Vereinfachen Sie die Implementierung von Industrieanlagen mit konfigurierbaren modularen Steckverbindern

Wenn man sich mit Signal- und Stromversorgungsverbindungen industrieller Anwendungen beschäftigt, stellt man fest, dass es in der Regel viele Stromversorgungs-, Erdungs- und Signalverbindungen gibt, die in engen Umgebungen hergestellt werden müssen. Entwickler müssen viele Verkabelungstypen spezifizieren, während die Vorbereitungszeit für die Verbindung, der Komfort und der Platz ebenfalls kritische Faktoren sind. In diesen Situationen greifen viele industrielle Gerätekonstruktionen auf eine einfache Punkt-zu-Punkt-„Festverdrahtung“ zurück, bei der der Techniker die Drähte manuell einen nach dem anderen anschließt.

Die Realität ist jedoch, dass diese manuelle Vor-Ort-Verdrahtung im Feld sehr zeitaufwendig, fehleranfällig und damit kostspielig ist. Es ist besonders kostspielig in Bezug auf verlorene Zeit, Wiederherstellungsaufwand und Fehler, wenn eine Unterbrechung/Wiederverbindung aus irgendeinem Grund, einschließlich Reparatur, Erweiterung oder Umstellung, erforderlich ist.

Die Lösung für dieses Effizienz-, Kosten-, Platz- und Zuverlässigkeitsproblem ist der Einsatz von modularen Steckverbindern, da sie flexibel, vielseitig und einfach zu verwalten sind. Sie können auch mit einer großen Auswahl an Steckergehäusen und Montagerahmen geliefert werden, die mit vom Entwickler auswählbaren Mix-and-Match-Einsätzen gepaart sind, um eine Vielzahl von spezifischen elektrischen Signalen - einschließlich Strom-, Signal- und Datenverbindungen - mit blanken Drähten, D-Sub-Steckverbindern, Koaxialverkabelung und sogar Glasfaser und Druckluftpneumatik zu verarbeiten.

In diesem Artikel werden anhand eines praktischen Beispiels einige der Probleme mit einem manuellen Ansatz aufgezeigt. Anschließend wird ein flexiblerer und effizienterer Ansatz vorgestellt, der auf den Steckverbindern der Baureihe Han-Modular von HARTING basiert und zeigt, wie viele Verdrahtungsprobleme gelöst werden können. Ein zugehöriges Konfigurationstool, das Entwicklern hilft, schnell den optimalen Steckverbinder auf Basis des Han-Modular-Systems zu finden, wird beschrieben.

Punkt-zu-Punkt-Festverdrahtung: schnell, einfach, oft unübersichtlich

Es scheint einfacher zu sein, grundlegende Verbindungen mit einer Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung zu realisieren, aber in vielen Fällen wird diese Entscheidung bereut. Betrachten Sie das Beispiel einer Aufrüstung der Verdrahtung eines einfachen „dummen“ Ein-Zonen-Thermostats, der ein Zwischenrelais zwischen dem intelligenten Gerät und dem Heizungsregler benötigte, zu einem intelligenten. Die Verdrahtung dieser ersten Zone war planlos und sah unordentlich aus, war aber schnell zu installieren und funktionierte. Da alles mit 24 Volt AC betrieben wurde, gab es auch keine Probleme mit freiliegenden Kabeln und der Sicherheit.

Im darauffolgenden Jahr beschloss der Hausbesitzer jedoch, die beiden anderen Heizzonen mit intelligenten Thermostaten aufzurüsten. Die hinzugefügte Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung wurde ebenfalls „auf die Schnelle“ durchgeführt und das Ergebnis war ein Rattennest, das erstaunlicherweise funktionierte (Abbildung 1). Dies ist zwar funktional, aber auf lange Sicht kein guter Ansatz, da die Fehlersuche bei einem Problem später nur sehr schwer durchführbar und jede weitere Aufrüstung ein Alptraum wäre.

