Optionen für Kabelverbinder, Kabelverschraubungen und Kabelhalterungen

Es gibt verschiedene Steckverbinder zum Verbinden von Kabeln und Komponenten, die in der industriellen Automatisierung eingesetzt werden. Diese Steckverbinder müssen alle über die Kabel geführten Strom- und Datensignalströme übertragen und gleichzeitig die Leitung so abschließen, dass die Leiter fest verbunden und geschützt bleiben. Die Herausforderung besteht darin, dass Geräte in der industriellen Automatisierung oft in schmutzigen, heißen, mobilen und elektrisch verrauschten Umgebungen eingesetzt werden ... daher erfordern industrielle Kabelsteckverbinder ein Maß an Robustheit und Zuverlässigkeit, das für andere Anwendungen nicht erforderlich ist.

Betrachten wir zunächst einige Grundlagen zu industriellen Steckverbindern: Zu den Steckverbindern gehören sowohl die Komponenten, die als Kupplungen klassifiziert werden (die zwei Kabel verbinden), als auch Systeme, die sowohl die Stecker- als auch die Buchsenhälften einer Steckverbinderbaugruppe umfassen. In einigen Kontexten kann sich der Begriff Steckverbinder auch auf Kabelverschraubungen beziehen - Anschlüsse, die durch Gehäuse hindurchgeführt werden ... oft mit einer freidrehenden Unterkomponente, die dazu dient, eine O-Ring-Dichtung um das Kabelende herum zu komprimieren, um es gegen Chemikalien, Flammen, Schmutz und Fremdströme abzuschließen.

Industrielle Kabelsteckverbinder verbinden Kabel (häufiger) mit Steckbuchsen an Gerätevorder- und -rückseiten. Alle Steckverbinder und Kabelverschraubungen verfügen über eine Schutzart (IP) gemäß IEC 60529, die ihre Widerstandsfähigkeit gegen Schmutz und Feuchtigkeit quantifiziert. Diese Werte sind die gleichen, die zur Beschreibung der Robustheit von Komponentengehäusen sowie von Gehäusen für Industrieanlagen verwendet werden. Ein IP-Code besteht aus zwei Ziffern, wobei höhere Werte einen höheren Schutzgrad für beide anzeigen.

Die erste Ziffer der IP-Klassifizierung gibt den Grad des Schutzes vor festen Gegenständen wie Staub an - von 0 für keinen Schutz bis 6 für staubdichte Abdichtung.

Die zweite Ziffer der IP-Klassifizierung gibt den Grad des Schutzes gegen Flüssigkeiten an - von 0 für keinen Schutz bis 8 für kontinuierlichen Schutz gegen Wasser in 1 m Tiefe.

Abbildung 1: Hier ist abgebildet, was die verschiedenen IP-Schutzarten von IEC 60529 bedeuten. Die IP-Schutzart von Kabelsteckern ist von entscheidender Bedeutung. (Bildquelle: connectortips.com)

Vergleich von RJ- und M12-Ethernet-Steckverbindern für die Automatisierung

Ethernet, definiert durch IEEE 802.3, ist nach wie vor die am weitesten verbreitete LAN-Technologie (Local Area Network). Zu den Ethernet-basierten Kommunikationsstandards für die industrielle Automatisierung gehören ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP und Profinet. Die Steckverbinder, die üblicherweise mit Ethernet-Kabeln verbunden sind, sind die allgegenwärtigen registrierten Buchsenstecker (RJ). Die meisten RJ-Steckverbinder enthalten einen Stecker mit einer einfachen Kunststofflasche, die in die Gegengeometrie einer RJ-Buchse einrastet, um die beiden sicher zusammenzuhalten. Die Stecker und Buchsen lassen sich leicht auf Kabel aufstecken - und das Installationspersonal kann sie gleichzeitig mit einer speziellen Crimpzange festklemmen und die elektrischen Kontakte herstellen. Mit Crimp-Abschlüssen lassen sich kundenspezifisch zugeschnittene (vor Ort konfektionierte) Kabel herstellen, die einigermaßen zuverlässig sind. Steckersubkomponenten, die für eine solche Vor-Ort-Installation konzipiert sind, haben oft durchsichtige Gehäuse, damit das Installationspersonal alle internen Kontakte vor der Inbetriebnahme überprüfen kann. Abgesehen davon ist die Zuverlässigkeit von werkseitig konfektionierten Kabeln unschlagbar.

