Ethernet-Schnittstelle Digitalisierung durchs Nadelöhr

Egal ob einer die Schlagworte wie Industrie 4.0, Internet of Things (IoT), Industrial Internet of Things (IIoT) oder Digitalisierung bemüht – ohne Ethernet-Verbindung geht nichts mehr in unserer vernetzten Welt. Funk ist eine Lösung, allerdings nur für die Übertragung einer von zwei wichtigen Lebensadern, der Daten. Neben einer Datenautobahn benötigen aber alle Geräte auch eine Stromversorgung. Es bietet sich deshalb an, die Datenverbindung via PoE (Power over Ethernet) oder PoDL (Power over Data Lines) sowohl für die Daten als auch für die Stromversorgung zu verwenden.

Ingenieure sollten aus der Not eine Tugend machen. Wenn die Verbindung über Kabel und Steckverbinder notwendig ist, sollten sie hier alles technisch Mögliche herausholen. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass Geräte und Sensoren in Industrie und Automation immer mehr schrumpfen und bisherige Modelle und Größen in der Anschlusstechnik schon bald an ihre Grenzen stoßen.

Industrietaugliche Ethernet-Schnittstelle

Ohne die entsprechenden Datenautobahnen aus Kabeln und Steckverbindern ist jedes noch so neue und leistungsstarke Gerät arbeitsunfähig. Die Verbindungstechnik ist damit ein wesentliches Element jedes Gerätes und ein detaillierter Blick auf diese Dateninterfaces, insbesondere auf neue Schnittstellen, ist mehr als sinnvoll. Als Ethernet Interfaces sind heute nicht nur der allgegenwärtige RJ45, den es auch in diversen industrietauglichen Varianten gibt, sondern auch der M12 D- und X-kodiert im Einsatz. Mit der zukünftig steigenden Anzahl an vernetzten Geräten und Anlagen, sowie den gleichzeitig immer kleineren Baugrößen dieser Geräte, werden kleinere und gleichzeitig robustere Ethernet-Schnittstellen benötigt.

Platz sparen, ist das momentane Credo bei Geräteherstellern. Problematisch wird es allerdings, wenn die Verbindungstechnik diesem Miniaturisierungsstreben im Weg steht. Wenn zum Beispiel die Buchse bisheriger Standardsteckverbinder den größten Teil des Gehäuses belegt. Natürlich ist ein einzelner M12 oder auch ein einzelner RJ45 nicht groß, aber Kamerasysteme in der Größe einer Streichholzschachtel machen klar, dass das „Klein“ von gestern einfach nicht mehr klein genug ist. In Anwendungen mit vielen Schnittstellen addieren sich wenige Millimeter Platzersparnis schnell zu mehreren Zentimetern pro Gerät. Bei Einheiten aus mehreren Geräten können sich diese Zentimeter wiederum zu Einsparungen von mehreren Metern aufsummieren. Diese Rechnung kann beliebig fortgesetzt werden.

Was kommt als neuer Standard, der diese Anforderungen erfüllt, in Frage? Mit dem ix Industrial, als Alternative zum RJ45, ist eine neue Datenschnittstelle geschaffen worden, die diesen Anforderungen gerecht wird. Geräteseitig spart der ix Industrial 70 Prozent Platz zum Vorgänger ein. Gleichzeitig ist er robuster als sein Vorgänger und damit eine wirklich industrietaugliche Schnittstelle mit Potenzial, eine neue Standardschnittstelle zu werden.

Schnelles Ethernet über eine kleine Schnittstelle wird in Kamerasystemen und auch in Switchen, WLAN Access Points, Routern und anderen Netzwerkkomponenten benötigt. Auch in Bahnfahrzeugen und Bussen im öffentlichen Personenverkehr können Displays und Passagierinformationssysteme über die ix-Schnittstelle gleichzeitig mit Daten und via PoE/PoE+ auch mit Power versorgt werden. Insgesamt können die Endgeräte durch den verringerten Bauraum der Buchse leichter verkleinert werden, da miniaturisierte Buchsen und Stecker eine höhere Packungsdichte ermöglichen.

In der aufrechten und gewinkelten Buchse liegt das Rastermaß zwischen den Buchsen bei 10 Millimetern. Da sowohl Komponenten als auch die Gehäuse der Systeme stetig schrumpfen, ist auch der Platz für die Verkabelung begrenzt. Für die Geräteverkabelung verwendet Harting flexible und dünne Systemkabel mit kleinem Biegeradius, die den Einbau in miniaturisierte Gehäuse ermöglichen. Sie sind beidseitig mit dem ix-Steckgesicht oder gemischt mit ix- und RJ45-Steckverbinder ausgeführt. Die dritte Variante ist auf einer Seite mit einem X-kodierten M12 versehen. Insbesondere mit den gemischten Systemkabeln von ix- auf RJ45-Steckgesicht ist eine schrittweise Integration von Geräten mit dem neuen ix-Steckgesicht in bestehende Verkabelungen umsetzbar.

Klein, miniaturisiert, platzsparend: All das klingt eher nach filigraner Technik denn nach einer Lösung für industrielle Anwendungen. Das wird dem ix Industrial allerdings nicht gerecht. Während sich die Nutzer des bisherigen RJ45 oft mit gebrochenen Verrasthebeln und Kontaktproblemen herumärgern mussten, ist die neue Lösung kleiner und trotzdem robuster ausgelegt - eben voll industrietauglich. Die geräteseitige Buchse aus Metall wird fest über fünf THR-Pins mit der Leiterplatte verbunden, während der Stecker ebenfalls ein stabiles Gehäuse mit Zugentlastung und festem Schirmcrimp besitzt. Verbunden und gesichert werden beide Komponenten über zwei Metallhaken, die mit einem Klick einrasten und Vibrationen widerstehen. Auch nach der hohen Zahl von 5.000 Steckvorgängen liegen alle relevanten Parameter wie Übergangs- und Isolationswiderstand, Spannungsfestigkeit sowie die Steck- und Ziehkräfte innerhalb der zulässigen Grenzwerte. Dadurch können auch ohne Probleme die Anforderungen der Bahnnorm 50155 an Schock- und Vibrationsfestigkeit erfüllt werden.