Abbildung 1: Eine unübersichtliche Punkt-zu-Punkt-Verkabelung kann das Ergebnis eines komplexen Projekts oder sogar der schrittweisen Erweiterung eines Basissystems um zusätzliche Funktionen sein, wie diese Verdrahtung der Relais für ein Upgrade eines intelligenten Thermostats mit drei Zonen zeigt. (Bildquelle: Bill Schweber)

Diese Situation war aus praktischen, ästhetischen und dokumentarischen Gründen inakzeptabel, so dass die Entscheidung getroffen wurde, die gesamte Anordnung zu bereinigen und neu zu verdrahten, indem eine feste Verdrahtung mit Kabelschuhen und Schraubklemmleisten vorgenommen wurde (Abbildung 2). Dies erforderte weniger Zeit und Planung als die Verwendung von drei dedizierten Anschlüssen (einer pro Zone) und wurde in diesem Fall als akzeptabler Kompromiss angesehen, trotz der über 50 diskreten Anschlüsse. Diese Installation zeigte die offensichtlichen Vorteile von festverdrahteten Punkt-zu-Punkt-Verbindungen: Sie erfordern relativ wenig Planung (ein Schaltplan oder ein Verbindungsdiagramm reicht oft aus), minimalen Einsatz und können sofort in Betrieb genommen werden.

Abbildung 2: Die Verdrahtung des Thermostat-Upgrades wurde durch die Neuverdrahtung mit umfangreicher Verwendung von Kabelschuhen und Schraubklemmleisten verbessert, erforderte aber immer noch äußerste Sorgfalt bei der Neuverdrahtung von über 50 Anschlüssen, um Fehler zu vermeiden, während sie im Vergleich zur Verwendung von Mehrkontaktsteckern viel Platz beanspruchte. (Bildquelle: Bill Schweber)

Die industrielle Welt ist komplexer

In einer industriellen Umgebung hätte selbst diese verbesserte Verkabelung langfristig nachteilige Auswirkungen. Die Installation all dieser einzelnen Drähte erfordert eine mehrfache Überprüfung der Platzierung der einzelnen Drähte gegenüber der Zeichnung sowie eine Überprüfung der physischen Integrität. Die Kennzeichnung der einzelnen Drähte ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, und es gibt in der Regel ANSI- und ISO-Kennzeichnungsstandards, die befolgt werden müssen. Wenn das Gerät für eine Reparatur oder einen Umzug abgeklemmt werden muss, muss der komplizierte Anschlussvorgang rückgängig gemacht werden, und der erneute Anschluss erfordert eine Wiederholung des Installationsvorgangs.

Offensichtlich bieten diskrete, vorverdrahtete Kabel und Gegenstecker eine zunächst attraktive Alternative. Diese können im Voraus in einer kontrollierten Umgebung zusammengebaut und getestet werden, während die Festverdrahtung entfällt, bringen aber auch neue Bedenken mit sich. Viele Installationen verwenden eine Mischung von Signaltypen wie Nieder- und Hochspannungen über einen Bereich von Stromstärken, Sensorsignale, zahlreiche Arten von Datenverbindungen sowie Ethernet, Lichtwellenleiter und sogar Niederdruckluft (Pneumatik). Das Ergebnis ist eine bunte Ansammlung von Kabeln und Steckern, die viel Platz im Schaltschrank beanspruchen, bei mehreren Kabeln mit demselben Steckertyp möglicherweise eine Kodierung erfordern und beim Anschließen/Trennen noch Zeit kosten.

Es gibt eine Lösung, die das Dilemma mit mehreren Kabeln/Steckern zu lösen scheint, zumindest auf den ersten Blick. Standard-Steckverbinder sind mit mehreren Stromversorgungs- und Signalkontakten in einem gemeinsamen Gehäuse erhältlich. Diese sind aus zwei Gründen wirklich nur eine Teillösung. Erstens sind sie nur in vorgegebenen, festen Kontaktzahlen und -typen erhältlich, z. B. zwei Positionen für Stromversorgung und sechs für Signale. Zweitens sind sie nur für einfache niedrige/hohe Signalpegel und Leistungspegel und einige Datensignale verfügbar, nicht aber für Gigabit-Ethernet (GbE), Glas- oder Kunststoff-Lichtwellenleiter oder sogar pneumatische (Luft-)Verbindungen mit niedrigem Druck.

