übertragungstechnischen Parametern) in Relation zur Umgebung beschreibt – die Voraussetzung, um Installationen messtechnisch nach einheitlichen Vorgaben überprüfen und abnehmen zu können.

Parallel dazu werden auch die Installationsstandards für die Industrie als Basis für die Verkabelung von Automatisierungslösungen nach IEC 61918 beziehungsweise IEC SC65C entsprechend angepasst. Inwieweit das dann auch die Automatisierungsprofile selbst beeinflusst, bleibt abzuwarten. Sicher ist, dass sich Profibus International (Profinet) und die ODVA (EtherNet/IP) aktiv an der Weiterentwicklung und Implementierung von Standards zu SPE beteiligen.

In Verbindung mit den Standards zu Steckverbindern und Kabeln erhalten alle Anwender klare Vorschläge und Richt­linien zum Aufbau und zur Überprüfung von SPE-Übertragungsstrecken bei der Abnahme. Diese Verkabelungen bleiben für 1 Gbit/s SPE erst einmal auf eine Reichweite von 40 m beschränkt. Für die 10 Mbit/s Variante werden Reichweiten von 1 000 m und darüber hinaus realisiert.

Worin die Tücken des ‚cable sharings‘ liegen, steht auf der nächsten Seite.

Die Tücken des ‚cable sharings‘

Die aktuellen IEEE 802.3 SPE Standards: Bei 100 BASE-T1 sind zwar nur 15 m spezifiziert, Untersuchungen der Firma Harting zeigen, dass Leitungslängen bis 40 m ebenso funktionieren.

Die aktuellen IEEE 802.3 SPE Standards: Bei 100 BASE-T1 sind zwar nur 15 m spezifiziert, Untersuchungen der Firma Harting zeigen, dass Leitungs-längen bis 40 m ebenso funktionieren. Harting

Hohe Datenraten über ein Adernpaar – wieso also nicht vier SPE-Strecken über bestehende Ethernet-Leitungen übertragen? Die Idee, quasi 4-paarige Leitungen für SPE mittels ‚cable sharing‘ zu benutzen, drängt sich geradezu auf. In Sonderfällen ist dies zwar möglich, aber technisch und wirtschaftlich nicht wirklich sinnvoll. Auch wenn für existierende 4-paarige Datenverkabelungen wie auch für SPE verdrillte Adernpaare benötigt werden, so sind die Anforderungen recht unterschiedlich, insbesondere hinsichtlich der Übertragungslängen sowie den HF-Anforderungen, was sich insbesondere am benötigten Bandbreitenbedarf zeigt.

Um auf Nummer sicher zu gehen, müssten Anwender in einem Migrations-Szenario von SPE auf der installierten Verkabelung jede SPE-Strecke einzeln prüfen. Damit ist die wirtschaftliche Sinnhaftigkeit solcher Nutzungskonzepte fraglich. Um etwa eine installierte Cat.6A Verkabelung für 1000BASE-T1 zu qualifizieren, darf die Übertragungslänge 40 m nicht überschreiten und die entsprechenden HF-Parameter müssen bis 600 MHz qualifiziert werden. Sollte dann alles passen, kann man 4 x 1 Gbit/s SPE übertragen. Zum Vergleich: Cat. 6A-Strecken (MPE) können 10 Gbit/s übertragen.

Inkompatible Standards braucht niemand

Anfang 2018 haben ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA42 internationale Auswahlprozesse zur Festlegung einheitlicher Schnittstellen gestartet. Die beiden Auswahlprozesse wurden von der IEEE 802.3 mit initiiert, indem von dort eine Empfehlung für eine SPE-Geräteschnittstelle (MDI) von ISO/IEC und TIA erbeten wurde. An diesem Auswahlprozess haben sich über 20 nationale Expertengremien beteiligt. Im Ergebnis haben sich zwei Steckgesichter durchgesetzt:

  • für die Gebäudeverkabelung (M1I1C1E1) das Steckgesicht nach IEC 63171-1, basierend auf dem Vorschlag der Firma CommScope;
  • für die Industrie und industrienahe Anwendungen (M2I2C2E2 und M3I3C3E3) das Steckgesicht nach IEC 63171-6 (bisher IEC 61076-3-125): basierend auf dem Vorschlag von Harting.

Der Auswahlprozess von TIA hat die Ergebnisse von ISO/IEC bestätigt. Damit besteht global Einigkeit über die SPE-Schnittstellen. Die gewählten Steck­gesichter werden jetzt in die jeweiligen internationalen Verkabelungsnormen eingearbeitet. Auch IEEE 802.3 hat diese SPE-Interfaces in die IEEE802.3cg als empfohlene Media Depended Interfaces (MDI) festgelegt. Damit ist die Voraussetzung für den großflächigen Einsatz der SPE-Technologie mit der durchgängigen Kompatibilität von Geräten, Kabeln und Steckverbindern in unterschiedlichen Anwendungsfeldern gewährleistet und Planungssicherheit für alle Marktteilnehmer hergestellt.

Single Pair Ethernet ‒ die Verbindungstechnik

Nur mit genormten Schnittstellen ist es möglich, unterschiedlichste Geräte in einem Datennetz miteinander zu verbinden. Die Auslegung der SPE-Steckverbinder nach IEC 63171-6 erfolgte nach den Vorgaben aus den zugehörigen IEE802.3 Normen und Marktanforderungen.

Für die reine Übertragung wird üblicherweise ein differentielles Spannungssignal (+/- 1V) verwendet. Bei SPE ist jedoch auch die Fernspeisung (PoDL) zu berücksichtigen. Ähnlich wie bei PoE beträgt die maximale Nennspannung 48 V DC, woraus eine Speisespannung des Power Sourcing Equipment (PSE) von 60 V DC resultiert. Anders als bei PoE sind bei PoDL weitere typische Bordnetz-Spannungen definiert: 12 V und 24 V DC.

