Maximale Länge

Was ist derzeit bei USB3.1 Gen1 Industrieverkabelungen möglich?

Selbst sieben Jahre nach der Präsentation der ersten USB3-Industriekamera herrscht immer noch keine eindeutige Klarheit über die maximal mögliche Kabellänge im Industriebereich.

In der Industrie – speziell in der industriellen Kameratechnik – gibt es zahlreiche Herausforderungen, um eine sichere USB3.1 Verkabelung – auch über große Distanzen – sicherzustellen. (Bild: Alysium-Tech GmbH)

Erst diese Tage erreichte mich wieder ein Newsletter, in dem die Rede davon war, dass die ´besten´ USB3 Industrieverkabelungen eine max. Länge von 5m (passiv) bzw. 20m (aktiv) im Kupferbereich erreichen. Warum dies für Sie bedeutet, dass die besten Verkabelungen möglicherweise für Sie immer noch nicht gut genug sind, verrät Ihnen der folgende Beitrag.

Die USB3 Welt könnte so einfach sein: Die USB-IF Spezifikation beschreibt im Detail, welche elektrischen Grenzwerte für offizielle USB3.0 bzw. USB3.1 Gen1 (5G) Verkabelungen vorgegeben sind. Hiermit ergibt sich in der Praxis bei den typischen USB A auf MicroB Verkabelungen eine maximale Kabellänge von 1,5 bis 2m. Jedes Kabel, welches diese Grenzwerte einhält und die mechanischen Gegebenheiten erfüllt, darf das offizielle Superspeed-Logo tragen (soweit die USB-IF Gebühren gezahlt werden). Doch schon hier fangen bereits in der Konsumerwelt die ersten Herausforderungen an. Die Grenzwerte bzw. Tests werden stellenweise sehr entspannt ausgelegt bzw. in der Massenproduktion nicht erreicht. Fast jeder der sich schon einmal mit dem Thema beschäftigt hat und ein günstiges Kabel von einem Fachgeschäft seiner Wahl gekauft hat, wird bei den Tests stellenweise herausfinden, dass selbst Kabel auf kürzester Länge schon Probleme in der Applikation verursachen.

Elektrische Kniffe für Überlängen

In der Industrie – speziell in der industriellen Kameratechnik – fangen hier die Herausforderungen an die Hersteller jedoch erst an. Außer im Embedded Bereich sitzt der Rechner meistens mehr als 2m von der Kamera entfernt, d.h. eine Umsetzung mit passiven, dem Standard entsprechenden, USB3.1 Gen1 Verkabelungen, wäre gar nicht möglich. Die Kabelkonfektionshersteller für diesen Bereich erlauben sich daher einige elektrische Kniffe, um Überlängen zu ermöglichen. Man setzt auf speziell entwickelte Rohkabel mit einem angepassten Aufbau und ´lehnt´ sich nur in den Bereichen an die USB-IF Spezifikationsvorgaben an, die für einen einwandfreien Datentransfer notwendig sind. Man erlaubt sich also die Überschreitung mancher Grenzwerte in applikations-unkritischen Bereichen. So wird z.B. auch die Powerleitung innerhalb des Rohkabels dicker ausgelegt, um so den kritischen VoltageDrop über längere Kabellängen zu vermeiden. Dies alles ist nicht wirklich neu, da bereits vor mehr als sieben Jahren die erste USB3-Kamera über ein 8m langes, passives USB3 Kabel von Alysium mit einem Rechner verbunden wurde.

Wenn das alles aber nichts Neues ist, warum dann weiterhin diese Unsicherheit bei manchen Herstellern? Zum Einen kommt es auf die Fähigkeiten des Verkabelungsanbieters an. Speziell traditionelle Kabelkonfektionshäuser – die keinen Einfluss auf die Entwicklung von Rohkabeln haben – müssen sich darauf beschränken, frei verfügbares USB3 Rohkabelmaterial einzukaufen. Stellenweise wird zudem der industrielle USB3 Markt nur als Nische angesehen und mit dem üblichen Konsumermaterial bedient bzw. es fehlt das technische Verständnis, an welchen Schrauben dort gedreht werden muss. Dies schränkt die elektrischen Fähigkeiten der Verkabelung stark ein und bietet gerade bei Kabellängen über 5m nicht mehr genügend Reserven, um in allen Bereichen eine stabile Verbindung zu garantieren.

Die drei hier abgebildeten Varianten werden noch durch eine passive, kupferbasierende HighFlex Variante ergänzt. (Bild: Alysium-Tech GmbH)

Vier USB3-Kabelvarianten

Alysium bietet daher mittlerweile vier verschiedene Varianten an, um jeweils die optimale Lösung für Ihre Anwendung parat zu haben. Einmal eine passive Lösung, die bereits auf einem speziell angepassten Rohkabel basiert, welches genügend Reserven für Kabellängen bis 5m garantiert. Darüber hinaus gibt es eine zweite Lösung, die auf einem parallelen Koaxaufbau für die Superspeed-Paare basiert und stabile Applikationen bis 8m Länge bzw. nach spezieller Freigabe sogar bis 10m in einigen Applikation bereits in typischen 24/7 Applikationen seine Dienste leistet. Des Weiteren gibt es auch eine Roboter- bzw. Schleppkettenausführung, die eine stabile Performance und genügend Reserven bis 5m bietet. Seit kurzem erweitert eine aktiv optische USB3.1 Gen1 Verkabelung das Portfolio, welche Plug&Play (inklusive Strom) bis auf 50m bietet und u.a. speziell für Robotik- und Schleppkettenapplikationen ausgelegt wurde.

Warum aber optisch und keine traditionelle aktive, kupferbasierende Lösung? Die kupferbasierenden, aktiven Lösungen basieren meist auf einer Art von Hub-Chipsätzen, die dadurch die mögliche Kabellänge erhöht. Leider ist gerade hierdurch die stabile Anwendung in einem unkontrollierten Umfeld stark eingeschränkt, da sich nicht jeder Host Chipsatz mit jedem Hub-Chipsatz versteht. Falls Sie bei Ihrem Endkunden nicht das komplette System eindesignen bzw. vorgeben können, steigt die Herausforderung, ein stabiles System zu gewährleisten stark an. Alysium hat sich daher bisher auf stabile passive Lösungen konzentriert und aktive Kupferlösungen nur projektbasierend angeboten, da nur dort das Umfeld soweit kontrolliert werden konnte, dass eine 100%-Funktion gewährleistet war. Dies hat sich jetzt durch die aktive optische Lösung verändert. Die in Zusammenarbeit mit Corning entwickelte Lösung wurde speziell für raue Industrieumgebungen entwickelt. Neben einer erhöhten Robustheit gegenüber Störstrahlung (Glasfaser ist die einzige 100% Lösung in diesem Sektor), ist in dem hochflexiblen und nur ca.3mm dicken Kabel auch noch Kupfer für die Stromzufuhr verbaut, welches bis auf über 50m eine 100% Stromversorgung der Anwendung alleine über die Verkabelung garantiert. Ebenso ist die Lösung auf torsionale (Roboter) und Schleppketten Applikationen ausgelegt und hat bereits interne Tests mit jeweils über 10 Millionen Zyklen erfolgreich bestanden. Ebenso ist die komplette Elektronik in den Steckerkörpern untergebracht, die zu 100 Prozent der mechanischen Vorgaben der USB3 Vision entsprechen. Somit stören auch über die komplette Kabellänge keinerlei Verstärkereinheiten das Gesamtbild bzw. sorgen so für keine Probleme beim Verlegen des Kabels in der Applikation.

Was bedeutet dies für meine Applikation?

Grundsätzlich: Hören Sie auf Ihren Kamerahersteller oder Systemanbieter. Diese haben bereits genügend Erfahrung in diesem Bereich gesammelt und können Ihnen speziell auch auf Host-Seite USB 3.x Karten empfehlen oder anbieten, die z.B. eine stabile Stromversorgung über alle Ports garantieren. Übrigens: ein acht Jahre alter Desktoprechner stellt über den Frontport keine 100% sichere USB3 Verbindung zur Verfügung! Sollten Sie eine typische 24/7 Applikation haben, eine Applikation die in einem typischen Industrieumfeld mit Störstrahlung steht, dann achten Sie bei der Kabelauswahl auf die Qualität der Verkabelung. Ich persönlich hatte schon Gespräche auf Messen mit (inzwischen) Kunden, die während des Gespräches innerhalb von 30min vier Mal online ihr System reseten mussten, da die Verbindung zur Kamera verloren ging. Erst ein Wechsel zu einem der oben genannten Verkabelungen brachte eine Lösung des Problems. Bleiben Sie bei Anbietern misstrauisch, die z.B. von max. 5m im passiven Bereich oder 20m im aktiven Bereich sprechen. Es gibt inzwischen Anbieter, die speziell für den Industriebereich weit mehr leisten können. Dies könnte Ihren Applikationen neue Möglichkeiten eröffnen bzw. deutlich ruhigere Nächte bereiten.