Abbildung 2: Dies ist ein Hand-Crimpwerkzeug TL2253-ND, das den RJ-Stecker-Abschluss von vier-, sechs- und achtadrigen, auf Länge geschnittenen Ethernet-Kabeln vor Ort ermöglicht. Mit einem Druck isolieren die Klingen des Werkzeugs flache oder runde Cat5e und Cat6 ab, während gleichzeitig der Steckerkörper gesichert wird. (Bildquelle: Tripp Lite)

Wenn RJ-Steckverbinder für eine bestimmte industrielle Umgebung nicht robust genug sind, sind M12-Steckverbinder möglicherweise besser geeignet. Denn M12-Steckverbinder bieten eine zuverlässigere und physikalisch robustere Verbindung - mit dem zusätzlichen Vorteil des Schutzes gegen das Eindringen von Staub und Flüssigkeiten.

Abbildung 3: RJ-Stecker wie die hier gezeigten sind die häufigsten an Ethernet-Kabeln. Es gibt jedoch auch andere Steckertypen, die für Ethernet-Kabel verwendet werden können. (Bildquelle: Getty Images)

Power over Ethernet (PoE), definiert durch IEEE 802.3, ist eine bequeme Möglichkeit, sowohl Daten als auch elektrischen Strom über ein einziges Kabel zu beziehen. Bei der PoE-Alternative A (oft auch als Modus A bezeichnet) werden dieselben zwei verdrillten Adernpaare verwendet, um sowohl Daten als auch Strom zu übertragen, sodass Kabel mit weniger Adern verwendet werden können - und die Bandbreite ist auf 100 Mbit/s (100BASE-TX) begrenzt. PoE Alternative B (oft auch als Modus B bezeichnet) verwendet ein Cat5-Ethernet-Kabel mit vier verdrillten Paaren - zwei Paare für Daten und zwei Paare für Strom. Dadurch wird die für Daten verfügbare Bandbreite reduziert - die Datenrate wird auf 100 Mbit/s begrenzt, selbst wenn die Kabel für Gigabit Ethernet ausgelegt sind.

4PPoE oder vierpaariges Kabel erfordert ein Kabel mit vier verdrillten Adernpaaren, die sowohl Strom als auch Daten übertragen. Dies bedeutet, dass höhere Datenraten (Gigabit Ethernet und darüber hinaus) und Ströme unterstützt werden. Geräte, die über PoE mit Strom versorgt werden, müssen so konfiguriert werden, dass sie den Modus A oder den Modus B akzeptieren, wie er geliefert wird. Das heißt, sie können einen festen oder wechselnden Widerstand über Adernpaare verwenden, um die Kompatibilität anzuzeigen und eine bestimmte Leistungskonfiguration anzufordern. Natürlich sind es die PoE-Stromversorgungen (das „Sourcing Equipment“ oder PSE), die tatsächlich den PoE-Modus des Systems bestimmen.

Abbildung 4: Das Design des Steckers wird weitgehend von dem Kabel bestimmt, das er abschließt. M12-Ethernet-Kabelsteckverbinder, wie die hier gezeigten, sind in der Regel robuster als RJ-Steckverbinder; einige Hersteller kennzeichnen sie farblich, um die Kompatibilität mit PoE-Modi und Leiteranordnungen anzuzeigen. (Bildquelle: Lumberg Automation)

Zum Abschluss von Daten- und Leistungskabeln (sowie von Netzwerkverkabelungen wie Industrial Ethernet, PROFINET und Feldbus) werden Steckverbinder der M-Serie eingesetzt - runde Gegenstecker mit einer Buchsenhülse mit Gewinde (zur Montage auf einer Stiftleiste), die eine Reihe von Stiften umschließt. M8 (8 mm) und M12 (12 mm) sind die gängigsten Gewinde, aber auch M5, M16 und M23 sind bekannte Standards. Der formschlüssige (schraubbare) Verschluss der Steckverbinder der M-Serie gewährleistet eine äußerst zuverlässige Verbindung, die unterbrochene Signale minimiert und gleichzeitig vor Verschmutzungen schützt, wie sie in Waschanlagen und korrosiven Umgebungen häufig vorkommen. Kein Wunder, dass die Steckverbinder der M-Serie ein Top-Standard bei den Leitungen für Aktoren, SPS, Sensoren, Schalter und Steuerungen der industriellen Automation sind.

