09. November 2011

M12D-kodiert versus RJ45

Beitrag aus openautomation 6/2011


Industrielle Steckverbinder in Schutzart IP67 für die Ethernet-Kommunikation: Welcher ist vorzuziehen, M12D-kodiert oder RJ45?


Die Vielfalt von Industrial-Ethernet-Steckverbindern in Schutzart IP67 ist groß, zumindest wenn es um industrielle RJ45-Steckverbinder geht. Bei M12-Steckverbindern gibt es hingegen derzeit nur einen Standard. Dabei ist die M12-Variante die am weitesten verbreitete Anschlusstechnik in der Steuerungstechnik beziehungsweise auf der Feldebene. Entsprechend vertraut sind Anwender mit dieser Anschlusstechnik. Das gilt auch für den Industrial-Ethernet-Bereich. Die Profibusnutzerorganisation (Profinet), Ethernet Powerlink Standardization Group (Ethernet Powerlink), Modbus IDA (Modbus TCP) und ODVA (Ethernet/IP) haben einheitlich die M12D-kodierte Verbindungstechnik in ihre Spezifikationen aufgenommen. Bei RJ45-Anschlüssen bevorzugen diese Nutzerorganisationen allerdings unterschiedliche Varianten nach DIN EN 61076-3-106 [1] ff.


Konkurrierende Steckersysteme

Die M12-Anschlusstechnik ist seit etwa 30 Jahren im Umfeld der Automatisierungstechnik erfolgreich im Einsatz. Sie ist kompakt gebaut, robust ausgelegt und in Schutzart IP67 nach DIN EN 60529 (VDE 0470-1) [2] erhältlich. In der E DIN IEC 61076-2-101 (VDE 0687-76-2-101) [3] ist der M12-Steckverbinder beschrieben. Er ist durch sein D-ko­diertes Steckgesicht (M12D) für den Einsatz in Industrial-Ethernet-Netzwerken spezifiziert.

RJ45 steht als Sy­nonym für die Anschlusstechnik in der Informationstechnologie. Western Electric hat diesen Steckverbinder ursprünglich entwickelt. Daher leitet sich auch die alternative Bezeichnung „Western Plug“ ab. Nahezu jeder kennt diesen Steckverbinder, da alle PC in der Office-Welt über RJ45 mit dem Unternehmensnetzwerk verbunden sind. Der Vorteil: Patch-Kabel mit RJ45-Steckern sind einfach zu stecken und zu lösen. Die DIN EN 60603-7 (VDE 0687-603-7) [4] beschreibt den RJ45-Steckverbinder. Die Verkabelung ist in der ISO/IEC 11801 [5] (für Office) bzw. in der ISO/IEC 24702 [6] (für Industrie) beschrieben.

Für den Einsatz im rauen industriellen Umfeld liegen zwischenzeitlich Weiterentwicklungen von RJ45 in Schutzart IP67 vor. Diese Anschlüsse fassen die E DIN IEC 61076-3-106, DIN EN 61076-3-114 [7], -115 [8], -116 [9] und -117 [10] zusammen. Die Merkmale eines RJ45-Steckers in IP67 sind seine Durchgängigkeit vom Office bis in die Maschine. Außerdem ist er geeignet für Übertragungseigenschaften der Kategorie 5 bis Kategorie 6A nach ISO/IEC 11801. Er ist in der Schutzart IP67 nach DIN EN 60529 (VDE 0470-1) ausgeführt; es gibt ihn mittlerweile in 14 Varianten.

Die maßgeblichen Varianten des RJ45 in IP67 sind:
• Variante V 01: ein Bajonett-Steckverbinder, wie ihn die ODVA vorschreibt,
• Variante V 04: ein Push-Pull-Steckverbinder für die Fabrikhallenverkabelung nach ISO/IEC 24702,
• Variante V 05: ein Rechteck-Steckverbinder (ähnlich „Schwere Steckverbinder“),
• Variante V 06: ein Push-Pull-Steckverbinder mit Klammerverriegelung,
• Variante V 14: ein Push-Pull-Steckverbinder, wie ihn unter anderem die PNO und die AIDA (Automatisierungsinitiative der deutschen Automobilindustrie) spezifizieren.

Im Weiteren wird nur noch auf die IP67-Version des RJ45 (kurz RJ45) und den M12-Steckverbinder mit D-kodiertem Anschluss (kurz M12D) Bezug genommen.


Bandbreite und Übertragungsgeschwindigkeit
Die Übertragungsgeschwindigkeit auf einem symmetrischen Übertragungssystem stellt genau definierte Anforderungen an die Bandbreite der Kabel und Steckverbinder. Ist die Ethernet-Übertragung mit 100 Mbit/s auf einer Systembandbreite von 100 MHz (Kategorie 5) realisierbar, stellt das Übertragungssystem eine vier­adrige Verbindung zur Verfügung. Der Schritt zur nächsten Geschwindigkeitsstufe von 1.000 Mbit/s, also 1 Gbit/s, erfordert eine Systembandbreite von 250 MHz (Kategorie 6) mit einem acht­adrigen Übertragungssystem bei gleichbleibenden äußeren Bedingungen, wie Interferenzen, Systemlänge, Dämpfung usw.