Volle Modularität: eine bessere Lösung

Um diese Kontaktbeschränkungen zu umgehen, können Entwickler die Steckverbinder der Serie Han-Modular von HARTING verwenden. Diese repräsentieren den Stand der Technik in Bezug auf Mix-and-Match-Flexibilität aufgrund der Anzahl und Art der Kontakte. Der Entwickler kann nahezu beliebige Kombinationen von Steckverbindern und Kontakten auswählen und wählt dann einen Steckverbinderrahmen, der diese zusammen mit einem geeigneten Gehäuse aufnimmt (Abbildung 3 und Abbildung 4).

Abbildung 3: Benutzerdefinierte Modularität führt zur Erstellung eines kundenspezifischen Steckverbinders mit Standardkomponenten. (Bildquelle: HARTING)

Abbildung 4: Das Ergebnis des in Abbildung 3 gezeigten Prozesses ist eine kompakte, vollständig kundenspezifische, gekapselte Steckverbinderbaugruppe mit aufeinander abgestimmten Steckseiten. (Bildquelle: HARTING)

Die Han-Module unterstützen Steckverbinder und Kontakte (Stift- und Buchsenkontakte) für Ströme von wenigen Milliampere bis 200 Ampere (A), Spannungen bis 5000 Volt, Pneumatikschläuche, Datenleitungen, geschirmte Bussignale und sogar Kunststoff- oder Glasfaserkabel. Das ist ein elektrischer und mechanischer Auswahlbereich, der bei anderen Multifunktionssteckverbindern/Kontaktbaugruppen nicht zu finden ist.

Die Verwendung dieser Steckverbinder macht das Kabel und die Verdrahtung zu einer vorgefertigten Aufgabe, die als kompletter Kabelbaum außerhalb der Baustelle und nicht am Installationsort entworfen, montiert und getestet und dann einfach und schnell angeschlossen und getrennt werden kann (Abbildung 5).

Abbildung 5: Mit Steckverbindern konfektionierte Kabel werden außerhalb des Standorts konfektioniert und getestet, dann schnell vor Ort installiert und bei Bedarf wieder getrennt; beachten Sie die verschiedenen Arten der Verdrahtung, die in jedem der beiden rechteckigen Steckverbinder zusammengeführt werden, besonders sichtbar im Steckverbinder auf der linken Seite. (Bildquelle: HARTING)

Der hohe Grad an Modularität und Flexibilität dieser Serie hat noch einen weiteren Vorteil. In der realen Welt des Produktdesigns ändern und entwickeln sich die Anforderungen im Laufe des Projekts. Mit der Han-Modular-Serie muss man nicht mehr von vorne anfangen, um einen oder mehrere Steckverbinder zu finden, die diese zusätzlichen Anforderungen erfüllen; der Entwickler muss lediglich ein weiteres internes Modul zum Basissteckverbinder hinzufügen.

Beispiele verdeutlichen die Bandbreite und Vielseitigkeit

Anstatt die vielen Steckverbinder und Kontakte aufzuzählen, die in der Han-Modular-Serie verfügbar sind, gibt ein kurzer Blick auf einige einen guten Eindruck von den Möglichkeiten.

Da ist zunächst der Rahmen, der die Anschlussmodule aufnimmt. Ein Beispiel ist der hochbelastbare Klapprahmen 09140240313 für sechs Module (Abbildung 6). In diesen Rahmen werden die einzelnen Anschlussmodule eingesetzt, gesichert und verriegelt.

Abbildung 6: Einer der vielen verfügbaren Rahmen zur Aufnahme der Steckereinsätze, der hochbelastbare Klapprahmen 09140240313, bietet Platz für sechs solcher Module. (Bildquelle: HARTING)

Ein modernes Industriesystem muss eventuell sogar GbE-Verbindungen unterstützen, so dass das Gigabit-Modul 09140083012 mit Stiftkontakten hinzugefügt werden kann (Abbildung 7). Der geschirmte Stecker ist für den Betrieb mit 10 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) ausgelegt und unterstützt auch die Stromversorgung nach IEEE 802.3bt (auch PoE++ genannt).