M8- und M12-Steckverbinder können zwei, drei, vier, fünf, acht oder 12 Stifte (auch Positionen genannt) haben. Sensoren und Netzteile benötigen in der Regel drei oder vier Pins. Für Steckverbinder der M-Serie an den Enden von Ethernet- und PROFINET-Kabeln werden vier oder acht Pins benötigt. Im Gegensatz dazu haben diejenigen an den Enden von Kabeln, die Feldbus-, CAN-Bus- und DeviceNet-Daten transportieren, in der Regel vier oder fünf Pins. Natürlich kann es bei Kabeln, die mehrere Daten- und Leistungsströme führen, erforderlich sein, diese mit einem Steckverbinder der M-Serie abzuschließen, der alle 12 Pins besitzt.

Abbildung 5: Dieser rechtwinklige Steckverbinder Brad Ultra-Lock 120108 ist eine proprietäre Adaption eines M12-Steckverbinderdesigns zur Erhöhung der Zuverlässigkeit. (Quelle: Molex)

In der Tat ist eine verwandte Stecker-Buchsen-Konstruktion, die in der Industrie recht verbreitet ist, das Pin-Array-und-Buchsen-Paar - ursprünglich von Molex eingeführt, so dass es im Volksmund manchmal als Molex-Verbindungen bezeichnet wird. Die proprietäre Brad-Steckverbinderserie von Molex basiert auf M12-Steckverbindern, ersetzt aber die Gewindehülse durch ein bequemeres und zuverlässigeres Druck-Verschlusssystem. Da die Verriegelung nicht vom Anziehen eines Gewindes durch den Bediener abhängt, gewährleistet sie Zuverlässigkeit und minimiert das Risiko eines unterbrochenen Signals. Zu den Brad-Steckverbindervarianten gehören:

• M12-Steckverbinder Brad Micro-Push - ein Steckverbinder zum Aufstecken und Abziehen mit Schutzart IP65
• M12-Steckverbinder Brad MX-PTL mit Druckverschluss und Schutzart IP65
• M12-Steckverbinder Brad Micro-Change mit Gewindeanschluss und Schutzart IP67
• M12-Steckverbinder Brad Ultra-Lock und Ultra-Lock EX mit Druckverschlüssen und O-Ringen für den vollen IP69K-Schutzgrad.

Koaxialsteckverbinder für hochfrequente Signale

Koaxialkabel (mit Koaxialsteckverbindern) werden auch in der Industrieautomation zur Übertragung von hochfrequenten Signalen eingesetzt - insbesondere zur Unterstützung der Schwingungsüberwachung und der analogen Signalübertragung. Normen gibt es viele.

BNC-Steckverbinder haben einen Bajonettverschluss, der zum Verbinden oder Trennen eine Vierteldrehung erfordert. Sie können für Frequenzen jenseits von 12 GHz und in einigen Fällen bis zu 18 GHz eingesetzt werden. Steckverbinder DIN 0.4 bis 2.5 sind sehr kleine Steckverbinder, die für Frequenzen bis 3 GHz geeignet sind. Im Gegensatz dazu sind DIN1.0/2.3-Steckverbinder kleine, steckbare Hochfrequenz-Steckverbinder, die in der digitalen Telekommunikation weit verbreitet sind.

Modulare und kundenspezifische Kabel für automatisierte Maschinen werden immer zahlreicher

Bei herkömmlichen Systemintegrationsansätzen werden die Kabel während der Installation der automatisierten Anlage vor Ort „konfektioniert“ - gemessen, zugeschnitten und angeschlossen. Das bedeutet in der Regel, dass ein Elektriker vor Ort die benötigten Kabel zuschneidet, die empfindliche Ummantelung der Leiter abisoliert und die Kabel mit den erforderlichen Steckern für die Verbindung der Komponenten bestückt. Eine solche Kabelvorbereitung im Feld ist zeitaufwändig und führt zu einer variablen Verbindungsqualität. Deshalb geht der Trend heute zu modularen Kabel- und Steckersystemen, die aus Standardkabeln und werkseitig montierten Steckern bestehen. Erforderliche Kabellängen werden bei der Auslegung ermittelt und einbaufertig geliefert.

Einige schätzen, dass modulare Kabel die Installationszeit vor Ort um 60 % bis 70 % reduzieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen verbessern.

Der Sonderfall der Kabelverschraubungen

Kabelverschraubungen werden überall dort eingesetzt, wo Kabel durch ein Gehäuse geführt werden. Verschraubungen dienen drei Zwecken - sie sichern das Kabel, verhindern Kabelverschleiß und bieten eine Dichtung um das Kabel, um Komponenten im Inneren des Gehäuses vor Verunreinigungen zu schützen. Die Art und Weise, wie Kabelverschraubungen das Kabel sichern, verhindert im Wesentlichen eine Beschädigung der elektrischen Kontakte durch Herausreißen oder andere Störungen. Sie verhindert außerdem, dass das Kabel an der scharfen Blechkante des Gehäuseausschnitts schabt oder reibt. Das ist wichtig, weil Bleche leicht durch Kabelmäntel schneiden und schließlich einen Kurzschluss der Kabeladern verursachen können.

