Die Übertragung von Ethernet in industriellen Anwendungen über nur ein Paar Kupferadern – das ist mit der Single-Pair-Ethernet-Technologie möglich. Das bedeutet auch: Endgeräte tauschen hierüber nicht nur Daten aus, sondern werden auch gleichzeitig via Power over Data Line (PoDL) mit Strom versorgt. Das bietet Vorteile gegenüber herkömmlichen Ethernet-Lösungen, die zwei Paare für Fast Ethernet (100 Mbit/s) und vier Paare für Gigabit Ethernet benötigen.
Auf diese Weise eröffnet SPE neue Möglichkeiten für die Vernetzung von Sensoren und Aktoren im Feld bis in die Cloud, denn mithilfe der Technologie können Geräte wie Kameras, Sensoren oder Ventile direkt an das Netzwerk angeschlossen werden, ohne zusätzliche Gateways oder Protokollumsetzer. Somit wird die Kommunikation vereinfacht und standardisiert. Durch die normseitigen definierten Übertragungsstrecken für Ethernet-basierte Systeme können mit SPE erstmals längere Distanzen überbrückt werden als mit herkömmlichen Ethernet-Leitungen. Je nach Standard sind Übertragungslängen von bis zu 1000 m möglich. Damit ist eine durchgängige Verbindung vom Feld bis in die Cloud möglich.
Neue Normen für SPE-Kabel
Die Vorteile der Datenleitungen der Zukunft bringen jedoch auch neue Anforderungen mit sich. Sie sind in den Normen der sogenannten IEC 61156-Serie, einer internationalen Normenreihe für Datenkabel als Meterware, zusammengefasst und definieren den Aufbau sowie die elektrischen Eigenschaften von SPE-Kabeln für verschiedene Anwendungsfälle. Im Falle von SPE-Leitungen wird in vier Kategorien unterschieden:
- IEC 61156-11: SPE-Datenkabel bis 600 MHz Bandbreite zur festen Verlegung (Edition 1 veröffentlicht)
- IEC 61156-12: SPE-Datenkabel bis 600 MHz Bandbreite zur flexiblen Verlegung (Edition 1 veröffentlicht)
- IEC 61156-13: SPE-Datenkabel bis 20 MHz Bandbreite zur festen Verlegung (in Arbeit)
- IEC 61156-14: SPE-Datenkabel bis 20 MHz Bandbreite zur flexiblen Verlegung (in Arbeit)
Diese Normen definieren unter anderem die geometrischen Abmessungen der Kabel samt einzelner Bestandteile des Kabelaufbaus, die elektrischen Eigenschaften wie Dämpfung, Übersprechen oder Impedanz sowie die mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit. Darüber hinaus legen sie die Umwelteigenschaften – zum Beispiel Temperaturbereich oder Flammwidrigkeit – oder die Verfahren zur Überprüfung der Eigenschaften fest. Sie basieren zudem auf den entsprechenden IEEE-Standards für SPE, wie IEEE 802.3cg oder IEEE 802.3bw, sind jedoch nicht identisch mit diesen Standards, sondern enthalten zusätzliche Anforderungen oder Spezifikationen.
Auswahl der richtigen Leitung
Will ein Kunde nun eine SPE-Leitung für eine Anwendung auswählen, spielen – wie bei allen herkömmlichen Leitungen – mehrere Faktoren eine entscheidende Rolle: Wie hoch sollen die gewünschte Übertragungsrate und Reichweite sein? Handelt es sich um eine feste oder flexible Verlegung und wie sind die Umweltbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit, denen die Leitung ausgesetzt sein wird? Darüber hinaus spielen die Kompatibilität mit Steckverbindern und Geräten sowie die EMV-Eigenschaften der Kabel in der Regel eine entscheidende Rolle im Entscheidungsprozess. Übertragungsrate und Reichweite hängen von der Bandbreite und der Dämpfung des Kabels ab. Je höher die Bandbreite und je geringer die Dämpfung, desto höher sind mögliche Übertragungsrate und Reichweite. Die Normen der IEC 61156-Serie geben für verschiedene Leistungsklassen die maximalen Übertragungslängen an. Zum Beispiel können mit einem Kabel der Klasse I bis zu 1000 m bei 10 Mbit/s oder bis zu 40 m bei 1 Gbit/s übertragen werden.
