Platzeinsparung für Steckverbinder bei gleichzeitigem Erhalt der Flexibilität in rauen Industrieumgebungen

In der industriellen Umgebung ist es schwierig, verdrahtete Geräte zu ersetzen oder aufzurüsten, da es schwierig ist, Drähte und Kabel zuverlässig zu entfernen und neu zu installieren. Ebenso erfordert das Hinzufügen neuer Sensoren, eines Prozessors oder anderer Komponenten oft einen kompletten Austausch und eine Neuverkabelung.

Darüber hinaus werden die industriellen Geräte immer kleiner, was den verfügbaren Platz für mehrere Steckverbinder einschränkt. Gleichzeitig erfordert ein effizientes Layout für eine hohe Schaltschrankdichte kleinere Steckverbinder, die eine Kombination mehrerer Verbindungsarten innerhalb eines einzigen Steckverbinders ermöglichen.

Die industrielle Umgebung stellt eigene Herausforderungen an die Integrität von Geräten: Es ist wichtig, dass Flüssigkeiten und Staub keinen Zugang finden und empfindliche Komponenten nicht beschädigen.

Das Ersetzen festverdrahteter Geräte durch solche mit modularen Steckverbindern, löst all diese Probleme. Diese Steckverbinder, die in kompakter Form erhältlich sind, ermöglichen die Kombination mehrerer Verdrahtungsarten in einem einzigen Steckverbinder. Durch die modulare Bauweise können diese Steckverbinder schnell umkonfiguriert werden, um Änderungen und Aktualisierungen zu ermöglichen, ohne dass Geräte oder Kabel ausgetauscht werden müssen. Darüber hinaus dichten witterungsgeschützte modulare Steckverbinder gegen Staub und Flüssigkeiten sowie gegen die Auswirkungen von Hochdruckwasserstrahlen ab, die bei der Sterilisation verwendet werden.

Dieser Artikel befasst sich mit den Grundlagen der modularen Steckverbinder und zeigt, wie sie ausgewählt, montiert und verwendet werden. Dabei werden beispielhafte Steckverbinder von HARTING vorgestellt, die für das industrielle Systemdesign verwendet werden können.

Konfektionierung mit modularen Steckern

Es gibt zwei Möglichkeiten, Stromversorgung, Signale und digitale Daten in einem industriellen Gerät oder einer Anwendung zu verkabeln.

Die Verkabelung kann entweder fest verdrahtet oder über einen Stecker installiert werden. Die Wahl hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Am wichtigsten ist wahrscheinlich die Frage, wie häufig das Gerät abgetrennt wird und wieder angeschlossen werden muss. Wenn das festverdrahtete Gerät neu angeschlossen werden muss, muss jedes Kabel sorgfältig entfernt und neu angeschlossen werden, was erhebliche Arbeitskosten verursacht. Die Gefahr einer Fehlverdrahtung ist groß, und es kann Stunden dauern, bis ein Fehler behoben ist.

Die Verwendung von Steckverbindern mag anfangs teurer sein, aber sobald diese Entscheidung getroffen ist, wird die Neuverkabelung zu einem Plug&Play-Szenario, bei dem es schwierig ist, die Kabel falsch zu verdrahten, was den Bedarf an Fachkräften reduziert. Die Verwendung von Steckverbindern als Ersatz für festverdrahtete Kabel bietet also viele langfristige Vorteile.

Wenn modulare Steckverbinder verwendet werden, erhöht sich die Flexibilität der Installation. Stellen Sie sich einen modularen Steckverbinder vor, der Stromversorgung, Sensor-, analoge und digitale Signale und sogar pneumatische Signale handhaben kann (Abbildung 1). Es steht eine Vielzahl von Modulen zur Verfügung. Das Beispiel zeigt einen RJ45- und einen seriellen USB-Datenbus, drei mehrpolige Module mit verschiedenen Stiftdurchmessern und ein Modul mit dreifacher Pneumatikleitung.

Abbildung 1: Ein modularer Steckverbinder kann Signale, Stromversorgung, digitale Kommunikation und sogar Pneumatik in einem einzigen Steckverbinder vereinen. Die Module können bei Bedarf schnell und einfach ausgetauscht werden. (Bildquelle: HARTING)

Modulare Steckerkonfiguration

Eine einfache Nomenklatur der verschiedenen Komponenten eines modularen Steckverbinders ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Die Nomenklatur der modularen Steckverbinderkomponenten von HARTING. Die Rahmen halten die Module fest und passen in das Gehäuse oder die Haube. Die Steckverbinder lassen sich leicht öffnen, und die Module können neu angeordnet, hinzugefügt oder entfernt werden, wenn Änderungen erforderlich sind. (Bildquelle: HARTING)

Der feste Teil eines Basissteckers ist ein Gehäuse. Das Gegenstück des beweglichen Teils ist eine Haube. Die Rahmen halten die Module fest und passen in das Gehäuse oder die Haube. Steckverbinder können mit zusätzlichem Platz für zukünftige Erweiterungen konfiguriert werden, indem Dummy-Module verwendet werden. Die beiden Gegenstecker werden mit einer Schraube oder einem einrastenden Hebelverschluss miteinander verbunden. Die Hauben können oben oder an der Seite eine oder mehrere Kabelzugänge bieten. Der Zugang auf das Gehäuse kann sowohl von oben als auch von unten erfolgen.

Angesichts der großen Anzahl von Modulen, Gehäusen, Hauben und anderen Verbindungselementen, die HARTING anbietet, kann es ein komplexes Unterfangen sein, die richtigen Optionen auszuwählen. HARTING vereinfacht diesen Prozess mit einem Online-Konfigurator, der die Auswahl und Konstruktion eines modularen Steckverbinders erleichtert (Abbildung 3).

