M12-Steckverbinder im Vergleich zu den Alternativen in industriellen Anwendungen

M12-Steckverbinder sind eine allgegenwärtige runde Kabelanschlussoption, die in großem Umfang in der Industrie, bei mobilen Robotern und sogar im Verbraucherbereich eingesetzt wird, um Sensoren, Aktoren und andere Komponenten (Feldbusse und andere) mit Steuerungen und anderen Systemen in automatisierten Maschinen zu verbinden. Die genauen Geometrien und Leiteranordnungen von M12-Steckverbindern (oft an den Enden von PUR- oder PVC-ummantelten Kabeln) sind in der Norm IEC 61076-2-101 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission festgelegt. Der Name M12 rührt daher, dass das metrische Gewinde an den meisten Überwurfmuttern und Gegensteckern der Steckverbinder (die in Kürze näher beschrieben werden) im Wesentlichen aus Befestigungselementen mit 12 mm Durchmesser und M12-Gewinde besteht.

Mit Dutzenden spezialisierter Optionen können Konstrukteure Korsetts spezifizieren, die für das Maschinen- oder Produktdesign besonders gut geeignet sind. Zu den Optionen gehören:

• Rechtwinklige und gerade Körper
• Drahtseitige Stecker- und (weitaus häufiger) Buchsenbefestigungsgeometrien
• Geschirmte und ungeschirmte Einsätze
• Vollständig integrierte Kabelsätze sowie modulare Versionen
• Leichte und verstärkte Versionen
• Verschiedene Ausführungen und Konstruktionen mit Kupplungsmuttern

Geschirmte M12-QUICKON-Steckverbinder (IDC) sind ein Typ von M12-Steckverbindern, mit denen Installateure die Anschlüsse ihrer Maschine vor Ort verdrahten können. (Videoquelle: Phoenix Contact)

Review des M12-Standards

M12-Steckverbinder wurden erstmals 1982 als nicht standardisierte dreipolige 7⁄8-Zoll-Steckverbinder für eine Handvoll von Anwendungen eingeführt. Das Alleinstellungsmerkmal des Steckverbinders war (und ist in den meisten Fällen immer noch) seine Überwurfmutter - ein Gehäuse auf der Kabelseite, das axial auf dem Kabelende verriegelt ist, sich aber frei drehen kann - und somit auf die passende männliche oder weibliche Befestigungsgeometrie auf der Buchsenseite aufgeschraubt werden kann. Zunächst wurde der Steckverbinder durch die IEC 61076-2-101 für den Einsatz mit Sensoren und Aktoren genormt. In den folgenden Jahren wurde der Standard erweitert, um mehrere M12-Codes (mit detaillierten Angaben zur Pin-Geometrie und Funktionsvariationen) sowie zwei kleinere Formate für die Verwendung mit Aktoren sowie SPSen, Schaltern und I/O zu definieren. Dazu gehören sowohl M8-Steckverbinder (definiert durch IEC 61076-2-104 und mit einem 8mm-Befestigungsdurchmesser) als auch M5-Steckverbinder (definiert durch IEC 61076-2-105 mit einem 5mm-Befestigungsdurchmesser).

Abbildung 1: Die Standardisierung der M12- und M8-Steckverbindergeometrie bringt viele Vorteile mit sich - unter anderem die Verfügbarkeit von Werkzeugen zur schnelleren Installation. Ein typisches Beispiel: Die Screwty-Ratschenschrauber nehmen einen herkömmlichen 1/4 Zoll großen Adapter auf, über den der Installateur Steckverbinder schnell anziehen kann - darunter runde M12- und M8-Steckverbinder sowie anpassbare M12F-, M8F- und M23-Stecker und -Buchsen. (Bildquelle: Weidmüller)

Die neueste Iteration des Standards IEC 61076-2-010 (2020 ) enthält eine der umfangreichsten Ergänzungen der Norm seit geraumer Zeit - die Hinzufügung der Unterstützung und offiziellen Definition von Push-Pull-Verbindungen. An der Entwicklung der Norm waren Kabelhersteller wie Molex, CONEC, Weidmüller, Phoenix Contact und HARTING beteiligt. Die wesentlichen Stärken von Push-Pull-M12-Anschlüssen sind:

• Wie sie die Montagezeit drastisch reduzieren (durch den Wegfall des Festschraubens von Muttern und der Überprüfung des aufgebrachten Drehmoments)
• Wie sie Verbindungen herstellen, die kompakter sind als herkömmliche M12-Steckverbinder.

Abbildung 2: M12-PushPull-Steckverbinder rasten sowohl bei stehenden als auch bei versenkten Sockeln ein. Die Ausgabe 2020 der Norm IEC 61076-2-010 definiert einen Push-Pull-M12-Standard, der die erfolgreiche Annahme von Push-Pull-M12-Steckverbindern, die bereits in proprietären Formaten auf dem Markt sind, verbessern soll. (Bildquelle: HARTING)

Tatsächlich definiert die IEC 61076-2-010 2020 die Geometrien sowohl der inneren Teilkomponenten der Verriegelung an der Push-Pull-Buchsenhälfte als auch der äußeren Teilkomponenten der Verriegelung an der Push-Pull-Steckerhälfte. Das gewährleistet die Kreuzkompatibilität zwischen den Kabelprodukten.

