Steckverbinder: Wie sich Sensoren sicher anbinden lassen

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Sensoren kommen getrieben durch die Digitalisierung immer häufiger in die Anwendung. Es gilt sie, sicher und einfach mit den übergeordneten Systemen zu verbinden. Hier aktuelle Entwicklungen zu Sensoranbindung.

Steckverbinder im Einsatz: Es sind spannende Zeiten in der Welt der Sensoren. Nicht nur werden die Sensoren immer komplexer, auch im Industrial Internet of Things (IIoT) finden immer mehr Sensoren Anwendung.

Bedeutung für Steckverbinder bei der Einbindung

Die Einbindung solcher Sensoren in größere Netzwerke, zusammen mit anderen Geräten wie Stellgliedern und Steuerungen, bringt neue Herausforderungen mit sich. Mit ihren integrierten Systemen, die alles von der Maschinensteuerung bis zur Verwaltung auf höherer Ebene kontrollieren, verändert die intelligente Fabrik die Art und Weise, wie sich Komponenten miteinander vernetzen und kommunizieren. Zugleich haben neue Sensoren wie eingebettete Bildverarbeitungs-Systeme (Embedded Vision) großen Einfluss auf die hin- und hergeschickten Datenvolumen.

Wer von diesen Technologien profitieren will, muss sich mit einigen neuen Bezeichnungen und Techniken vertraut machen, die für ihre Installation und die eingesetzten Sensoren relevant sind. Ob Sie sie bereits kennen oder nicht, diese Bezeichnungen werden in den nächsten Jahren mit hoher Wahrscheinlichkeit immer größere Verbreitung finden. Werfen wir einen Blick auf diese neuen Lösungen und ihre Bedeutung für Steckverbinder.

Bestands- und Legacy-Systeme

Hersteller können es sich eher selten leisten, eine komplett neue Produktionslinie zu installieren. Daher besteht die Aufgabe auch darin, neue Technologie in bestehende Infrastrukturen zu integrieren. Sensorhersteller bieten eine Reihe von Produkten an, von denen viele nicht auf die Integration in die neuesten Netzwerke ausgerichtet sind. Es gibt derzeit keinen allgemeingültigen Standard für Sensorschnittstellen – eine Herausforderung, auf die das MicroSam-Programm eine Antwort zu geben versucht. Mit diesem Programm arbeitet die PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) aktuell an einer Reihe von Spezifikationen, die für Interoperabilität auf dem Sensormarkt sorgen sollen.

„MicroSAM“ (Micro Sensor Adapter Module) ist eine neue Hardwarekomponente, die auf einer briefmarkengroßen Platine (PCB) aufbaut. Dieses Modul stellt die erforderliche Datenschnittstelle bereit, um aus einem bestehenden Sensor ein installationsbereites Plug-and-Play-Element zu machen.

Das Modul passt auf eine 32 mal 32 Millimeter große Platine, die mit Komponenten für Power Filtering und Signalaufbereitung für eine Vielzahl analoger und digitaler Sensoren bestückt ist. Die Steckverbinderschnittstelle wurde auf der Grundlage der T1M-Familie von Samtec mit 4, 6 oder 18 Kontakten standardisiert. Beim im 1,00-Millimeter-Raster konzipierten T1M handelt es sich um einen einrastenden Kabel-zu-Board-Steckverbinder, der die nötige Zuverlässigkeit für Anwendungen in der Industrie und im Fertigungsbereich bietet.

IO-Link: Steckverbinder für einfache Installation

Der MicroSam-Standard ist eine Lösung, um Sensoren in ein bestehendes Netzwerk zu integrieren. Wer jedoch einen strukturierteren Ansatz sucht, findet in IO-Link ein komplettere System. Dieses serielle Kommunikationsprotokoll ermöglicht Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit Sensoren und Stellgliedern, die häufig im Fertigungsbereich zu finden sind. IO-Link ist für die nahtlose Integration in bestehende SPS (speicherprogrammierbare Steuerungen) vorgesehen, die in der modernen Fabrik die Steuerungsebene bilden.

Was für Installateure wichtiger ist: IO-Link nutzt einen standardisierten Ansatz, mit dem Sensorhersteller für einfache Installation sorgen können. Vorteil ist auch , dass IO-Link die ungeschirmte Versionen von verbreiteten Steckverbindern nutzt. Diese Steckverbinder sind robust, schlank und leicht; sie bieten Konnektivität für Kabel, Panels und PCBs.

IO-Link setzt einen Master-Hub ein, der die Vernetzung einer Vielzahl von Geräten ermöglicht. Die Ports am IO-Master nutzen eine Reihe an M5-, M8- und M12-Typen, die häufig für Sensoranschlüsse verwendet werden. Dies erleichtert erheblich die Arbeit von Maschinenbauern.

Die Produkte werden sowohl als vorkonfektionierte Kabel wie auch als einzelne Steckverbinder geliefert und sind von mehreren Herstellern erhältlich, darunter Amphenol, Lumberg, TE Connectivity und Brad by Molex.

Die Zukunft des Industrial Ethernet?

