Die vierte industrielle Revolution ist in vollem Gang. Ihr Tempo beschleunigt sich fast täglich. Auf den wachsenden Datenbedarf müssen Hersteller von Automatisierungstechnik reagieren und stets neue, leistungsfähige Lösungen für die durchgängige Echtzeit-Datenübertragung zwischen Unternehmens-, Leit- und Feld­ebene anbieten. Kompakte M8-Steckverbinder eröffnen in diesem Umfeld interessante Optionen.

Mit der zunehmenden Automatisierung von Produktionsanlagen, Gebäuden oder Infrastruktureinrichtungen ist die klassische Automatisierungspyramide auf den Kopf gestellt: Mehr und mehr „intelligente“ Geräte verarbeiten und übertragen Signale und Daten direkt im Feld. Gleichzeitig werden diese Geräte – etwa Industrie-PCs, I/Os oder Sensoren und Aktoren – immer leistungsfähiger und kompakter.

Damit steigen wiederum die Anforderungen an die verbauten Schnittstellen. Geräte- und Kabelsteckverbinder müssen in kompakte Gerätefronten und Schaltschränke passen und gleichzeitig eine Vielzahl von Signalen, hohe Datenraten und auch Leistungen übertragen. Sie müssen sich zudem effizient in den Produktionsprozess integrieren lassen, um hohe Gerätestückzahlen und damit Skaleneffekte zu ermöglichen – und gleichzeitig ein hohes Maß an Robustheit und Flexibilität bieten. Dies klingt nach der eierlegenden Wollmilchsau. Der M8-Standard bietet jedoch schon heute viele dieser Eigenschaften.

Der Hersteller Phoenix Contact hat eine vierpolige D-Codierung im Design der platzsparenden M8-Geräteeinbaustecker auf den Markt gebracht. Dieses Produkt soll das hauseigene Reflow-Produktprogramm um einen wichtigen Bestandteil ergänzen und eine zukunftsorientierte und einheitliche Lösungen für die kompakte Datenübertragung schaffen.

Eine Frage der Kodierung

Dank seines standardisierten metrischen Gewindes, seiner kompakten Bauform und seines industrietauglichen und robusten Designs hat sich der M8-Rundsteckverbinder in vielen Bereichen der industriellen Verkabelung bereits etabliert. Mit der Verbreitung des Industrial Ethernet erreicht dieser Rundsteckverbinder zunehmend neue Einsatzgebiete in der dezentralen Datenübertragung. Mittlerweile kommunizieren schließlich nicht nur übergreifende Elemente wie beispielsweise Steuerungen und Fertigungsleitrechner über Protokolle wie Ethernet/IP oder Profinet miteinander, sondern auch Sensoren und Aktoren in der untersten Feldebene.

Für diese kompakten Anwendungen eignet sich der M8-Standard nach Einschätzung vieler Experten ideal. Allerdings setzt die Kontaktanordnung des A-kodierten Steckgesichts der Anwendung im Feldeinsatz Grenzen. Dank der asymmetrischen Anordnung der vier Kontakte ist das Steckgesicht zwar gegen Fehlstecken geschützt, allerdings beeinflussen sich die elektromagnetischen Felder der näher aneinander liegenden Kontakte auch stärker. Die Folge: stärkeres Nahnebenansprechen (Near End Cross Talk, NEXT).

Die symmetrische Kontaktanordnung erlaubt stabile Bandbreiten von bis zu 100 MBit/s. Bild: Phoenix Contact

In der Praxis erlauben die A-kodierten M8-Steckverbinder für Ethernet und Profinet so zwar Bandbreiten von bis zu 100 MBit/s. Die Anforderungen der Übertragungskategorie Cat5/Class D erreichen sie jedoch nicht, da die Verbindung unter bestimmten Bedingungen nicht über ausreichende Reserven verfügt, um zusätzliche Einflüsse – beispielsweise durch große Leitungslängen, EMV-Störungen oder sonstige Einkopplungen – zu kompensieren. Damit kann die Bandbreite unter stabile 100 MBit/s sinken, sodass Datenpakete verloren gehen und erneut gesendet werden müssen. Die Verbindung wird also unzuverlässig.

Speziell zur Datenübertragung in Ethernet/IP- und Profinet-Umgebungen hat Phoenix Contact daher die D-kodierten M8-Steckverbinder vorgesehen. Die genormte, symmetrische Anordnung der vier Kontakte erlaubt ebenfalls Übertragungsraten von bis zu 100 MBit/s gemäß IEEE 802.3. Sie erfüllt jedoch auch zusätzlich die Anforderungen nach Kategorie 5.

Die gegenüberliegenden Kontakte bilden jeweils Paare, an die entweder zwei gegenüberliegende Adern einer Sternviererleitung oder Adernpaare einer Twisted-Pair-Leitung angeschlossen sind. Da sich die elektromagnetischen Felder durch die symmetrische Kontaktanordnung gegenseitig aufheben, vermeidet dies Datenverluste durch Nahnebensprechen. Damit eignet sich das Steckgesicht besonders gut für die sichere Datenübertragung in anspruchsvollen Umgebungen wie beispielsweise Schweißzellen.

Effiziente Prozessintegration

Neben der Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit der Datenübertragung rückt für Gerätehersteller der eigene Produktionsprozess zunehmend in den Fokus. Weltweite Märkte und die hohe Varianz an Anwendungsgebieten erfordern Gerätedesigns, die sie kosteneffizient umsetzen und bei Bedarf einfach anpassen können.