Abbildung 7: Dieser geschirmte GbE-Steckverbinder der Serie 09140083012 ist für den Betrieb mit 10 Gbit/s ausgelegt und unterstützt auch die Stromversorgung nach IEEE 802.3bt (PoE++). (Bildquelle: HARTING)

Gleichzeitig muss der Steckverbinder möglicherweise eine beträchtliche AC- oder DC-Leistung unterstützen, so dass das Sechs-Kontakt-Buchsengehäuse 09332062648 für Presseinsätze eine gute Wahl sein kann (Abbildung 8). Es kann Presseinsätze für Nennspannungen von 500 Volt bei 16 A mit Massiv- oder Litzendraht in Größen von 0,14 Millimetern im Quadrat (mm²) bis 2,5 mm² (AWG 26 bis AWG 14) verwenden.

Bild 8: Industrielle Installationen benötigen in der Regel erhebliche Mengen an Wechsel- und Gleichstrom, die über das Sechs-Kontakt-Buchsengehäuse 09332062648 für Presseinsätze angeschlossen werden können; es kann eine breite Palette von Massiv- und Litzenleitergrößen aufnehmen. (Bildquelle: HARTING)

Für Installationen, bei denen ein branchenüblicher, 8-poliger, modularer RJ45-Cat-6A-Stecker benötigt wird, ist der Steckverbinder 09454001520 erhältlich (Abbildung 9).

Bild 9: Das Han-Modular-System kann mit dem Stecker 09454001520 auch den weit verbreiteten RJ45-Stecker aufnehmen. (Bildquelle: HARTING)

Eines der herausragenden Merkmale des Han-Modular-Systems ist die Möglichkeit, neben den vielfältigen elektrischen Anschlussmöglichkeiten auch Niederdruckluftanschlüsse (Pneumatik) einfach bereitzustellen. Das 09140033501 ist z. B. ein Pneumatikmodul, das mit vielen Rahmen kompatibel ist und durch die Auswahl geeigneter Einsätze für Niederdruckleitungen verschiedener Durchmesser konfiguriert werden kann (Abbildung 10). Dazu gehören der Metallsteckereinsatz 09140006304 (Abbildung 11) und der komplementäre Metallbuchseneinsatz 09140006404 (Abbildung 12), beide für Schläuche mit 4 mm Innendurchmesser (ID).

Bild 10: Die Han-Module gehen über den Anschluss von rein elektrischen Signalen, Datensignalen und Stromversorgungen hinaus, indem sie mit Modulen wie dem 09140033501 für Niederdruckluftanschlüsse und passenden Einsätzen auch pneumatische Verbindungen aufnehmen. (Bildquelle: HARTING)

Abbildung 11: Der Metallsteckereinsatz 09140006304 ist für Pneumatikschläuche mit einem Innendurchmesser von 4 mm ausgelegt. (Bildquelle: HARTING)

Abbildung 12: Der Metalleinsatz 09140006404 ist die Anschlussbuchse für Niederdruckluft, ebenfalls für Schläuche mit 4 mm ID. (Bildquelle: HARTING)

Es handelt sich hier wie gesagt nur um einen winzigen Ausschnitt aus den vielen verfügbaren Einsätzen und Steckverbindern der Han-Modular-Serie.

Das Konfigurationstool ist der Schlüssel zur Benutzerfreundlichkeit

Die Han-Modular-Serie ist zwar nützlich, wenn es darum geht, eine Vielzahl von Kabeltypen, Funktionen und Größen zu verbinden, aber die Auswahl kann überwältigend und scheinbar unmöglich sein, sie optimal zu konfigurieren. HARTING adressiert dies durch die Bereitstellung des kostenlosen Han-Konfigurationstools.

Dieses Online-Tool vereinfacht den Prozess der Erstellung eines kundenspezifischen Han-Modular-Steckverbinders für bestimmte Anwendungen erheblich. Der Entwickler gibt einfach die Details der Verbindungsanforderungen ein und das Tool ruft die am besten passenden modularen Einsätze für die Anwendung auf, während es auch technische Details, 3D-Zeichnungen und Datendateien für viele verschiedene Verbindungsoptionen bereitstellt. Das Tool erkennt auch an, dass es Entwickler gibt, die bereits mit dem Han-System vertraut sind, und erlaubt ihnen, eine komplette Schnittstelle direkt zu konfigurieren, ohne den Assistenten Schritt für Schritt zu durchlaufen.

