Die richtige Auswahl von Steckverbindern.

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Die richtige Wahl treffen Tipps und Tricks für Kabel und Steckverbinder

11.04.2019

Durch die Integration von intelligenten Sensoren und komplexen Steuergeräten werden die Anforderungen für Steckverbinder und Kabel in Automatisierungssystemen immer höher. Jedes Verbindungssystem hat seine eigene spezifische Arbeitsumgebung. Aber wie wählt man die richtigen Komponenten aus? Unser Überblick gibt Aufschluss über einige zentrale Faktoren.

Laut einem kürzlich veröffentlichten Bericht über den weltweiten Markt für Kabel und Steckverbinder steigt mit der zunehmenden Verbreitung von Cloud- und IoT-Technologien die Bedeutung von zuverlässiger Konnektivität, hoher Leistung und Effizienz. Schäden an Steckverbindern oder Kabeln können schnell intermittierende Fehler verursachen, wie zum Beispiel Ausfälle der Steuerung oder der Stromversorgung, und letztendlich zu einem Komplettausfall und einer vollständigen Systemabschaltung führen. Um die damit verbundenen Kosten für ungeplante Wartung und Produktionsausfall zu vermeiden, sollten Konstrukteure bei der Spezifikation von Steckverbindern und Kabeln sehr umsichtig vorgehen.

Durch die Berücksichtigung der Anwendung und der Umgebung, in der die Maschine betrieben wird, kann der Konstruk-
teur alle relevanten Spezifikationen erfassen, um den am besten geeigneten Steckverbinder und das passende Kabel auszuwählen. Bei der Spezifikation eines Steckverbinders geht es zwar nicht nur darum, die richtige Spannungs- und Stromfestigkeit auszuwählen. Diese Parameter sind jedoch ein wichtiger erster Schritt. Spannung, Strom und Widerstand sind die drei zu berücksichtigenden Eigenschaften.

Durch die Berücksichtigung der Anwendung und der Umgebung, in der die Maschine betrieben wird, kann der Konstrukteur alle relevanten Spezifikationen erfassen, um den am besten geeigneten Steckverbinder und das passende Kabel auszuwählen. Bei der Spezifikation eines Steckverbinders geht es zwar nicht nur darum, die richtige Spannungs- und Stromfestigkeit auszuwählen. Diese Parameter sind jedoch ein wichtiger erster Schritt. Spannung, Strom und Widerstand sind die drei zu berücksichtigenden Eigenschaften, und auf einem Datenblatt werden häufig die folgenden Spezifikationen angegeben:

  • Die Betriebsspannung ist die normale maximale Betriebsspannung des Steckverbinders.

  • Die Spannungsfestigkeit ist die maximale Spannung, die ein Isolator bewältigen kann: Eine Überschreitung dieser Spannung führt wahrscheinlich zu Ausfällen bei der Anwendung.

  • Der Kontaktwiderstand ist der maximale Widerstand, den der Kontaktbereich im gesteckten Zustand des Steckverbinders bereitstellt.

  • Der Isolationswiderstand gibt an, wie gut Kontakt, Gehäuse und Steckerausführung gegen Lichtbögen geschützt sind, die auftreten, wenn sich aufgrund von Widerstand ein Überstrom aufbaut.

Ist ein Steckverbinder beispielsweise für 100 A ausgelegt, arbeitet er bei diesem Wert zuverlässig und kontinuierlich ohne sich aufzuheizen. Über kurze Zeiträume kann er auch höhere Ströme bewältigen, dabei wird allerdings Wärme erzeugt. Wird der Steckverbinder über einen längeren Zeitraum mit einem höheren als dem spezifizierten Strom betrieben, schmelzen die Kontakte und die Lötverbindungen lösen sich. Steckverbinder mit hohem Kontaktwiderstand verlieren bei Betrieb mit Überstrom mehr Leistung in Form von Wärme als Steckverbinder mit niedrigem Kontaktwiderstand.

Es ist außerdem sinnvoll, bei der Montage darauf zu achten, dass die stromliefernde Seite als Buchse ausgeführt ist, damit sie nicht berührt werden kann. Dadurch wird das Risiko eines Stromschlags oder eines Kurzschlusses vermieden. Stifte sollten lieber an der Seite vorliegen, die keinen Strom führt, etwa an der Motorseite.

IP-Schutzart

Die Schutzart (IP) ist ein weiterer wichtiger Faktor bei der Auswahl von Kabeln und Steckverbindern. Es handelt sich um eine IEC-Norm, die über einen zweistelligen IP-Code angibt, wie gut das Anschlusssystem gegen das Eindringen von Feststoffen und Flüssigkeiten abgedichtet ist. Die erste Ziffer gibt den Schutzgrad gegen das Eindringen von festen Fremdkörpern, also Schmutz oder Staub, an und die zweite Ziffer nennt den Schutzgrad gegen das Eindringen von Wasser.