Eines der wichtigsten Merkmale von SPE ist Power over Data Line (PoDL), also die Übertragung von Daten und Strom über das einzelne Aderpaar. Indem so Kabel und Steckdosen eingespart werden können, vereinfacht diese Technologie Installationen enorm. Und auch hier greifen die Normen der IEEE 8ß2.3-Serie: Sie geben verschiedene PoDL-Klassen an, die unterschiedliche Leistungsstufen beschreiben. So kann über ein Gerät beispielsweise PoDL mit bis zu 50 W bei 48 V versorgt werden. Eine hybride SPE-Lösung kombiniert die Daten- und Stromübertragung über ein einzelnes Aderpaar mit einer zusätzlichen Stromversorgung über zwei weitere Aderpaare. Dies erhöht die mögliche Leistung auf bis zu 200 W bei 24 V oder bis zu 400 W bei 48 V gemäß IEC 63171-6.
Die Art der Verlegung bestimmt, ob ein festes oder ein flexibles Kabel benötigt wird. Feste Kabel sind für eine dauerhafte Installation geeignet, während flexible Kabel für eine häufige Bewegung oder Biegung ausgelegt sind. Auch hier geben die Normen der IEC 61156-Serie entsprechende Anforderungen an.
Umgebungsbedingungen und EMV-Eigenschaften
Die Umgebungsbedingungen beeinflussen die Wahl des Kabelmaterials und des Schutzmantels. Die Temperatur, die Feuchtigkeit, die chemische Beständigkeit oder die Flammwidrigkeit sind wichtige Faktoren für ein langes Leben und die Sicherheit einer Leitung. Die Kompatibilität mit Steckverbindern und Geräten ist ebenfalls wichtig für eine erfolgreiche Datenübertragung, denn sie müssen zum Querschnitt und auch zur Impedanz des Kabels passen. Wichtig ist es auch, dass sie den gleichen Standard wie das Gerät unterstützen. Für SPE-Steckverbinder bestehen hier verschiedene Standards, wie zum Beispiel der T1 Industrial (IEC 63171-6). Sie definieren unter anderem die geometrische Abmessung der Steckverbinder, die elektronischen Eigenschaften – etwa Kontakt- und Isolationswiderstand –, die mechanischen Eigenschaften wie Steckzyklen oder Schutzart sowie die Verfahren zur Überprüfung der Eigenschaften.
Die EMV-Eigenschaften sind insbesondere bei der Datenübertragung entscheidend für die Zuverlässigkeit der Verbindung. Die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beschreibt das Verhalten eines elektrischen Systems im Hinblick auf elektromagnetische Störungen. Sie werden von externen Quellen wie anderen elektrischen Geräten oder von internen Quellen wie dem eigenen Stromfluss im Kabel verursacht und können zu Signalverlusten, Rauschen oder Fehlern in der Datenübertragung führen.
Expertenwissen für EMV
Um dies zu vermeiden, müssen SPE-Kabel so konstruiert sein, dass sie einerseits möglichst wenig Störungen abstrahlen (Emission) und andererseits möglichst wenig Störungen empfangen (Immunität). Um die Schirmung bei der Entwicklung der hauseigenen SPE-Leitungen zu gewährleisten, setzt Lapp auf vier Punkte: Die Auswahl geeigneter Isolationsmaterialien der einzelnen Adern, die symmetrische Verdrillung des Aderpaares sowie die Verwendung von geschirmten Aderpaaren sowie einer Gesamtschirmung. Um Störeinflüsse zu minimieren, hat sich Lapp hier bei SPE-Leitungen auf eine metallbeschichtete Folie samt darüberliegendem Kupfergeflecht aus verzinnten Kupferdrähten entschieden. Doch nicht nur das Kabel allein ist vor Störungen zu schützen. Der Übergang von einem SPE-Kabel zu einem Steckverbinder birgt das Risiko von Störeinflüssen, wenn etwa die Konfektion nicht standesgemäß durchgeführt wird.
Die Normen der IEC 61156-Serie geben verschiedene EMV-Klassen an, die unterschiedliche Anforderungen an Emission und Immunität beschreiben. Zum Beispiel ist ein Kabel der Klasse C geschirmt und verfügt über eine geringe Emission bei hoher Immunität. Mit Blick auf alle diese Kriterien und Vorteile von SPE-Leitungen hat Lapp derzeit unterschiedliche SPE-Leitungen kurz vor der Markteinführung: Von 18-AWG-Leitungen für Übertragungsstrecken bis 1000 m bei fester und gelegentlich bewegter Anwendung über 22-AWG-Abmessung für die Backbone-Verkabelung bis hin zu hochdynamisch einsetzbaren Roboter-Varianten in 26 AWG. (ge)
Kabel für das Ethernet:
Hier finden Sie mehr über:
