Sichere und zuverlässige Konfiguration industrieller Sensoren und Aktoren mit Sensor-Aktor-Boxen

Entwickler moderner industrieller Automatisierungsanlagen (IA) wissen nur zu gut, wie schnell sie sich über Hunderte von Quadratmetern innerhalb einer Anlage erstrecken können. Das Verlegen separater Kabel zwischen dem Steuerungscomputer und allen Näherungssensoren und mechanischen Armen im Prozessbereich kann zu Unordnung in der Anlage führen und die Konfiguration dieser Geräte verlangsamen. Darüber hinaus kann der Austausch oder die Neukonfiguration eines vorhandenen Sensors oder Aktuators das Verlegen eines weiteren Kabels zwischen dem Prozessort und dem Steuercomputer erfordern, was die Wartung verlangsamt. Das Problem vergrößert sich noch mit dem Bestreben, mehr Systeme mit dem Internet der Dinge (IoT) zu verbinden, um sie auf einem Remote-Dashboard über die Cloud zu überwachen.

Um diese Anschlussprobleme zu vereinfachen, können Entwickler von Industriesystemen Sensor-Aktor-Boxen (auch Abzweigdosen und Verteilerboxen genannt) verwenden. Mit diesen Komponenten können viele Sensoren und Aktoren angeschlossen werden, indem eine Hauptleitung vom Steuercomputer zu einer Box geführt wird, die am Prozessort in vielen Steckverbindern endet, was die Verdrahtung vereinfacht.

In diesem Artikel wird kurz auf die Probleme im Zusammenhang mit der IA-Vernetzung eingegangen. Anschließend werden drei reale Beispiele für Sensor-Aktor-Boxen vorgestellt - jeweils eine von Molex, Alpha Wire und Phoenix Contact - undgezeigt, wie sie die Verdrahtung in einer industriellen Umgebung vereinfachen und gleichzeitig die Wartung und Konfiguration erleichtern können.

Anschluss von Steuerrechnern an Sensoren und Aktoren

Viele Steuerungscomputer in industriellen Automatisierungsumgebungen befinden sich in der Nähe der Geräte, die sie steuern. Die Kabel vom Computer zu den Sensoren und Aktoren können relativ kurz sein, oft nur etwa ein oder zwei Meter. In einigen Industrieanlagen können sich die Steuerungscomputer jedoch viele Meter entfernt befinden, so dass mehrere Kabel zwischen den beiden Standorten verlegt werden müssen. Dies ist bei Robotern in Montageanlagen, Fließbandanlagen, aber auch bei großen Industriefahrzeugen wie LKWs und Flugzeugen üblich. In manchen Situationen kann der Prozessbereich gefährlich sein, da der Standort schädlichen Chemikalien oder extremen Temperaturen ausgesetzt ist. Bei dieser Art von Maschinen wird der Steuerungscomputer oft in einer sicheren, geschützten Entfernung platziert, um die Zuverlässigkeit zu maximieren.

Bei einer konventionellen Verdrahtung würden in solchen Situationen mehrere Kabel vom Steuerrechner zu jedem Sensor und Aktor verlegt werden. Dies ist nicht immer ein einfacher Vorgang. An jedem Ende des Sensor- oder Aktorkabels müssen die richtigen Kabelabschlussstecker verwendet werden. In vielen gefährlichen Umgebungen kann es mehr Zeit in Anspruch nehmen als erwartet, sicherzustellen, dass das Kabel sicher und korrekt verlegt ist. Und schließlich verlangsamt die Zeit, die für die Konfiguration und den Anschluss der Kabel für jeden Sensor und Aktor benötigt wird, die Inbetriebnahme und verursacht zusätzliche Kosten. Wenn die Anlage heruntergefahren werden muss, um mehr als einen Sensor oder Aktor auszutauschen oder zu konfigurieren, führt dies zu zusätzlichen Ausfallzeiten, die die Kosten weiter erhöhen, manchmal sogar dramatisch, je nach Anlage.

Sensor-Aktor-Boxen

Eine sichere und kostengünstige Lösung für eine IA-Anlage ist der Einsatz von Sensor-Aktor-Boxen. Diese Boxen fassen alle Sensor- und Aktorkabel vom Steuercomputer zu einem einzigen Stammkabel zusammen, das oft als Home-Run-Kabel bezeichnet wird und zum Prozessbereich führt. Das Kabel endet in der Nähe des Prozessbereichs in einer einzelnen robusten Anschlussdose, die Steckverbinderaufnahmen enthält, normalerweise acht oder mehr M12-Steckverbinder. Sensor-Aktor-Boxen werden manchmal auch als Abzweigboxen, Verteilerboxen und auch IO- oder I/O-Boxen bezeichnet. Die Anschlussdose mit den montierten M12-Buchsen ist eine abgedichtete, vorverdrahtete Einheit der Schutzart IP67 oder besser.

Das Home-Run-Kabel für alle Sensoren und Aktoren muss nur einmal verlegt und platziert werden. Dies ist ein Vorteil bei der Verlegung des Kabels in beengten Bereichen, da die Techniker keine zusätzliche Zeit damit verbringen müssen, sich in und um beengte Räume zu winden.

Mit einer Sensor-Aktor-Box muss ein Techniker nicht für jeden Sensor und Aktor ein langes Kabel zwischen dem Steuerrechner und dem Prozessbereich verlegen, sondern er schließt ein Ende eines verkürzten Kabels an die nahegelegene Sensor-Aktor-Box und das andere Ende an die Anlage an. Dies kann in Sekundenschnelle geschehen und minimiert die Zeit, die der Installateur im Prozessbereich verbringt. Dies vereinfacht die Wartung und verbessert die Sicherheit, während gleichzeitig Zeit gespart und Fehler reduziert werden.

Auswahl und Verwendung von Sensor-Aktor-Boxen

Sensor-Aktor-Boxen gibt es in einer Vielzahl von Designs, aber einige Faktoren, die zu berücksichtigen sind, sind Sichtbarkeit, Robustheit, die Art des Materials, Gewicht, Formfaktor, die Anzahl der Buchsen, Strombelastbarkeit, Montageoptionen und IP-Schutzarten für Staub, Feuchtigkeit und Gaseintritt, um nur einige zu nennen.

Für besonders raue Umgebungen, wie z. B. Flurförderfahrzeuge und Lagerhallen, in denen die Geräte starken Stößen ausgesetzt sein können, bietet Molex die MPIS-Verteilerdosenfamilie Brad Safety (MPIS: Multi-Port Interconnection System) an. Diese hochbelastbaren Dosen werden aus Polybutylenterephthalat (PBT) hergestellt, das sowohl leicht als auch robust ist und hohe Stöße von schweren Geräten oder sogar einen Aufprall von einem fahrenden Fahrzeug aushalten kann.

Die MPIS-Verteilerbox 1202480510 von Molex mit 8 Ports unterstützt bis zu 4 Ampere (A) pro Port, mit einem Maximum von 12 A für alle acht Ports zusammen (Abbildung 1). Zur Erleichterung des Zusammensteckens hat jeder Anschluss einen vertieften Bereich für ein einrastendes Etikett aus ABS-Kunststoff (Acrylnitril-Butadien-Styrol). Diese Etiketten sind robuster und reißen im Vergleich zu Papieretiketten nicht ein.

Abbildung 1: Die MPIS-Sensor-Aktor-Box 1202480510 von Molex bietet acht M12-Buchsen. Um die Verbindung zu erleichtern, trägt jeder Anschluss ein Einrastschild aus robustem ABS-Kunststoff. (Bildquelle: Molex)

Die 1202480510 von Molex ist zur besseren Sichtbarkeit hellorange gefärbt und entspricht der Schutzart IP67. Damit ist sie für den Einsatz in schmutzigen, staubigen und feuchten Umgebungen und in einem Temperaturbereich von -25 °C bis +85 °C geeignet. Das Home-Run-Kabel ist 5 m lang und unterstützt einen kundenspezifischen Kabelabschluss, der typischerweise ein M23-Stecker ist, aber jeder für die Anwendung benötigte Stecker sein kann. Jede versenkte M12-Buchse hat acht Stifte in einer Industriestandardkonfiguration. Jeder Port verfügt über eine gelbe LED, die anzeigt, dass ein Port mit Strom versorgt wird. Dies hilft, schnell zu überprüfen, ob ein Port aktiv ist, was während der Konfiguration und bei der Diagnose von Verbindungsproblemen nützlich ist.

Die Sensor-Aktor-Box von Molex bietet zwei Langlöcher für M4-Befestigungsschrauben. Dadurch kann die Box auf Geräten oder fest an einer Wand montiert werden. Die Box sollte so montiert werden, dass die acht M12-Steckbuchsen leicht zugänglich sind, und sie sollte so sicher sein, dass die Kraft, die beim Einschieben eines M12-Steckers in seine Buchse entsteht, diesen nicht verschiebt.

Leichte Sensor-Aktor-Box-Anwendungen

Für Anwendungen, bei denen das Gewicht eine Rolle spielt, wie z. B. bei Flugzeugen oder einigen Industriefahrzeugen, bietet Alpha Wire die Familie Alpha Connect aus passiven Verteilerdosen an, einschließlich der Sensor-Aktor-Box 901-10M NC032 mit 8 Anschlüssen (Abbildung 2). Diese Alpha-Connect-Box ist aus einer leichten Zinklegierung gefertigt und eignet sich für Flugzeuge, Kleinlastwagen und batteriebetriebene Fahrzeuge wie Gabelstapler und kleine Erdbewegungsmaschinen, bei denen jedes Gramm zählt. Sie verfügt über ein 10 m langes Home-Run-Kabel, das für Flugzeuge und Fahrzeuge geeignet ist, bei denen die kürzeste Strecke zwischen zwei Punkten oft keine gerade Linie, sondern eine kurvenreiche Passage ist. Die Box ist passiv und hat keine Port-Anzeige-LEDs. Durch seine neutrale beige Farbe fügt sie sich unauffällig in viele Umgebungen ein.

Die Einheit enthält zwei Staubschutzabdeckungen, um zwei unbenutzte Steckbuchsen vor Verunreinigungen zu schützen. Die Sensor-Aktor-Box mit den dazugehörigen Steckern hat die Schutzart IP67. Ungesteckte Steckbuchsen haben die Schutzart IP65 und sollten daher mit den Staubschutzkappen versehen werden, um die Schutzart IP67 zu gewährleisten.

Abbildung 2: Die Sensor-Aktor-Box 901-10M NC032 von Alpha Wire ist aus einer leichten Zinklegierung gefertigt. Die acht M12-Buchsen ragen über das Gehäuse hinaus, so dass das Stecken der Steckverbinder schnell und einfach möglich ist. Zwei mitgelieferte Staubschutzkappen im rechten Vordergrund halten unbenutzte Steckbuchsen sauber. (Bildquelle: Alpha Wire)

Jede M12-Buchse hat fünf Stifte. Um die Installation bei der Erstinbetriebnahme zu erleichtern, sind der Farbcode des Standard-M12-Kabels und die Funktionen für jeden Pin auf der Seite der Sensor-Aktor-Box aufgedruckt. Die acht M12-Buchsen sind nicht versenkt, sondern ragen über das Gehäuse aus Zinklegierung hinaus. Dies ermöglicht einen schnellen und einfachen Anschluss, was in einer geschäftigen Industrieumgebung wichtig ist.

Die Sensor-Aktor-Box 901-10M NC032 von Alpha Wire ist für -40 °C bis +80 °C ausgelegt und damit für sehr kalte Industrieumgebungen geeignet, wie sie sowohl in Flugzeugen als auch in einigen Fahrzeugen vorkommen.

Kompakte Sensor-Aktor-Box

Für kleine, platzbeschränkte Anwendungen hat Phoenix Contact die 4-Port-Sensor-Aktor-Box 1692404 entwickelt (Abbildung 3). Diese Box verfügt nicht über ein Home-Run-Kabel und erfordert eine separate M23-Kabelbaugruppe zum Anschluss an den Steuercomputer, so dass die Box problemlos an einem anderen Ort aufgestellt werden kann. Sie ermöglicht auch eine einfache Wartung und den Austausch des Home-Run-Kabels, wenn es beschädigt ist.

Abbildung 3: Die Sensor-Aktor-Box 1692404 von Phoenix Contact verfügt über vier 4-polige M12-Anschlüsse. Zum Anschluss an den Steuerrechner ist eine externe M23-Kabelkonfektion erforderlich. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Die 1692404 besteht aus Polyamid, das eine hohe Beständigkeit gegen Benzin, Motoröle und Lösungsmittel aufweist, die normalerweise in der Nähe von Motoren vorkommen. Polyamid hat außerdem eine extrem hohe Zugfestigkeit und kann mit stoßfreier Belastung und Biegung besser umgehen als die meisten Materialien. Die Einheit entspricht der Schutzart IP67 und bietet einen Betriebstemperaturbereich von -20 °C bis +75 °C. Damit ist sie für den rauen Umgang in Lagerhallen, Bürogebäuden und Bereichen geeignet, in denen häufig Personal in der Nähe von Chemikalien arbeitet.

Jeder der vier M12-Steckverbinder ist für bis zu 4 A ausgelegt, die maximale Stromaufnahme der Einheit beträgt 12 A. Jeder der vier M12-Ports verfügt über eine gelbe LED, die anzeigt, ob der Port richtig gesteckt und in Betrieb ist. Der M23-Port verfügt über eine grüne LED, die anzeigt, dass das Home-Run-Kabel ordnungsgemäß eingesteckt ist und die Box mit Strom versorgt. Dies ist nützlich für die Diagnose während der Einrichtung und Konfiguration. Alle Sensoren und Aktoren, die an den vier M12-Buchsen angeschlossen sind, können durch Abziehen des einzelnen M23-Steckverbinders einfach abgetrennt werden. Dies erhöht die Sicherheit und reduziert die Ausfallzeiten bei Wartung und Neukonfiguration.

Fazit

Sensor-Aktor-Boxen können bei der Wartung und Einrichtung Zeit sparen und gewährleisten gleichzeitig eine zuverlässige Verbindung zwischen Steuercomputern und Sensoren/Aktoren. Viele Sensoren und Aktoren können einfach lokal am Prozessbereich angeschlossen werden, anstatt alle Kabel einzeln zum Steuerrechner zu führen. Die richtige Auswahl der Materialien stellt sicher, dass die Box in der angestrebten industriellen Umgebung zuverlässig arbeitet.