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Verbinden, was zusammengehört

Text: Eric Leijtens, TE Connectivity
Industrie 4.0 erfordert eine leistungsfähige, flexible und vor allem zuverlässige Verkabelungsinfrastruktur. Nur so können selbst kleinste Sensoren, Aktoren und andere Elemente vernetzt werden. Zum Glück stehen neue und bewährte Techniken bereit, um die digitalen Herausforderungen zu meistern.

Die Vorteile von Industrie 4.0 klingen verlockend: So erwarten Branchen­experten, dass Industrie 4.0 die Produktivität beim Anlagenbau kumuliert bis zum Jahr 2025 um 30 Prozent steigern wird. Die umfassende Vernetzung – ein Grundbestandteil von Industrie 4.0-Konzepten – findet vor allem auf Basis von IP-Technik statt. Industrietaugliche Switche und Router gibt es seit langem, doch durch Industrie 4.0 wird deren Einsatz deutlich zunehmen. Das erfordert eine angepasste Infrastruktur, die das erhöhte Datenaufkommen und die gestiegenen Ansprüche an die Hardware bewältigen kann.

Neue Stecksysteme erforderlich

Der RJ45-Stecker ist alles andere als eine perfekte Lösung für Industrieumgebungen. Sein Plastikkörper, die mangelhaften Abdichtungsmöglichkeiten und dem Kontakt an nur einem Punkt setzten Grenzen bei vielen industriellen Anwendungen. Zudem ist sein Platzbedarf, verglichen mit anderen Stecksystemen, deutlich höher. Einige dieser Mankos ließen sich durch existierende Stecksysteme lösen, so ist die M12-x-coded-Steckverbindung zuverlässig gegen Flüssigkeiten geschützt. Doch Anwender sind mit dem RJ45-Format seit Jahren vertraut. Ein Wechsel zu einem neuen System ist eine Entscheidung, die viele Anpassungen nach sich zieht. Trotzdem ist absehbar, dass die vielen, neu zu vernetzenden Komponenten im Rahmen von Industrie 4.0 ein weiterentwickeltes Steckersystem erfordern werden.

TE Connectivity hat mit dem Industrial-Mini-I/O-Steckverbinder eine Alternative zum RJ45 im Programm. Die Industrial-Mini-I/O-Verbindungstechnik ist ein kleines, kompaktes, rastendes I/O- und Ethernet-Interface, das in vielen Richtungen installiert werden kann. In der Handhabung ist es vergleichbar mit RJ45, verfügt aber über ein verbessertes Design. Die Verrastung ist robuster und der Stecker ist nur ein Viertel so groß wie ein RJ45-Modell. Gerade der reduzierte Platzbedarf bietet im Maschinen- und Anlagenbau viele Vorteile für Hersteller und Systemintegratoren. Um den Stecker in vielen Situationen einsetzen zu können, gibt es Patchkabellösungen und feldinstallierbare Stecker. So können Kabellängen beim Aufbau in der Maschine flexibel gewählt werden.

Die doppelten Kontaktpunkte von Mini-I/O-Steckverbindern bedeuten eine verlässliche und stabile Verbindung. Mikrounterbrechungen und resultierende Maschinenausfallzeiten werden weitgehend vermieden. Damit die Mini-I/O-Steckverbinder, die rund 1500 Steckzyklen aushalten und für Temperaturen von -40 bis 85° C geeignet sind, flexibel eingesetzt werden können, gibt es sowohl SMT-Varianten mit gelöteten Verankerungen des Steckverbinders auf der Platine als auch Through-Hole-Ausführungen. Beim Einsatz als Ethernet-Stecker erfüllt ein Mini-I/O-Steckverbinder die Spezifikationen von Cat5E.

Drahtlos Energie und Daten übertragen

Weniger Platzbedarf durch Mini-I/O-Steckverbinder sind gute Nachrichten für Maschinenbauer und System­integratoren. Doch Industrie 4.0 wird die Miniaturisierung der Komponenten weiter voran treiben und Anforderungen an Kontaktsysteme stellen, die mit drahtgebundenen Steckern nicht mehr erfüllt werden können. Zunehmend wird es darum gehen, komplette Maschinen oder zumindest deren bewegliche Elemente drahtlos anzubinden. Sei es, weil die Betriebsumgebung keine Kabelschleppen oder Schleifringe zulässt, oder weil neue miniaturisierte Sensoren und Aktoren mehr Bewegungsfreiheit benötigen.

Mit der kontaktlosen Übertragungsplattform Ariso hat TE Connectivity eine Hybrid-Lösung entwickelt, mit der auch dort zuverlässige Verbindungen realisiert werden können, wo es bisher nicht möglich war. Denn mit Ariso lassen sich sowohl Daten als auch elektrische Energie kontaktlos übertragen. Die Technikplattform nutzt Koppler, die bis zu sieben Millimeter Abstand überbrücken können. Die Energie wird mittels eines induktiven Verfahrens übertragen, das auf dem magnetischen Resonanzprinzip beruht. Im Moment sind bis zu 12 Watt Leistung übertragbar, die Entwicklung sieht in weiteren Ausbaustufen bis zu 100 Watt vor. Durch die induktiv koppelnden Antennen werden stabile Verbindungen aufgebaut, die auch von WLAN oder Bluetooth nicht gestört werden können.

Vorteile der drahtlosen Technik

Mit der drahtlosen Technik kann ein Koppler-Paar Daten und Energie auch durch Flüssigkeiten oder Wände austauschen – nur Metall ist eine physikalisch unüberwindliche Hürde. Zudem können die Koppler leicht versetzt oder in einem Winkel von bis zu 30 Grad gegenüberstehen. An der Front besitzen die Koppler eine Kunststoffkappe, die innen komplett vergossen ist. Somit sind sie 100-prozentig dicht, entsprechen der Schutzart IP67 und halten Temperaturen von -20 bis +55° C stand. Mit dem Gesamtsystem, beispielsweise einer I/O-Box, werden sie über angespritzte Leitungen mit M12-Steckverbindern verbunden.

Eine kontaktlose Verbindungstechnik, die nicht nur Daten, sondern auch Energie übertragen kann und zudem für den industriellen Bereich geeignet ist, bringt Vorteile mit sich. Ohne Steckzyklen gibt es keinen Verschleiß. Vibrationen, die zu Kontaktproblemen und Ermüdungsbruch führen können, sind kein Thema. Dazu geben die Ariso-Koppler auch keine Erschütterungen in die Prozesse weiter, was bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit, wie etwa optischen Messungen, Probleme bereiten würde. Zudem sind Flüssigkeits- und Staubdichte sichergestellt, da es keine zu öffnenden Steckkontakte gibt. Eine Stecker/Buchsen-Kombination ist nur im geschlossenen Zustand dicht. Ferner entfällt mit Ariso das Risiko, dass beim Stecken oder Trennen unter Last Funken entstehen, die in Umgebungen mit gefährlichen Atmosphären zu einer Explosion führen können. Stabilere Verbindungen, die seltener ausfallen und mit weniger Verschleiß behaftet sind, bilden eine wichtige Grundlage für die technischen Weiterentwicklungen der nächsten Jahre.

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