Der Schutz gegen Feststoffe reicht von keinem Schutz (Ziffer 0) bis zur vollständigen Abdichtung gegen Staub (Ziffer 6). Der Schutz gegen Flüssigkeiten reicht von keinem Schutz (Ziffer 0) bis zum Schutz gegen langes Eintauchen unter Druck (Ziffer 8). Als Faustregel gilt, dass in industriellen Umgebungen die Schutzart IP67 erforderlich ist, bei der ein vollständiger Schutz gegen Staub und Wasser vorliegt. In Umgebungen wie der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, in denen regelmäßige Reinigungen stattfinden, sollten Steckverbinder mit Schutzart IP67 oder höher in Betracht gezogen werden.

Schwingungsstöße und mechanische Stöße sind bei der Wahl von Steckverbindern und Kabeln ebenfalls zu berücksichtigen. Wenn Anschlüsse sich lösen, kann das zu Verbindungsfehlern, falschen Daten, falscher Sequenzierung und ungeplanten Stillstandzeiten an der Fertigungslinie führen. Ist der Stecker an einem beweglichen Kabel befestigt, beispielsweise an einer Pick-and-Place-Maschine, muss eine ausreichende Zugentlastung gewährleistet sein. Das bewegliche Kabel darf keinen Zug auf den Stecker ausüben.

Vibrationen und mechanische Stöße

Außerdem sollte man die Funktionalität des Steckverbinders bestimmen. Der Einsatz von Rundsteckverbindern ist in der industriellen Automatisierung weit verbreitet. Sie sind in verschiedenen Gehäusegrößen erhältlich, die jeweils unterschiedliche Codierungen und Konfigurationen aufweisen, um den wachsenden Anforderungen an Signal-, Strom- und Datenverbindungen gerecht zu werden. Je nach Anwendung sind sie als gerade oder rechtwinklige Steckverbinder erhältlich.

Unter idealen Bedingungen sind umspritzte Anschlussleitungen eine gute Option, wenn Steckverbinder und Kabel Feuchtigkeit, Staub, Öl, Lösungsmitteln und anderen chemischen Verunreinigungen ausgesetzt sind. Diese sind jedoch nur in bestimmten Längen und Konfigurationen erhältlich. Wenn die genaue Länge des Kabels nicht bekannt ist, bieten feldkonfektionierbare Rundsteckverbinder, die am Kabelende montiert werden, mehr Flexibilität. Sie können aufgeschraubt oder gelötet werden, wobei Letzteres eine dauerhaftere Lösung darstellt.

Wahl der richtigen Codierung

Sobald die Anforderungen für die Signal-, Strom- und Datenverbindungen definiert sind, wird die richtige Codierung ausgewählt. Der M12-Steckverbinder von Metz Connect ist beispielsweise in einer Vielzahl von Kodierungsoptionen erhältlich, die helfen, Verbindungsfehler zu minimieren. Viele Hersteller verwenden eine Farbcodierung am inneren Kontakt des Steckverbinders, um zwischen den verschiedenen verfügbaren Typen zu unterscheiden. A-, B- und D-kodierte Steckverbinder gehören zu den ursprünglichen M12-Steckverbindertypen, während die X-kodierten Steckverbinder aufgrund des Bedarfs an Highspeed-Industrial-Ethernet immer beliebter werden.

8-polige, X-codierte M12-Feldmontagestecker und -buchsen bieten beispielsweise 4-paarige Twisted-Pair-Anschlüsse und erfordern daher ein CAT6A-Kabel. Sie eignen sich für 10-Gbit-Ethernet (IEEE 802.3an), Remote Powering (PoE, PoE Plus und UPoE) und HDBaseT. Die robusten Steckverbinder haben ein Gehäuse aus Zinkdruckguss und sind, wenn sie angeschlossen sind, gegen eindringenden Schmutz und Wasser gemäß IP67 abgedichtet.

Wenn höhere IP-Nennwerte bis zu IP68/69K erforderlich sind, sind die wasserdichten Rundsteckverbinder Ecomate Aquarius von Amphenol eine Option. Dieses Anschlusssystem für Strom und Mischsignale ist in Gehäusegrößen von M10 bis M14 erhältlich und bietet ein Bajonettschnellkopplungssystem, das die Installationszeit verkürzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gewindesteckern, bei denen die ordnungsgemäße Montage durch den Installateur für die Dichtigkeit entscheidend ist, können diese Bajonettsteckverbinder nicht zu fest oder zu locker montiert werden. Installation und Deinstallation erfordern keine Drehbewegungen der Hand und reduzieren damit das Risiko von Verletzungen durch wiederholte Beanspruchung. Typische Anwendungen sind Abfüllanlagen oder Anwendungen, bei denen die Anschlusssysteme Plug-and-Play-Geräte unterstützen müssen.