Steckverbinder für hohe Übertragungsraten

Auch hohe Übertragungsraten spielen eine Rolle in der Zeit von immer mehr größeren Datenmengen. Deshalb ist der ix Industrial für Kat.6_A ausgelegt und für 10 GBit/s einsetzbar. Eine hochfrequente Übertragung ist stets dem Problem von Störeinflüssen ausgesetzt. Vom Kabelschirm bis zur Verbindungsstelle ist deshalb ein konsequentes 360°-Schirmungskonzept umgesetzt. Der Kabelschirm wird direkt am Steckverbindergehäuse verpresst und hat damit eine robuste Zugentlastung und eine durchgehende Schirmübergabe.

Eine besondere Herausforderung ist es, in dieser kleinen Bauform mit sehr nah beieinanderliegenden Kontakten, das Übersprechen zwischen den einzelnen Datenpaaren wirksam zu minimieren. Dazu ist zwischen den beiden Kontaktreihen in der Buchse ein Schirmblech versteckt, dass das Übersprechen zwischen den beiden gegenüberliegenden Kontaktreihen wirksam verhindert. Weiterhin besitzt der neue ix Industrial nicht 8, sondern 10 Kontakte. In jeder Kontaktreihe dient der mittige Kontakt als Abschirmung zwischen den beiden Adernpaaren. Dazu wird dieser Mittelkontakt auf der Leiterplatte mit dem Massepotential verbunden. Durch das Schirmblech und die geerdeten Kontakte ergibt sich in der Anordnung der signalführenden Kontakte eine ähnliche Anordnung wie bei einem X-kodierten M12-Rundsteckverbinder. Jedes Adernpaar liegt gut gegen seine Nachbarn abgeschirmt in einem eigenen Kabel- beziehungsweise Steckverbinderquadranten. Diese Maßnahme schützt wirksam gegen Übersprechen und sorgt für die nötige Daten-Performance.

Die Übertragungseigenschaften wurden im firmeneigenen akkreditierten Prüflabor verifiziert. Der verwendete Messaufbau besteht aus einer Testleiterplatte für die ix-Buchse und einem konfektionierten ix-Steckverbinder, dessen Adernpaare mit dem Harting BCCTF-40-GHz-Messadapter an die Messtechnik angeschlossen waren. Gemessen wurden alle Netzwerkparameter bis 2 GHz.

Ethernet-Anschluss im Feld

Früher waren Geräte in der Feldebene, die einen direkten Ethernet-Anschluss brauchten, eher die Ausnahme. In Zeiten der Digitalisierung allerdings rückt Ethernet immer weiter ins Feld und bis an jeden kleinsten Sensor heran. Um auch hier eine passende geschützte Schnittstelle nach IP67-Standard für Ethernet zur Verfügung zu haben, waren M12-Steckverbinder bisher das Mittel der Wahl. Aber auch hier ergibt sich das gleiche Phänomen: Sensoren, Aktoren und Geräte schrumpfen immer weiter und die Buchsen, die es im Gehäuse unterzubringen gilt, müssen ebenfalls kleiner werden. Zusammen mit der Profibus Nutzerorganisation PNO hat Harting aktiv den Standard für den D-kodierten M8-Steckverbinder als passende Lösung für Feldanwendungen vorangetrieben. 30 Prozent Platzersparnis scheinen auf den ersten Blick nicht besonders viel, aber gerade an oben genanntem Beispiel wird deutlich, wie viel Platz gespart werden kann, wenn es viele Buchsen unterzubringen gilt. Robustheit ist der heimliche zweite Vorname aller Rundsteckverbinder. Um diesem Aspekt gerecht zu werden, ist die M8-Buchse über THT-Pins fest mit der Leiterplatte verbunden und kann so auch bei aller Miniaturisierung den harten Ansprüchen industrieller Anwendungen standhalten.

Um nicht Gefahr zu laufen, eine Nischenlösung hervorzubringen, setzt Harting sich aktiv in Normengremien ein, um branchenweite Standards voranzutreiben. Die D-kodierte M8-Schnittstelle für die Ethernet-Anbindung von Morgen ist deshalb nach PAS IEC 61076-2-114 genormt. Neben einer Datenrate von Cat.5 können bis zu 4 A bei 50 V übertragen werden. Zudem ist die Schnittstelle natürlich auch PoE fähig. Deshalb ist das Gros der Geräte nicht auf eine zusätzliche Spannungsquelle angewiesen, sondern kann über eine kleine Schnittstelle mit allen notwendigen Lebensadern Power und Daten versorgt werden.

Entwickler von Geräten aller Art mit Ethernet-Anschluss, sowie Planer und Installateure von industriellen Datennetzwerken sollten sich diese miniaturisierte Lösung genauso ansehen, wie Verantwortliche aus den Bereichen Automation, Gebäudeautomation und vor allem auch Transport - seien es Anwendungen in Bahn, Schiff oder Bus. Ix Industrial und M8 D-kodiert sind besonders bei diesen hochbelasteten Einsatzfällen die richtigen Schnittstellen für Passagierinformationssysteme und Bordnetzwerke.