Serielle Kommunikationssysteme wie IO-Link haben bei aller Vielseitigkeit und unkomplizierten Nutzung einen entscheidenden Nachteil: Da unterschiedliche Ebenen der intelligenten Fabrik nicht die gleichen Kommunikationsprotokolle verwenden, müssen die Daten zwischen den Systemen übersetzt werden. Das führt zu unerwünschter zusätzlicher Komplexität im Netzwerk und erhöht Kosten und Leistungsanforderungen.

Das SPE-Protokoll soll die älteren seriellen Kommunikationssysteme durch eine vereinheitlichte Ethernet-Installation mit kleineren, kompakten Steckverbindern ersetzen. SPE ist nicht dafür gedacht, die bestehende im Einsatz befindliche Ethernet-Ausrüstung zu ersetzen. Aufgrund der schieren Masse der bestehenden, das traditionelle Ethernet unterstützenden Infrastruktur wäre ein Austausch sehr kosten- und zeitintensiv, bei zugleich überschaubarem Nutzen. Stattdessen zielt SPE darauf ab, das Ethernet um Funktionen zu erweitern, die zuvor noch unerreichbar waren.

Indem man die Werksebene der intelligenten Fabrik zu einer Erweiterung der bestehenden Ethernet-Ausrüstung macht, lässt sich ein einziges, vereintes Netzwerk bilden. Jeder Antrieb und Sensor kann mit einem SPE-Steckverbinder ausgerüstet werden und eine eigene einmalige IP-Adresse erhalten. Dies ermöglicht die nahtlose Kommunikation von der Maschine zur Cloud.

Fertigungsdaten in die Cloud bringen

Ist jedes Gerät mit eigener Adresse ansprechbar, vereinfacht dies nicht nur die Integration neuer Geräte in ein bestehendes Netzwerk, sondern hat auch entscheidende Vorteile für das Konzept der intelligenten Fabrik. Eine der wichtigsten Anforderungen von Industrie 4.0 ist, dass Maschinen Daten für die höheren Ebenen im Netzwerk bereitstellen. Mit diesen Daten lässt sich die Effizienz der Fertigungsprozesse überwachen, sie enthalten jedoch auch wichtige Informationen über den Status der Maschinen selbst. Diese von Sensoren bereitgestellten Daten sind eine Schlüsselanforderung für die Nutzung digitaler Zwillinge.

Damit eine solche Überwachung effektiv ist, müssen die Daten in Echtzeit verfügbar sein. Maschinen werden als Teil eines Ethernets die von der IEEE geschaffenen Standards für Time-Sensitive Networking nutzen können. Damit sind die Verantwortlichen in der Lage, den Status einer Fabrik sekundengenau zu überblicken.

Steckverbinder: Strom und Daten auf einem Kabel

SPE vereinfacht auch die Installation neuer Geräte: Bereits seit einigen Jahren ermöglicht Power over Ethernet (PoE) die Installation von Netzwerkkomponenten ohne zusätzliche Energieversorgung. Mittels einer Variante namens Power over Data Line (PoDL) kann der SPE-Steckverbinder Strom für Geräte liefern; es wird keine lokale Energiequelle mehr benötigt. Mit einer Auswahl zwischen 12, 24 und 28 Volt bei der Versorgungsspannung kann das SPE-Netzwerk bis zu 50 Watt für Sensoren, Displays und Anzeigen bereitstellen. Die Nutzung eines einzigen Twisted-Pair-Kabels sowohl für Daten als auch Gerätestrom spart Gewicht und Platz.

Zwei SPE-Lösungen konkurrieren

Derzeit entwickeln zwei konkurrierende Konsortien physische Formen des SPE-Steckverbinders. Beide Gruppen bestehen aus Steckverbinderherstellern sowie Kabel-, Halbleiter- und – natürlich – Sensorherstellern. Das SPE Industrial Partner Network hat den Harting T1 als Standardsteckverbinder gewählt. Der am Kabel montierte Stecker erfüllt IP20, lässt sich aber auch in der einen M12-Rundsteckverbinder montieren, um sie Schutzart IP67 zu erreichen.

Beide SPE-Gruppen arbeiten mit der IEC 63171, und nur die Zeit kann zeigen, ob sich eine der beiden Lösungen durchsetzen wird. Es ist zu früh für eine Prognose, aber eines kann man bereits sagen: SPE wird in der Welt der industriellen Konnektivität immer mehr Verbreitung finden, und die Sensorhersteller werden die Vorteile des kleinen Formfaktors und der High-Speed-Kommunikation in künftigen Produktangeboten nutzen.

Fazit

Bei der wachsenden Zahl der eingesetzten Sensoren werden sich Anwender bevorzugt für Steckverbinder-Technologien entscheiden, die ihnen die Arbeit leichter machen. Die Zukunft wird zeigen, ob dies eher eine vertraute Lösung wie der M8-Steckverbinder oder eine neue Lösung wie die SPE-Ansätze sein werden.

Der Autor Mark Patrick ist Head of Technical Marketing bei Mouser Electronics.

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