Damit wären die physikalischen Kapazitäten des M12D-Steckers, der zurzeit genormt für die Kategorie 6 nicht vorliegt, begrenzt. Der bekannte achtpolige M12-Steckverbinder erfüllt aufgrund der Lage seiner Kontakte nicht die Anforderungen für eine Ethernet-Übertragung. Dies gilt für Fast-Ethernet (100 Mbit/s) sowie für Gigabit-Ethernet und auch 10-Gigabit-Ethernet. Der achte Kontakt in der Mitte des M12-Steckverbinders wirkt wie eine zusätzliche Antenne, die ein zu großes Nahnebensprechen (NEXT) verursacht. Der neue achtpolige M12-Cat.-6A ist kein Steckverbinder, der auf einen bestehenden achtpoligen M12 aufgesteckt werden kann, sondern ein zum achtpoligen Standard-M12 inkompatibler Steckverbinder. Der Wechsel von vieradrig auf achtadrig sowie auf höhere Übertragungsgeschwindigkeiten bedeutet also eine Inkompatibilität zu bestehenden M12-Systemen und damit einen Systembruch.


Für Gigabit-Ethernet-taugliche Versionen
Mittlerweile gibt es zwei zueinander inkompatible Versionen des M12-Cat.-6A. Der erste Entwurf wurde für Kamerasysteme im Gigabit-Bereich entwickelt und bereits 2008 auf der Elektronica in Prototypen vorgestellt. Aufgrund des Kreuzaufbaus der paarigen Kammern wurde dieser Steckverbinder in die Normierung als X-Coding aufgenommen.

Seit Ende 2009 existiert ein weiterer technologischer Ansatz, welcher als H-Coding in die Normierung Eingang gefunden hat. Entgegen der Abschirmung der paarigen Kontakte durch ein Vier-Kammersystem beim X-Coding werden die Kontakte bei H-Coding orthogonal angeordnet, um das Nahnebensprechen zu minimieren.


Robust – robuster – M12?
Das Hauptargument der M12-Steckverbinder ist die Robustheit im Vergleich zum industriellen RJ45-Stecker sowie seine Bekanntheit im Industrieumfeld. Die Normvorschläge zeigen aber, dass die Prüfspezifikationen des achtpoligen M12-Cat.-6A-Steckverbinders hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegenüber Temperatur, Schock und Vibrationen die gleichen Anforderungen erfüllen wie die bekannten RJ45-Stecksysteme (V14). Im Vergleich sind die geprüften Anforderungen, die ein achtpoliger M12-Steckverbinder erfüllen muss, die gleichen wie die eines RJ45 mit Schutzgehäuse.


Testnorm für das Übertragungsverhalten
Für den symmetrisch aufgebauten achtpoligen M12-Steckverbinder gibt es aktuell, hinsichtlich der Datenübertragung, keine Cat.-6A-Testnorm. Es wird mit einem Abschluss des Normungsprojekts nicht vor dem Jahr 2012 gerechnet. Im Gegensatz dazu sind die Messverfahren der Übertragungseigenschaften bei nicht symmetrischen RJ45 international standardisiert und auch breit im Markt akzeptiert.


+Status der Normung*
Beide Steckverbinderkonzepte wurden jeweils als PAS (Public Available Specification) auf den Weg gebracht. Eine PAS ist ein Norm­entwurf, auf den referenziert wird, solange eine Norm noch nicht international akzeptiert ist. Beide PAS wurden im September 2010 zu einem Normungsprojekt zusammengefasst, in dem beide zueinander inkompatiblen Systeme eingebracht wurden. Hiermit ergibt sich eine ähnliche Situa­tion wie im Jahr 2001, als die Normierung 14 zueinander inkompatible Steckerverbindervarianten für die industriellen RJ45-Steckverbinder in einer Norm zusammengefasst hat. Am Ende haben sich die zwei Steckverbinder durchgesetzt, die von den Nutzergruppen wie PNO und ODVA für Indus­trial Ethernet ausgewählt wurden. Dies sind die Varianten 1 und 14 der Normenreihe DIN EN 61076. Der Auswahlprozess hat damals mehrere Jahre in Anspruch genommen.


Und jetzt?
Obwohl sich Steckverbinder-Lösungen in RJ45-Anschlusstechnik weiterhin durchsetzen werden, kann von einer Ablösung von M12D-Steckverbindern noch keine Rede sein. Andererseits hat der RJ45 aufgrund seiner hohen Übertragungsgeschwindigkeit Vorteile, wenn Applikationen den Transfer von großen Datenmengen verlangen, wie es bei hochkomplexen Bilddaten der Fall ist. Hohe Übertragungsraten benötigen beispielsweise Hersteller von Kameras, die diese zur optischen Überwachung und Qualitätskontrolle von Fertigungsprozessen einsetzen. Mit der M12-Anschlusstechnik lässt sich das nicht mehr darstellen. Und bei der Beobachtung der industriellen Megatrends liegt die Vermutung nahe, dass sich die aus dem IT-Umfeld bekannte schnelle Entwicklung der Übertragungsinfrastruktur auch im industriellen Umfeld weiter fortsetzen wird.

Weidmüller überlässt seinen Kunden die Wahl zwischen RJ45 und M12D und hat in seinem IE-Produktportfolio beide Anschlusstechniken im Programm.

Klaus Leuchs
Klaus Leuchs ist Produkt­manager Industrial Ethernet bei der Weidmüller Interface GmbH & Co. KG.

Weitere Informationen unter www.weidmueller.de.

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