Modulare Steckverbinder bei Platzknappheit

Wenn innerhalb eines Kabelmanagementsystems eine Kombination aus Strom-, Signal- und Datenkabeln vorliegt, etwa bei einem Roboterarm oder einer Pick-and-Place-Maschine, ist ein modularer Steckverbinder eine gute Option. In der Fabrikautomation ist der Platz meist knapp, daher ist die Verwendung von mehr als einem Steckverbinder in der Regel keine Option. Zwei Steckverbindern durch einen einzigen zu ersetzen verbessert die Systemzuverlässigkeit und halbiert die Kosten für Installation, Wartung und Reparatur.

Aufrüstbar und 500 Steckzyklen

Ein Beispiel hierfür ist das Han-Modular-System von Harting, ein flexibles System für Verbindungen zur Versorgung von Maschinen und Geräten. Möglich wird das durch Kombination einzelner Module für unterschiedliche Übertragungsmedien – Signale, Daten, Strom und Druckluft – in Indus-
triesteckverbindergehäusen in Standardgrößen. Die normale Lebensdauer der robusten Steckverbinder beträgt 500 Steckzyklen, und die Möglichkeit, sie jederzeit zu erweitern oder aufzurüsten, macht sie zu einer vielseitigen und zukunftssicheren Lösung. Mit einer Schutzart von bis zu IP68 ist es bei entsprechender Komponentenauswahl möglich, das modulare Anschlusssystem staubdicht zu machen und für den kontinuierlichen Einsatz unter Wasser auszulegen.

Für statische Kabel in Anwendungen, bei denen keine dynamischen Bewegungen in der Maschine auftreten, steht eine breite Auswahl an Kabelgrößen und -typen zur Verfügung. Normalerweise grenzt die Wahl des Steckverbinders die Auswahl möglicher Kabel ein. Bei beweglichen Anwendungen ist die Kabelauswahl jedoch komplexer. Zunächst muss ermittelt werden, welche Art von Bewegungen die Anwendung erfordert. Dabei kann es sich um C-Schienen- oder Schleppkettenbewegungen, Hin-und-Her-Bewegungen, Torsionsbiegungen oder Bewegungen in verschiedene Richtungen handeln. Ingenieure sollten sich folgende Fragen stellen: Wie häufig wird das Gerät verwendet? Einmal pro Woche oder rund um die Uhr? Wie viele Biegezyklen muss das Kabel aushalten?

Faktoren für die Kabelwahl

Berücksichtigt werden sollten außerdem spezifische Kabeleigenschaften: In was für einer Umgebung wird das Kabel eingesetzt? Ist eine Abschirmung erforderlich? Welche Schutzart ist für diese Anwendung erforderlich? Ist Ölbeständigkeit oder bei der Verwendung im Freien UV-Beständigkeit nötig? Wenn die Kabel gebündelt werden, ist Abriebfestigkeit eine relevante Eigenschaft. Wenn die entsprechenden Anforderungen vorliegen, sollte man Kabel mit einer Hochleistungs-PVC-Ummantelung wählen, die öl-, kraftstoff-, lösungsmittel- und chemikalienbeständig ist. Bei Anwendungen, bei denen es wahrscheinlich zu einem starken Abrieb kommt, empfiehlt sich ein abriebfester PU-Mantel.

Ingenieure sollten außerdem auch einschränkende Faktoren der Arbeitsumgebung und der Anwendung berücksichtigen: Liegen im Kabelverlauf Klemmen, Anschüsse oder zusätzliche Biegungen vor, die sich auf die Bewegung auswirken? Die Xtra-Guard Hochleistungskabel von AlphaWire erfüllen unterschiedlichste Biegeanforderungen – von leichten bis hin zu mehrachsigen Dauerbiegebeanspruchungen – und sind für bis zu 14 Millionen Biegezyklen ausgelegt.

Letztendlich müssen viele verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, um die richtige Kombination aus Steckverbindern und Kabeln zu wählen. Aufgrund der steigenden Vielfalt an Schnittstellen für die Übertragung von Signalen, Daten und Strom in industriellen Automatisierungsanwendungen wird es jedoch immer schwieriger, hier die richtige Wahl zu treffen. Die Zusammenarbeit mit einem kompetenten Kabellieferanten wie Distrelec kann daher ausgesprochen hilfreich sein.

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