Steckverbinder ix Industrial für höhere Packungsdichte und Zuverlässigkeit von industriellen Ethernet Ports

In Fabriken werden immer mehr datenintensive Anwendungen wie Robotik, maschinelle Bilderfassung und Techniken des industriellen Internets der Dinge (IIoT) eingesetzt. Die Folge ist eine steigende Nachfrage nach Highspeed-Kommunikation. Industrial Ethernet hat zwar geholfen, aber es müssen eine hohe Anschlussdichte ermöglicht, elektromagnetische Störungen (EMI) minimiert und physisch robuste Verbindungen gewährleist werden.

Der Steckverbinder ix Industrial ist nur ein Viertel so groß wie ein RJ45-Steckverbinder und verfügt über eine verbesserte EMI-Abschirmung und robuste Steckverbindungen. Er wurde speziell für die Anforderungen der Fabrikautomation entwickelt. Der nach IEC 61076-3-124 genormte Steckverbinder ermöglicht eine Reihe von herstellerübergreifenden Lösungen und bietet eine Reihe von differenzierten Funktionen zur weiteren Verbesserung der Smart-Factory-Fähigkeiten.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Anforderungen an die Vernetzung in der Fabrikautomation. Anschließend werden Steckverbinder ix Industrial von Hirose vorgestellt und es wird gezeigt, wie sie eingesetzt werden können, um die Anforderungen zu erfüllen.

Industrial Ethernet und die Herausforderungen von RJ45-Steckern

Industrielles Ethernet hat zwei wichtige Eigenschaften, die für intelligente Fabriken geeignet sind: eine Datenrate von 10 Gigabit pro Sekunde (10 Gbit/s) und eine technologische Grundlage in Ethernet. Sie verwendet dasselbe TCP/IP-Protokoll, CAT5e- und CAT6-Kabel und RJ45-Stecker. Diese Interoperabilität erleichtert die Integration von Geräten der intelligenten Fabrik untereinander und mit Unternehmenssystemen.

Die industrielle Umgebung stellt jedoch eine größere physische Belastung für Steckverbinder dar, und mit zunehmender Anschlussdichte werden Steckverbinder mit kleinerem Footprint benötigt, die auch die EMI weiter minimieren können. Wie in Abbildung 1 dargestellt, reduziert der Steckverbinder ix Industrial den Einbauraum im Vergleich zu RJ45-Steckverbindern um 75 %. Gleichzeitig bietet er eine erheblich verbesserte Haltbarkeit und EMI-Beständigkeit (Abbildung 2).

Abbildung 1: Der Steckverbinder ix Industrial (links) ist 75 % kleiner als der herkömmliche RJ45-Steckverbinder (rechts). (Bildquelle: Automation World)

Abbildung 2: Der Steckverbinder ix Industrial bieten viele Leistungsverbesserungen für die Anforderungen der Fabrikautomation. (Bildquelle: Hirose)

Obwohl ix Industrial einen eigenen Stecker verwendet, ist es ansonsten mit dem Rest des industriellen Ethernet-Ökosystems kompatibel. So unterstützt er beispielsweise CAT6A-Kabel mit bis zu 10 Gbit/s sowie Power over Ethernet (PoE) und PoE+ mit bis zu 3 Ampere (A).

Aufbauend auf dieser Kompatibilität wurde der miniaturisierte Steckverbinder nach IEC 61076-3-124 genormt, um eine herstellerübergreifende Interoperabilität zu gewährleisten, die den Designprozess vereinfacht und mehr Freiheit bei der Produktauswahl bietet. So ist die Steckverbinderserie ix Industrial von Hirose zum Beispiel vollständig kompatibel mit Lösungen anderer Hersteller.