Bei weniger anspruchsvollen Anwendungen werden oft Lamellenverschraubungen verwendet, die mehrere Finger haben, die sich um das Kabel klemmen. Diese Art von Verschraubung ist weniger kostspielig, muss aber regelmäßig nachgezogen werden, um den Schutz vor Eindringen zu gewährleisten. Hochwertigere Verschraubungen verwenden eine durchgehende Dichtung, die sich um das Kabel klemmt. Bei dieser Art von Verschraubung ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie sich mit der Zeit lockert, wesentlich geringer.

Konstruktion der heutigen industriellen Leistungssteckverbinder

Geräte, die für die industrielle Automatisierung eingesetzt werden, benötigen neben einer Datenverbindung oft auch eine kabelgebundene Stromversorgung. Die bereits erwähnte, relativ neue Technologie PoE ist dort vorzuziehen, wo sie eingesetzt werden kann, weil sie die Verkabelung vereinfacht. Die überwiegende Mehrheit der Automatisierungskomponenten und -systeme benötigt jedoch herkömmliche Netzkabel.

Von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) genormte Steckverbinder sind bei Stromkabeln für Verbraucher- und Büro- sowie Industrieanwendungen üblich. Die IEC definiert in der Norm IEC 60320 eine Reihe von nicht verriegelbaren Steckverbindern mit Spannungen bis 250 V und Strömen bis 16 A. Hier wird der C13/C14-Steckverbinder üblicherweise für elektronische Geräte - einschließlich Computernetzteilen - verwendet. Größere C19/C20-Kupplungen werden an den Enden von Kabeln eingesetzt, die höhere Ströme führen - dazu gehören z. B. Serverschränke.

Abbildung 6: Allzweck-Netzkabel umfassen eine Vielzahl von IEC- und anderen Standardsteckern. (Bildquelle: Getty Images)

Für kritischere oder anspruchsvollere Anwendungen werden oft IEC60309-Steckverbinder bevorzugt. Diese Stecker, Buchsen und Kupplungen sind ausdrücklich für den industriellen Einsatz bestimmt und können Spannungen bis 1000 V, Ströme bis 800 A und Frequenzen bis 500 Hz übertragen. Alle diese Steckverbinder bieten ein gewisses Maß an Widerstand gegen das Eindringen von Wasser: IP44-Steckverbinder sind spritzwassergeschützt, IP67-Steckverbinder sind wasserdicht und IP66/67-Steckverbinder verhindern zuverlässig das Eindringen von Wasser, selbst wenn sie einem Druckstrahl ausgesetzt sind. Steckdosen können auch so verriegelt sein, dass die Steckdose erst dann unter Spannung gesetzt werden kann, wenn sie mit einem Stecker verbunden ist - und der Stecker kann erst dann entfernt werden, wenn der Strom abgeschaltet ist.

Abbildung 7: Beachten Sie die Farbkodierung (gemäß IEC 60309) dieses Hochleistungskabelsteckers. (Bildquelle: Railway Tech)

Für unterschiedliche Stromstärken werden verschiedene Größen von IEC60309-Steckverbindern verwendet. Die Steckverbinder sind außerdem kodiert und farblich gekennzeichnet, um ihren Spannungs- und Frequenzbereich anzuzeigen:

• Gelb zeigt eine Belastbarkeit von 100 bis 130 V bei 50 bis 60 Hz an
• Blau zeigt eine Belastbarkeit von 200 bis 250 V bei 50 bis 60 Hz an
• Rot zeigt ein Belastbarkeit von 380 bis 480 V bei 50 bis 60 Hz - oft in dreiphasiger Konfiguration

Fazit

Bei der Auswahl von Steckverbindern und Verschraubungen für die industrielle Automatisierung gibt es viele Geometrie- und Integrationsmöglichkeiten. Bei der Spezifikation eines Kabels für eine bestimmte automatisierte Maschine müssen die Entwicklungsingenieure als erstes die Anzahl der Kabeladern und die Aderquerschnitte berücksichtigen. Der Schutz gegen Eindringen und die Notwendigkeit einer formschlüssigen Verriegelung, um intermittierende Signale zu verhindern, sind die nächstwichtigen Überlegungen.