Eine weitere Anschlussmöglichkeit

Nicht zu verwechseln mit der M12-Push-Pull-Option ist ein weiterer Rundsteckverbinder, der in der Kommunikation und in der industriellen HMI-Peripherie eingesetzt wird - der Miniatur-DIN-Steckverbinder. DIN steht dabei für das Deutsche Institut für Normung - die maßgebliche Normungsorganisation, die den Aufbau und die Anschlüsse innerhalb dieser Kabelterminierung definiert. Sie verlassen sich auf eine Presspassung (Reibung) zwischen einer Hülse am Kabelende, damit sie bei der Montage in der Buchse stecken bleiben. Diese 9,5 mm (3/8 Zoll) Mini-DIN-Steckverbinder verfügen über Pin-Arrays mit drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder neun elektrischen Anschlüssen, die so angeordnet sind, dass versehentliche Fehlanschlüsse mit optisch ähnlichen Mini-DIN-Kabeln vermieden werden. In vielen Fällen fügen die Lieferanten dem Kabelende und der maschinenseitigen Buchse eine eigene Farbcodierung hinzu, um dem Monteur die Ausrichtung der beiden Anschlusshälften zu erleichtern und die Installation etwas einfacher zu gestalten.

Sowohl Mini-DIN- als auch M12-Steckverbinder haben unterschiedliche Anwendungen, für die sie sich hervorragend eignen. Es gibt jedoch mehr nicht standardisierte Mini-DIN-Stecker auf dem Markt, was sowohl mehr Designfreiheit als auch Verwirrung bringen kann. Darüber hinaus ermöglicht die Presspassung der Mini-DIN-Befestigungshülse ein schnelles Verbinden und Trennen. Die Schraubbefestigung von M12-Steckverbindern hingegen benötigt zwar etwas mehr Zeit zum Anschließen, ist aber von Haus aus sicherer.

M12-Pinanzahl und kodierte Varianten

Abbildung 3: M12-Steckverbinder gibt es in verschiedenen Pinzahlen und kodierten Pinbelegungen. Bei einigen Sets wird eine Überwurfmutter (axial auf dem Kabelende eingeklemmt) auf die komponentenseitige Steckbuchse geschraubt. Ursprünglich hatten M12-Steckverbinder drei oder vier Pins, heute gibt es sie mit fünf, sechs, acht oder 12 Pins. (Bildquelle: EE World)

Neben der Anzahl der Pins sind M12-Steckverbinder auch auf Code-Versionen genormt. Diese definiert das Pin-Array, Kanäle und Kerben, um ein falsches Stecken zu verhindern, sowie das Design der elektromagnetischen Abschirmung.

A-kodierte M12-Steckverbinder sind weit verbreitet und werden immer noch für die Vernetzung von Sensoren und anderen kleinen Geräten verwendet, die mit Gleichstrom betrieben werden. B-kodierte M12-Steckverbinder sind in PROFIBUS-Installationen üblich. C-kodierte Doppelnut-Steckverbinder (M12 Power) eignen sich hervorragend für Konstruktionen, bei denen kleine Automatisierungskomponenten mit Wechselstrom versorgt werden müssen. D-kodierte M12-Steckverbinder unterstützen sowohl 100 Mbit/s Ethernet als auch PROFINET-Vernetzung.

Neuere M12-Code-Versionen umfassen K- und L-kodierte Steckverbinder, die die Versorgung mit Wechsel- bzw. Gleichstrom unterstützen. Ähnliche Optionen sind S-kodierte Steckverbinder (die bis zu 690 V für den Betrieb von Wechselstrommotoren übertragen können) und T-kodierte M12-Steckverbinder für die Gleichstromversorgung. Die X-kodierten M12-Steckverbinder haben jedoch den dramatischsten Anstieg bei der Verwendung erfahren. Sie werden zur Unterstützung von industriellem Ethernet mit 10 Gbit/s sowie zur Stromversorgung von Aktuatoren, wie z. B. Schrittmotoren, die Power-over-Ethernet 802.3at (PoE+) nutzen, verwendet. Letztere bietet genügend Leistung, um verschiedene Aktoren mit voller Leistung zu betreiben.

Fazit

Vorbei sind die Zeiten, in denen die Verkabelung und physische Vernetzung von automatisierten Maschinen auf das manuelle Verdrillen, Isolieren und Testen von blanken Drähten durch Leerrohre angewiesen war, für deren Installation Elektriker Hunderte von Stunden benötigten. Heutige M12-Steckverbinder (zusammen mit anderen Innovationen in der Verkabelung sowie einer wachsenden Anzahl von Spezialkabelsätzen) können oft die Notwendigkeit für spezialisierte Techniker zur Durchführung einer Installation überflüssig machen und ermöglichen gleichzeitig eine schnelle, sichere und fehlerfreie Einrichtung, die bei Bedarf einfach ausgetauscht werden kann. In der Tat sind M12-Steckverbinder Teil eines größeren Trends in der Maschinen- und Fabrikautomation hin zu einfachen, modularen und nicht-proprietären Lösungen.