Der Steckverbinder ix Industrial wurde auch für mehrere Ethernet-Protokolle ausgewählt, darunter PROFINET, CC-Link IE TSN und GigE Vision:

• PROFINET ist ein weit verbreitetes industrielles Ethernet-Protokoll, das von Profibus und Profinet International (PI) betreut wird. Es wird für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Roboter, Antriebe sowie Sensor- und Aktorein- und -ausgänge (I/O) verwendet.
• CC-Link IE TSN ist ein Standard der CC-Link Partner Association, der Gigabit Ethernet mit Time-Sensitive Networking (TSN) kombiniert. Sie ist in fortschrittlichen Industrien wie der Halbleiter- und Automobilherstellung zu finden.
• GigE Vision ist ein Schnittstellenstandard für industrielle Hochleistungskameras, der von der Automated Image Association (AIA) verwaltet wird. Es nutzt Ethernet-Netzwerke, um Vorteile wie schnelle Datenübertragung, größere Kabellänge, niedrige Kosten und Skalierbarkeit zu erzielen.

Zusätzlich zu diesen offiziellen Anerkennungen können ix-Industrial-Steckverbinder mit vielen anderen industriellen Ethernet-Protokollen verwendet werden, einschließlich EtherCAT, Modbus TCP und Ethernet/IP. Dank der Unterstützung dieser Protokolle und der robusten Miniaturisierung sind ix-Industriesteckverbinder eine überzeugende Wahl für viele Smart-Factory-Anwendungen. Dazu gehören:

• Maschinelle Bilderfassung: Hochauflösende Kameras erzeugen große Mengen an Bilddaten für die Echtzeitanalyse und Entscheidungsfindung. Dabei werden die hohe Datenrate und die kompakte Größe des ix-Industriesteckers für Multi-Kamera-Setups genutzt.
• Robotik: Kollaborative und autonome Roboter sind für einen sicheren und effizienten Betrieb auf Sensordaten und Steuersignale in Echtzeit angewiesen. Die Robustheit und die geringe EMI-Anfälligkeit des ix-Industriesteckers gewährleisten einen zuverlässigen Datenaustausch.
• Vorausschauende Wartung: Die Ausstattung kritischer Geräte mit Sensoren ermöglicht die frühzeitige Erkennung potenzieller Ausfälle und verhindert kostspielige Ausfallzeiten. Das niedrige Profil und die robuste Konstruktion des ix-Industriesteckverbinders machen ihn zu einer ausgezeichneten Lösung für kleine Sensoren unter rauen Betriebsbedingungen.

Platzsparende Designoptionen bei Steckern und Steckbuchsen

Sowohl die ix-Industrial-Steckbuchsen als auch die -Stecker haben bemerkenswerte Eigenschaften, die die Platzeinsparung verbessern. Wie in Abbildung 3 dargestellt, sind die Steckbuchsen in einer Vielzahl von Konfigurationen erhältlich:

• Stehende Steckbuchsen, wie die IX61G-A-10P, können parallel mit einem Rasterabstand von nur 10 Millimetern (mm) für eine hohe Anschlussdichte montiert werden. In dieser Konfiguration passen sechs ix-Industrial-Steckverbinder auf denselben Platz wie drei RJ45-Steckverbinder, wodurch die Stellfläche von Switches, Routern und ähnlichen Geräten erheblich reduziert wird.
• Flache horizontale Steckbuchsen wie die IX60G-A-10P haben ein Profil von 5,7 mm, was weniger als der Hälfte der Höhe eines RJ45-Steckverbinders entspricht, und eignen sich daher für Anwendungen wie Sensoren.
• Vertikale Steckbuchsen, wie die IX80G-A-10P, können von oben eingesteckt werden, was zusätzliche Flexibilität bietet.

Abbildung 3: ix-Industrial-Steckbuchsen gibt es in aufrechter, vertikaler und horizontaler Ausführung (oben, links bzw. unten). Die Stecker gibt es in gerader und rechtwinkliger Ausführung. (Bildquelle: Hirose)

Die Stecker sind entweder in einer geraden Ausrichtung, wie der IX40G-B-10S-CV(7.0) , oder in einer rechtwinkligen Ausrichtung, wie der IX30G-A-10S-CVL2(7.0), erhältlich. Besonders erwähnenswert sind die rechtwinkligen Optionen, die die Höhe des Anschlusses reduzieren und die Kabelführung in engen Räumen erleichtern. Diese Stecker können zum Beispiel Probleme im Zusammenhang mit dem Biegeradius von Kabeln minimieren und eine Verkettung mit hoher Dichte ermöglichen.

