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Strategy
18/05/2021

Kupfer - Alter Hut oder Power-Basis für das IIoT?

SPE: Grenzen einpaariger Verkabelung
Rainer Schmidt
Business Development Manager Cable Systems, HARTING Electronics
Kupfer - Alter Hut oder Power-Basis für das IIoT?

Sind kupferbasierte Leiter ein alter Hut oder doch die Grundlage für das IIoT und kommende Ethernet-Netzwerke? Dieser Frage ist das Verbundprojekt NG200 der Hochschule Reutlingen gemeinsam mit HARTING und LEONI nachgegangen. Ziel war es, aufzuzeigen, wie bekannte und relativ neue kupferbasierte Übertragungslösungen im
Vergleich zu WLAN und Lichtwellenleitern stehen. Dabei lag der Fokus auf möglichen Bandbreiten für die Datenüber tragung bei gleichzeitiger Spannungsversorgung in Abhängigkeit von der Übertragungsstrecke.

Leistungsfähige Daten- und Informationsnetzwerke sind Grundvoraussetzung für die notwendigen Entwicklungsschritte in der Automatisierungstechnik und für Industrie 4.0 bzw. IIoT. Wie viel Power wirklich in kupfergebundener Kommunikationstechnik steckt, zeigt das Verbundprojekt NG200 der Hochschule Reutlingen in Gemeinschaft mit HARTING und LEONI.

Die Gewinner bei den Kommunikationsstandards heißen TCP/IP und Ethernet. Lange Zeit galten Funktechniken wie Wi-Fi/WLAN oder 5G als Favoriten im Kampf der verfügbaren Kommunikationsmedien. Mit Aufkommen von Single Pair Ethernet (SPE) verschiebt sich das Kräfteverhältnis noch einmal nachhaltig.

Ziel der Untersuchungen war es, die Leistungsgrenzen Kupferkabelgebundener Netzwerke auszuloten. Sowohl bei der eigentlichen Kommunikation, die geprägt wird von der Bandbreite in MHz beziehungsweise der Datenübertragungskapazität in Gbit/s und angewandter Kodierung, wie beispielsweise PAM16, als auch die gleichzeitige Übertragung von Versorgungsspannungen für Endgeräte. Bekannt sind die gleichzeitige Übertragung von Power und Daten unter Power over Ethernet (PoE) oder Power over Data Line (PoDL). Die Möglichkeit der Fernspeisung ist ein herausragender und nachhaltiger Vorteil gegenüber der Funk- aber auch der Glasfaserübertragung.

Im Einzelnen wurden dazu Kanalmodelle entwickelt und überprüft, die alle übertragungstechnischen Parameter in Abhängigkeit von der Bandbreite (Frequenz bis 2,5GHz), der Übertragungssicherheit (BER von 10–12), der Kanallänge (10m bis 1.000m), der Anzahl der Paare in einem solchen Kanal (kleinste Einheit ist hier ein Paar = ein „twisted pair“ /1TP) und der möglichen Leistung zur Fernspeisung (bis 100W) mit einbezogen.

"Mit Aufkommen von Single Pair Ethernet (SPE) verschiebt sich das Kräfteverhältnis noch einmal nachhaltig."

Rainer Schmidt, Business Development Manager Cable Systems, HARTING Electronics

Die Kanalmodelle sind Matrizen, die Kanaleigenschaften mit mathematischen Mitteln umfassend beschreiben können – S-Parameter im Touch-Stone Format. Damit wiederum können Simulationen zum Kanalverhalten gefahren werden. Die Simulationsergebnisse helfen, um den nicht unerheblichen Aufwand bei Entwicklung und Fertigung von Prototypen fü r Kabel und Verbinder und den anschließenden Tests im Labor zu minimieren.

HARTING T1 SPE Steckverbinder nach IEC63171-6
HARTING T1 SPE Steckverbinder nach IEC63171-6

Komplettiert wurden die Untersuchungen dann noch durch Berechnungen und Tests bei Leistungsübertragungen von bis zu 100W und der damit einhergehenden Kabelerwärmung. Die mit den Mitteln der Kanalsimulation vorausgesagten Ergebnisse konnten in den praktischen Tests weitestgehend bestätigt werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden in einer sogenannten „NG 200 Matrix“ zusammengefast und zeigen die Korrelation zwischen Bandbreite, Reichweite, Leitungscodierung und Übertragungsrate bei einem gegebenen Kabeldesign sowie gegebener Paar-Zahl auf. Damit wird die NG200-Matrix zu einer dynamischen Datenbank, mit der beliebige Anwendungsfälle berechnet, bewertet beziehungsweise vorhergesagt werden können.