Als zentrales Bauteil jedes industrieelektronischen Geräts kommt der Leiterplatte und deren Komponenten eine hohe Bedeutung zu. Um die Fertigungszeit zu reduzieren, höhere Stückzahlen zu ermöglichen und somit die Stückkosten zu senken, setzen Hersteller auf teil- oder vollautomatisierte Bestückungsprozesse. Phoenix Contact liefert aus diesem Grund alle Gerätesteckverbinder für die SMT- (Surface-Mounted Device) oder THR-Montage (Through Hole Reflow) in einer sogenannten Tape-on-Reel-Verpackung (Gurt auf Bandrolle). Die gültige Norm DIN EN 60286-3 sorgt dafür, dass die zweiteiligen Steckverbinder in die Feeder aller gängigen Bestückungsautomaten eingelegt, unterbrechungsfrei zugeführt und von Nozzles oder Greifern aufgenommen und auf der Leiterplatte platziert werden können.

Zweiteilige Gerätesteckverbinder bieten mehrere Optionen für die effiziente Integration in den SMT-/THR-Prozess. Bild: Phoenix Contact

Die SMD-Bauweise bietet einen großen Vorteil: Die einseitig bestückten Steckverbinder benötigen weniger Bauraum auf der Leiterplatte und erlauben daher eine höhere Packungsdichte als konventionelle Bauteile für das Wellenlöten. Mit einer Koplanarität von unter 0,1 mm zwischen Ankerblechen und Kontakten kontaktieren die SMD-Ausführungen dennoch sicher und zuverlässig.

Die neuen D-kodierten M8-Steckverbinder sind zudem im Design kompatibel zu den bereits etablierten zweiteiligen Rundsteckverbindern der Baugrößen M8 und M12. Elektronikzulieferer und Gerätehersteller können so sämtliche M8- und M12-Kodierungen auf einer identischen Leiterplatten- und Gehäuseebene verbauen. Selbst für unterschiedliche Anwendungsgebiete wie die Leistungsübertragung via M12 und die Datenübertragung via M8 bleibt das Leiterplatten- und Gerätedesign somit gleich. Das fertige Gerät kann der Hersteller also ohne Anpassung für unterschiedliche Märkte und Anwendungen entwickeln. Aufwendig individualisierte Gehäusekonturen sind nicht notwendig.

Ein weiterer Vorteil der zweiteiligen Bauform: Leiterplatte und Gehäuse lassen sich an verschiedenen Orten fertigen und erst später bei der Endmontage miteinander verheiraten. Dies erlaubt höhere Flexibilität bei der Auswahl der Elektronikzulieferer oder bei lokal, regional und international verteilten Produktionsstandorten.

Volle Flexibilität

Phoenix Contact bietet unterschiedliche Einbauformen für die Vorder- oder Hinterwandmontage. Auch eine Einpressvariante oder die Direktintegration in das Kundengehäuse sind möglich. Dank dieser Zahl an Optionen sind unterschiedliche Leiterplattenausführungen in dasselbe Gehäuse einbaubar. Der Gerätehersteller spart nicht nur Entwicklungszeit, sondern auch Werkzeug- und Lagerkosten.

Um den sicheren Betrieb auch unter industriellen Bedingungen zu ermöglichen, sind die neuen M8-Steckverbinder in Schutzart IP67 (nach IEC 61076-2-114) ausgeführt. Physische Umgebungseinflüsse wie Schmutz, Staub oder Wasser beeinträchtigen die Echtzeitdatenübertragung zwischen Kabel- und Gerätesteckverbinder daher nicht. Neben den zweiteiligen Gerätesteckverbindern umfasst das Produktprogramm auch die passenden Kabelsteckverbinder in D-Kodierung. Die Produkte sind mit offenem Leitungsende, doppelseitigem M8-Steckverbinder oder in Kombination mit einem RJ45-Stecker zu haben.

Vorkonfektionierte oder Kabel mit freiem Leitungsende erlauben durchgängige Verkabelungslösungen. Bild: Phoenix Contact

Fazit

D-kodierte Rundsteckverbinder der Baugröße M8 sind eine besonders gut geeignete Lösung für die kompakte Datenübertragung in Ethernet-Umgebungen. Die symmetrische Kontaktanordnung des Steckgesichts verhindert Leistungseinbußen und erlaubt die stabile Echtzeitdatenübertragung mit einer Bandbreite von bis zu 100 MBit/s. Die zweiteiligen Gerätesteckverbinder eignen sich für vollautomatisierte SMT- und THR-Prozesse und bieten unterschiedliche Optionen für die Vorder- und Hinterwandmontage. Gerätehersteller und Elektronikzulieferer können die Steckverbinder damit effizient in ihre eigene Produktion integrieren und einheitliche Leiterplatten- und Gerätede­signs für unterschiedliche Anwendungsgebiete und Märkte entwickeln. Durch ein standardisiertes Steckgesichts fügen sich die Steckverbinder in ein Rundsteckverbinder-Konzept ein. Auch die Kombination unterschiedlicher Anbieter für die Geräte- und die Feldverkabelung ist problemlos möglich.

Christian Rathgeber ist Produkt-Manager bei Phoenix Contact Connector Technology in Herrenberg, www.phoenixcontact.net.