Die Verwendung des Konfigurationstools beginnt mit der Identifizierung des ersten abzuschließenden Signaltyps (Abbildung 13).

Abbildung 13: Das Konfigurationstool zeigt eine Auflistung der vielen grundlegenden Anschlusstypen, die vom Han-Modular-System unterstützt werden. Entwickler beginnen damit, einen der verschiedenen Typen auszuwählen, die sie in die Steckverbinderbaugruppe einbauen möchten. (Bildquelle: HARTING)

Das Tool antwortet mit Kontextmenüs für relevante spezifische Daten, hier für elektrische Signale: Anzahl der Kontakte, Stromstärke, Spannungsstärke, Leitungsquerschnitt und Anschlusstechnik. Je nach Signaltyp werden unterschiedliche Datensätze angezeigt (Abbildung 14).

Abbildung 14: Als Nächstes fordert das Konfigurationstool den Entwickler auf, die Hauptparameter für diesen Signaltyp festzulegen; hier ist die Auswahl von „Electric“ zu sehen. (Bildquelle: HARTING)

Als Nächstes kann der Entwickler über Kontextmenüs zusätzliche Anforderungen wie Gehäusematerial (Abbildung 15), Einbausituation (Abbildung 16) und Verriegelungsart (Abbildung 17) festlegen, wiederum passend zu den verfügbaren Steckverbindern (hier für „Electric“).

Abbildung 15: Im unteren Teil des Startbildschirms wird der Entwickler nach seiner Präferenz für das Gehäusematerial gefragt. (Bildquelle: HARTING)

Abbildung 16: Im unteren Teil des Startbildschirms wird auch eine Auswahl für die Montagesituation für den ausgewählten Anschluss angeboten. (Bildquelle: HARTING)

Abbildung 17: Eine weitere Auswahl, die getroffen werden muss, ist der gewünschte Verriegelungsmechanismus des Steckers. (Bildquelle: HARTING)

Das Tool generiert dann eine erste machbare Lösungsmöglichkeit zusammen mit anderen Lösungsvorschlägen, wobei die Konfiguration als 3D-Modell zusammen mit der Produktliste angezeigt wird (Abbildung 18).

Abbildung 18: Nachdem alle benötigten Verbindungstypen, Parameter und Einstellungen eingegeben wurden, erstellt das Tool die komplette Steckverbinderbaugruppe und liefert ein detailliertes 3D-Bild, eine Teileliste und alle anderen benötigten Informationen. (Bildquelle: HARTING)

Der Entwickler kann die bevorzugte Konfiguration auswählen oder die vorgeschlagenen Lösungen modifizieren und einzelne Komponenten ersetzen.

Der Han-Konfigurator verbessert und beschleunigt alle Aspekte des Konstruktionsprozesses, da der Ingenieur, der den Steckverbinder spezifiziert, mehrere Ziele erreichen kann:

• Visualisierung des Steckverbinderdesigns mit einer interaktiven 3D-Darstellung
• Überprüfung der Realisierbarkeit der Lösung
• Leichte Zusammenarbeit mit anderen Teammitgliedern
• Speichern und Weitergeben der Datei des benutzerdefinierten Steckverbinders
• Herunterladen von branchenüblichen CAD-STP-Dateien und Datenblättern
• Automatische Erstellung einer detaillierten Stückliste (BOM)

Fazit

Die Auswahl des richtigen Steckverbindersatzes für den Abschluss eines Kabels in einer industriellen Umgebung kann frustrierend sein. Das Han-Modular-System von HARTING vereinfacht den Weg zur optimalen Lösung durch ein hohes Maß an Flexibilität, Modularität und Konfigurierbarkeit, unterstützt durch ein leistungsstarkes, intuitives Konfigurationstool. Dadurch kann der festverdrahtete Punkt-zu-Punkt-Ansatz durch eine optimierte, kundenspezifische Lösung ersetzt werden, die Komfort und einfache Verbindung auf kleinstem Raum bietet.