Es braucht die Zusammenarbeit vieler Normungsgremien, um Single Pair Ethernet als künftige Infrastruktur fürs IoT/IIoT im Feld zu spezifizieren.

Es braucht die Zusammenarbeit vieler Normungsgremien, um Single Pair Ethernet als künftige Infrastruktur fürs IoT/IIoT im Feld zu spezifizieren. Prof. Dr. Oehler, Convenor ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3

Die Auslegung des Nennstroms orientiert sich an der maximalen Einspeiseleistung von 63,3 W, was einer Versorgungsleistung am Gerät von 50 W entspricht. Daraus resultiert bei der minimal zulässigen Speisespannung (48 V) ein Strom von 1,36 A. Um ein zukunftsfähiges Interface zu spezifizieren, wird für die SPE-Stecker wiederum ein Nennstrom von 4 A DC gewählt. Der Grund: Gemäß dem National Electric Code (NEC) für Nordamerika ist die maximale Leistung für NEC Class 2 Geräte auf 100 W beschränkt, analog zur maximalen Fernspeiseleistung bei PoE. Somit werden künftige PoDL-Erweiterungen auch unter 100 W bleiben – macht bei den üblichen 24 V Versorgungsspannung gerundet 4 A Nennstrom.

Ziel der Konstruktionsauslegung des SPE-Interfaces war die Berücksichtigung aller elektrischen Parameter mit ausreichender Reserve für künftig höhere Bandbreiten und die Fernspeisung (PoDL) sowie die Wahl bereits im Markt verbreiteter Gehäusebauformen. Diesen Zielen folgend wurden 0,5-mm-Stifte als Kontakte mit einem Abstand von 2,8 mm gewählt. Letzterer ist wiederum auf die anzuschließenden Kabelquerschnitte abgestimmt. Gemäß den IEEE802.3 Normen werden größere Reichweiten nur mit geschirmten Übertragungsstrecken erreicht. Deshalb und auch um in rauen Industrieumgebungen eine sichere Übertragung zu gewährleisten, wurde ein geschirmter Aufbau konsequent umgesetzt. Die Schirmbleche dienen gleichzeitig als robuste mechanische Verriegelung der IP20-Version. Dies eliminiert endlich das beim RJ45-Stecker oft bemängelte Problem der abgebrochenen Verriegelung.

In industriellen Anwendungen sind M8- und M12-Rundsteckverbinder etabliert. Dementsprechend wurde das SPE-Steckgesicht in die M8-Bauformen mit Schraub-, SnapIn- und PushPull-Verriegelung integriert. Zudem sind auch M12-Bauformen mit Schraub- und PushPull-Verriegelung genormt. Sie sind für die großen Kabelquerschnitte des 10BASE-T1L Kanals (1 000 m) gedacht. In allen Bauformen kommt damit das gleiche Steckgesicht zum Einsatz. Die Nutzung der etablierten M8/M12-Bauformen sorgt für Marktakzeptanz und reduziert die notwendigen Investitionskosten, da viele Anbieter entsprechende Gehäusebauformen vorhalten.

5G ist keine Lösung

Der symmetrische Aufbau des Steck­gesichtes nach IEC 63171-6 trägt dem Trend zur Miniaturisierung wie auch nach einfacher Konfektionierung und Robustheit Rechnung.

Der symmetrische Aufbau des Steck­gesichtes nach IEC 63171-6 trägt dem Trend zur Miniaturisierung wie auch nach einfacher Konfektionierung und Robustheit Rechnung. Harting

Die Möglichkeit, Geräte mit nur einem Anschluss mit Daten gleichzeitig auch noch mit Energie zu versorgen, bevorteilt diese Technik gegenüber Wireless-Lösungen. Kabelgebundene Übertragungsverfahren haben den weiteren Vorteil, dass keine regulatorischen Einschränkungen (Funk-Zulassungen) hinsichtlich der nutzbaren Frequenzbereiche existieren und somit keine Lizenzkosten für die Frequenzbänder anfallen. Zusammen mit den Time Sensitive Networks (TSN) Standards wird die Ethernet Technologie mit allen notwendigen Mechanismen erweitert, um Determinismus in der Datenkommunikation zu realisieren. Damit qualifiziert sich SPE als perfekte Infrastrukturlösung und ‚Enabler‘ für IoT und IIoT.

Normen in Produkte gießen

Damit SPE dieses Potenzial entfalten kann, ist es notwendig, dass die Partner aus unterschiedlichen Industriezweigen zusammenarbeiten und diese Vision möglich machen. Das beginnt in der gemeinsamen internationalen Normung bei IEEE802, ISO/IEC und TIA und setzt sich bei der Entwicklung und Bereitstellung der notwendigen Komponenten beginnend bei den Halbleitern, magnetischen Bauteilen, Steckverbindern und Verkabelungskomponenten sowie Messtechnik fort. Nur wenn die Standards und Komponenten zumindest in Musterstückzahlen vorhanden sind, können Anwender die Vielzahl der möglichen Geräte mit SPE-Übertragungstechnik ausrüsten und neue Anwendungen erschließen. Damit wird SPE nicht nur viele Anwendungen effizienter und umweltverträglicher unterstützen. SPE wird auch viele neue Anwendungen erst möglich machen.

Matthias Fritsche

Produkt Manager und Senior Expert für Ethernet bei der Harting Technologiegruppe in Espelkamp.

(sk)

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