Durch Erweiterung der NG200 Matrix mit der Symbolfehlerrate lassen sich dann auch Rückschlüsse auf das am besten anzuwendende Kodierungsverfahren (PAM) ziehen.

Fazit: Die erstellte NG 200 Matrix kann zukünftig für die schnelle und sichere Vorhersage notwendiger Verkabelungsparameter in Abhängigkeit von Bandbreite, Länge und eingesetztem Kodierungsverfahren benutzt werden. Das hilft besonders bei der Entwicklung leistungsfähigerer Ethernet-Komponenten und den dazugehörigen Kabeln und Verbindern.

Zur Ausschöpfung technischer Möglichkeiten und unter Berücksichtigung eines angestrebten Kosten/Nutzen-Verhältnisses, sollten zukünftig Kabel- und Steckverbinder Designs bis 2,5GHz näher betrachtet werden. Ein gutes Beispiel sind die HARTING T1 SPE Steckverbinder nach IEC63171-6, die heute bereits bis 2GHz spezifiziert und getestet sind.

Neben der NG200 Matrix hat das Verbundprojekt auch noch ganz praxisnahe Erkenntnisse gebracht, die sich besonders auf die Leistungsfähigkeit von Datenkabeln und Steckverbindern beziehen. Mit den heute verfügbaren technologischen Mitteln ist die Fertigung von Datenkabeln und Steckverbindern bis 2,5GHz durchaus machbar. Und mit entsprechender Nachfrage im Markt auch kostengünstig abbildbar. Nochmals zum Vergleich: Es gibt heute für 4-paarige Systeme Kat.7A Kabel (1000MHz) und entsprechend leistungsfähige Verbinder z.B. nach IEC 61076-3-104 Tera™ (der RJ45 ist für diesen hohen Frequenzbereich nicht mehr einsetzbar). Der Schlüssel zum Erfolg bei diesen Produktdesigns ist die besondere paarweise Schirmung. Beim Kat.7 A Kabel die PiMF-Konstruktion (Pair in Metal Foil) und beim Tera™ die Kammer-Schirmung.

HARTING T1
Hohe Symmetrie des HARTING T1, um 2,5GHz zu gewährleisten

Wird ein 1-paariges System also hoch-symmetrisch und gut geschirmt aufgebaut, kann es mit mehr als dem doppelten der heute üblichen Bandbreite betrieben werden. Diese 1-paarigen Systeme werden durch die Anwendung Single Pair Ethernet (SPE) getrieben und stehen dem Markt z.T. heute schon zur Verfügung – s. T1
Industrial von HARTING.

Somit erfährt die HighSpeed Übertragung über geschirmte Kupfer- gebundene Systeme einen Leistungsschub um den Faktor 2,5! Zusammen mit 100%iger Verfügbarkeit und der Fernspeisung für Geräte ist die Kupfertechnik also kein alter Hut sondern, ganz im Gegenteil, eine Kampfansage an Glasfaser und auch Funk im LAN-Bereich. Und eine Basis für IIoT!

Hinweise

  • Die Ergebnisse des Verbundprojekts und die NG200 Matrix werden in die internationale Normung einfließen. Dazu ist ein Normvorschlag (NWIP/TS) zu Modellierung von informationstechnischen
    Übertragungskanälen für ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 in Vorbereitung.
  • ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 ist das Gremium, das die ISO/IEC 11801 Reihe entwickelt (Strukturierte Verkabelung) und mit dem Amendment der ISO/IEC 11801-3 als erste einen umfassenden Verkabelungsstandard für SPE Verkabelung in der Industrie vorlegt.
  • der ausführliche Schlussbericht für das Verbundprojekt NG200 ist in der TIB (TechnischeInformationsbibliothek) unter dem Forschungskennzeichen 03FS15010 abrufbar.
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