Bild 3: Die Benutzeroberfläche des HARTING-Han-Online-Konfigurators vereinfacht die Auslegung und Auswahl von modularen Steckverbinderkomponenten. (Bildquelle: HARTING)

Der Konfigurator leitet den Nutzer bei der Auswahl von Draht-, Daten-, optischen und pneumatischen Elementen für den Steckverbinder. Bei jedem Element hat der Benutzer die Wahl, ob er es dem beabsichtigten Design anpassen möchte.

In diesem Beispiel werden die elektrischen Elemente ausgewählt. Der Benutzer gibt die Anzahl und die Art der Drahtmedien, die Anforderungen an die Stromstärke und einige andere konstruktionsbezogene Fragen ein. Der Konfigurator zeigt schnell einige mögliche Konfigurationen mit einer Auflistung der Teile und einer isometrischen Zeichnung der Baugruppe (Abbildung 4).

Abbildung 4: Konfiguratordarstellung eines sechspoligen Kabelsteckers und einer Basissteckbuchse mit zugehörigem Sockel, Haube und Kabelklemme. (Bildquelle: HARTING)

Der Entwurf ist vollständig dokumentiert mit herunterladbaren Stücklisten, 3D-Modellen, Datenblättern, Typenblättern und Produktdeklarationen.

In dem gezeigten Beispiel wurden u. a. die Art des Sockels, die gewünschte Verriegelung, die Anzahl der Leiter, die erwarteten maximalen Strom- und Spannungswerte und die Umgebung abgefragt. Die daraus resultierenden Konfigurationen beinhalteten den Sockel 09400060311 von HARTING für den Schalttafeleinbau. Der Sockel besteht aus Aluminiumdruckguss mit Schraubverschluss und ist für raue Umgebungen geeignet. Dieser Sockel wurde mit einem robusten Doppelmodul-Klapprahmen 09140060371 von HARTING kombiniert. Der Rahmen bietet Platz für zwei Module. Die Wahl fiel auf ein Buchsenmodul mit sechs Steckplätzen, das 09140063101 von HARTING. Die dazugehörigen silbernen Crimpstiftsockel sind die 09330006220 von HARTING für 20 AWG Draht.

Die Kabelseite des Steckers basiert auf der Aluminium-Druckguss-Steckerhaube 19400060411 von HARTING mit dem dazugehörigen robusten Doppelmodul-Halterahmen 09140060361 von HARTING. Dieser Rahmen nimmt das Steckermodul 09140063001 von HARTING mit den 20 AWG Silber-Crimpstiften 09330006121 von HARTING auf. Die Haubenbaugruppe wird mit einer 9-16-Messingkabelklemme 19000005090 von HARTING abgerundet. Der Sockel und die Haube nehmen zwei Module auf, so dass ungenutzte Plätze mit Dummy-Modulen, wie z.B. dem 09140009950 von HARTING, gefüllt werden können.

Schutz gegen Umwelteinflüsse

Alle HARTING-Han-HPR Komponenten arbeiten in einem Temperaturbereich von -40°C bis +125°C, sind abgedichtet und erfüllen die Schutzklassen IP68 und IP69K.

Die nach IEC 60529 definierte Schutzart (IP) gibt den Schutzgrad an, den die Komponenten der Steckverbinder gegen äußere Einflüsse bieten. Zu den äußeren Einflüssen gehören mechanische Stöße, Fremdkörper, Feuchtigkeit, Staub und Flüssigkeiten wie Wasser, Kraftstoff, Reinigungsflüssigkeiten, Kühlmittel und Öle.

Die erste Zahl in der IP-Einstufung gibt die Festkörperbeständigkeit an. Die Einstufung kann von 0 bis 6 reichen. Die Zahl 6 steht für die höchste Schutzstufe. Steckverbinder mit der Einstufung 6 sind staubdicht und bieten vollen Schutz gegen feste Partikel. Die zweite Zahl in der IP-Einstufung gibt die Beständigkeit gegen Flüssigkeiten an. Diese Zahl reicht von 0 bis 9. Eine Bewertung von 8 bedeutet, dass das Gerät wasserdicht und gegen Wasserdruck geschützt ist. Die Einstufung 9K bedeutet Schutz vor Dampfstrahldruckreinigern und ähnlichen druckgetriebenen Flüssigkeiten. Daher ist eine Schutzart von IP68 oder IP69K ausgezeichnet.

Die HARTING-Han-HPR-Serie ist für den Einsatz in rauen Außenbereichen konzipiert. Die Hauben und Gehäuse aus Aluminiumdruckguss sind mit einer Epoxid-Pulverbeschichtung versehen, die ihnen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit verleiht und sie gleichzeitig gut gegen Nässe abdichtet. Die Metallkomponenten sorgen für hervorragende elektromagnetische Verträglichkeit.

Für Mehrfachinstallationen, bei denen dieselben Steckverbinder verwendet werden, bietet diese Steckverbinderserie bis zu sechzehn kodierte Positionen, um den korrekten Anschluss der Kabel zu gewährleisten. Darüber hinaus ist die HPR-Kompaktserie platzsparend und gewichtsreduziert, da sie bis zu 25 % leichter ist als entsprechende HPR-Standardsteckverbinder.

Fazit

Die Gewährleistung von Verbindungsintegrität, Flexibilität und Erweiterbarkeit bei gleichzeitiger Einhaltung der Formfaktoranforderungen und der strengen industriellen Umgebungsbedingungen kann für Entwickler eine Herausforderung darstellen. Wie gezeigt, vereinfacht die Verbindung auf der Grundlage eines hochgradig konfigurierbaren, kompakten und modularen Ansatzes mit einem einfach zu bedienenden Online-Tool zur Auswahl von Verbindungselementen den Prozess erheblich.