Mechanische und elektrische Belastbarkeit

Der Steckverbinder ix Industrial wurde für den Einsatz unter industriellen Bedingungen entwickelt und zeichnet sich durch eine robuste Konstruktion aus, die resistent gegen Vibrationen, Stöße und EMI ist. Das Buchsengehäuse wird über fünf Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte befestigt. So entsteht eine solide physische Verbindung, die dem Abreißen und Ziehen widersteht und die Signalkontakte schützt. Außerdem stellt sie eine robuste Verbindung zwischen dem Buchsengehäuse und der Massefläche der Leiterplatte her.

Das Steckergehäuse besteht aus einer integrierten Kabelkonfektionierungseinheit und einer Kabelklemme (Abbildung 4). Dadurch wird verhindert, dass das Anschlussteil der Kabelkonfektion durch die Belastung des Kabels beeinträchtigt wird. Das Gehäuse ist zusammengepresst und steht in direktem Kontakt mit der Erdungsfeder der Steckdose, wodurch eine durchgehende 360˚-Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen entsteht.

Abbildung 4: Der ix-Industriestecker umschließt die Kabelanschlüsse mit einem Gehäuse, das vor physischen Schäden und EMI schützt. (Bildquelle: Hirose)

Die Steckverbinder verfügen außerdem über einen robusten Einrastmechanismus, der ein hörbares und fühlbares Klicken erzeugt. Dieser positive Verriegelungsmechanismus gewährleistet eine sichere Verbindung auch in Umgebungen mit starken Vibrationen und trägt dazu bei, dass der Steckverbinder 5000 Steckzyklen übersteht.

Hirose bietet auch Varianten seiner ix-Industrial-Steckverbinder mit Palladium-Nickel-Kontakten an. Der Stecker IX30G-A-10S-CV(7.0)(01) beispielsweise verwendet Kontakte mit einer Palladium-Nickel-Beschichtung von 0,75 Mikrometern (μm) plus 0,05 μm Goldbeschichtung. Diese Kontakte sind haltbarer als die Standard-Goldkontakte und eignen sich hervorragend für Anwendungen mit häufigen Steckvorgängen.

Vereinfachung der Montage und Testen

Hirose empfiehlt die Verwendung von Kabeln mit einem Drahtdurchmesser zwischen 22 und 28 American Wire Gauge (AWG), um eine hochwertige Verbindung zu gewährleisten. Die Drähte können durch Löten oder Schneidklemmen (IDC) angeschlossen werden, wobei IDC für feldkonfektionierte Stecker empfohlen wird. Bei dieser Anschlussmethode wird ein Crimpwerkzeug wie das HT803/IXG-8/10S-63-72 verwendet, um die Kabelisolierungen zu durchtrennen und in einer einzigen Bewegung anzuschließen.

Für eine dauerhafte und hochwertige Verbindung ist das Löten vorzuziehen. Hirose bietet zahlreiche Stecker, wie den IX40G-A-10S-CV(7.0), an, die diese Anschlussmethode unterstützen.

Zum Testen von Kabeln und Baugruppen bietet Hirose das DSX-CHA-5-IX-S an, einen Satz von Adaptern für den DSX CableAnalyzer von Amprobe (einem Unternehmen von Fluke Networks). Mit diesem Analysegerät kann der ordnungsgemäße Betrieb sichergestellt und die Diagnose von Problemen vereinfacht werden.

Fazit

Mit den Steckverbindern ix Industrial kann eine hohe Anschlussdichte und Zuverlässigkeit in Smart-Factory-Anwendungen erreicht werden. Durch die Normung nach IEC 61076-3-124 ist die Interoperabilität zwischen den Herstellern gewährleistet. Die Vielfalt der Stecker- und Buchsenoptionen ermöglicht es, die Montage- und Kabelführungsausrichtung so zu wählen, dass der Footprint von Geräten verkleinert, Kabelbelastungen vermieden und eine hohe Bandbreite bei minimalem Interferenzrisiko erreicht wird.

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1. Erfüllen der Anforderungen von Industrie 4.0 an hohe Packungsdichte und robuste Verbindungen