Längenvergleich
Verwirrung um maximal mögliche (USB-)Verkabelungslängen
Wer das Internet befragt hat, ob benötigte Kabellängen in der gewünschten Schnittstelle realisierbar sind, wird überrascht sein, wie viele unterschiedliche Antworten man für die gleiche Frage bekommen kann. Was ist aktuell aber wirklich darstellbar?
Bild 1 | Für Interfaces, wie USB 3.0/3.1, Ethernet über RJ45, CameraLink (HS) oder CoaXpress, ergeben sich unterschiedliche maximale Kabellängen, die von verschiedenen Faktoren abhängen.(Bild: Alysium-Tech GmbH)
„Kabellängen bis 5m sind gerade so realisierbar“, „USB-IF konform bis max.2m“, „alles über 3m geht nur aktiv“ usw. Wer bereits einmal USB3.1 Gen1 (5G) für seine Applikation als Schnittstelle auserkoren hat, wird sicherlich über solche Argumente gestolpert sein. Doch worauf basieren diese Aussagen und welche ist richtig? Als USB3.1 (damals noch USB3.0) als Plug&Play und günstige Konsumerschnittstelle für die Industrie eingeführt wurde, machte man sich die Qualifizierung der Verkabelungen recht einfach. Man übernahm einfach die USB-IF Vorgaben, die keine Kabellänge in Meter vorgibt, aber durch die Fixierung einiger elektrischer Grenzwerte, eine maximal mögliche Kabellänge durch die Verlustleistung limitiert. Aktuell geht man davon aus, dass eine 100% kompatible USB-IF Verkabelung maximal eine Länge von 2m erreichen kann. Dieser Wert ist jedoch nur gültig für die üblichen im Bildverarbeitungsbereich eingesetzten USB A auf MicroB Verkabelungen, da auch die eingesetzten Steckverbinder-Varianten Einfluss auf die erreichbaren Kabellängen haben.
USB
Wer sich die üblichen Industrieapplikationen ansieht, wird aber feststellen, dass die benötigten Kabellängen eher im Bereich von drei bis acht Meter liegen. Hersteller wie z.B. Alysium haben daher auf diese Anforderung frühzeitig reagiert. Bereits bei der Präsentation der ersten USB3.0 (5G) Kamera, wurden passive Kabellängen von bis zu 8m vorgestellt. Wie ist dies aber möglich? Alysium fokussiert sich mit seinen Verkabelungen auf den Industrie- und Automotive-Markt, d.h. man setzte hier den Schwerpunkt auf ‚Fit for Applikation‘ in der Entwicklung. Durch ein hohes Verständnis dieser Zielmärkte und der Zusammenarbeit mit Kunden und Hersteller aus diesem Sektor, hat man Verkabelungen entwickelt, die sich möglichst nah an dem USB-IF Standard bewegen, jedoch die Zielsetzung haben, die eigentliche Zielapplikation stabil und sicher zu unterstützen. Durch diese Ausrichtung wurden z.B. Rohkabel entwickelt, die im Konsumerbereich nicht eingesetzt werden. Ob nun durch den Einsatz eines größeren Querschnittes, z.B. der stromführenden Leitungen oder der Einsatz von Coax für die Superspeed (USB3.1) Signale: Durch dieses spezielle Design kann man inzwischen sicherstellen, dass passive Kabellängen von 8m stabil (24/7) in den üblichen Applikationen möglich sind. Auch Längen bis 10m sind inzwischen von einigen Partnern für bestimmte Applikationen freigegeben. Warum dies aber nur applikationsbedingt? Bei USB3.1 – wie auch bei vielen anderen Schnittstellen – entscheidet nicht nur eine Komponente, sondern das gesamte System über die ideale Kabellösung. Gerade auf Host-Seite gibt es stellenweise recht große Unterschiede in der Auslegung der USB3.1 Spezifikation, was dazu führen kann, dass z.B. weniger Strom zur Verfügung gestellt wird, als die eingesetzte USB3.1 Kamera benötigt. Wir empfehlen, sich mit dem Kamerahersteller bzw. Systemintegrator frühzeitig in Verbindung zu setzen. Diese haben meist bereits vollumfängliche Tests durchgeführt, und können entweder das optimale Gesamtsystem als Einheit anbieten oder entsprechende Empfehlungen aussprechen. Zusammengefasst kann man sich darauf verlassen, dass passive USB-Kabellängen von mindestens 8m für die Industrie stabil darstellbar sind (Stand: Oktober 2018) und diese auch durch speziell für die Industrie entwickelten aktiven Glasfaservarianten abgerundet wurden. Diese Varianten bieten Plug&Play auch für Schleppketten- und Roboterapplikationen bis zu 50m – inklusive Stromversorgung für die Kamera. Sollten in einer Applikation nur kürzere Kabellängen stabil funktionieren, empfehlen wir die Prüfung bzw. den Austausch der eingesetzten Komponenten. Auch im Bereich von USB3.1 Gen2 (10G) wird man zukünftig versuchen, die maximal mögliche Kabellänge im Kupferbereich durch ein ähnliches Vorgehen zu erweitern. Jedoch muss man hier verstärkt davon ausgehen, dass aktiv-optische Verkabelungen bereits bei kürzeren Längen zum Einsatz kommen werden.
Bild 2 | Übersicht über die maximal möglichen Kabellängen verschiedener Interfaces (Stand Oktober 2018). (Bild: Alysium-Tech GmbH)
Ethernet über RJ45
Ähnlich sieht es bei den weiteren Schnittstellen aus: Ethernet über RJ45 ist laut Standard bis 100m (10G/CAT6A) definiert und weckt somit die Erwartung, dass diese Längen auch im industriellen Umfeld erreichbar sind. Jedoch muss man hier mit Einschränkungen der anderen Art rechnen: Die 100m stellen zum Einen das komplette System dar, und nicht ’nur‘ die sichtbare Verkabelung. Ebenso wird durch den Einsatz von industrietauglichen Rohkabeln (Schleppkette, Roboter-tauglich, etc.) die mögliche maximale Kabellänge weiter eingeschränkt. Meist spricht man in der Praxis von maximal erreichbaren Längen um die 50m. Diese Grenzen werden sich zukünftig durch den Einsatz von Glasfaser verschieben. Verbindungen weit über 20G finden bereits seit Jahren im Datencenter-Bereich ihre Anwendung. Die dort eingesetzten Schnittstellen wie SFP+ und zukünftig QSFP+ halte bereits nach und nach Einzug in der Industrie. Herausforderungen wie Vibrationsfestigkeit oder Staubdichtigkeit werden aktuell angegangen, doch liegt hier der Schwerpunkt verstärkt auf den Einsatz von Glasfaser, welches die Frage nach der möglichen maximalen Länge mit 100m und mehr beantworten lässt. Auch hier wird zukünftig die Kabellänge eher durch das mögliche Einsatzgebiet eingeschränkt, und nicht durch die Verkabelung als solche.
Camera Link (HS) und CoaXPress
Ähnlich sieht es auch bei CameraLink und CameraLink HS aus. Während bei CameraLink inzwischen durch weitere Verbesserungen der eingesetzten Komponenten und der Verkabelung von Alysium passive Kabellängen von bis zu 14m umsetzbar sind, werden bei CameraLink HS die möglichen Kabellängen erneut durch den Einsatz von aktiv-optischen Verkabelungen auf ein neues Level angehoben. Längen von bis zu 20m sind inzwischen stabil umsetzbar und ab Lager verfügbar. Dies alles als Plug&Play und nicht durch den sonst üblichen Baukasten, der aus verschiedenen Verkabelungen und Repeatern besteht. Auch andere Schnittstellen wie z.B. CoaxPress erreichen durch die Steigerungen der Bandbreiten eine immer stärkere Limitierung der möglichen Kabellängen. Hier arbeitet man inzwischen gemeinsam mit CameraLink HS an der Umsetzung eines neuen Standards (CCXP), in dem sowohl für CoaxPress, als auch für das CameraLink HS eine gemeinsame Plattform für verschiedene aktiv-optische Verbindungstechnologien festgelegt werden soll.
