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Für die Datenautobahn im Industrieumfeld

M12-X-kodierte Steckverbinder für Ethernet
Für die Datenautobahn im Industrieumfeld

Der Hersteller Franz Binder Elektrische Bauelemente ist einer der Marktführer bei Industriesteckverbindern. Seit 25 Jahren beschäftigt sich das Unternehmen mit der Entwicklung und Herstellung von Steckverbindern für die Automatisierung und hat die Einführung des M12-Systems entscheidend mitbestimmt. Zur SPS IPC Drives hat das Unternehmen ein umfangreiches Programm von M12-X-kodierten Steckverbindern vorgestellt, das für die Übertragung von 10 Gbit/s nach IEEE 802.3 und entsprechen Cat. 6A Klasse EA geeignet ist.

DER AUTOR Rolf Kunath ist Produkt- manager M12-Steckverbinder der Firma Franz Binder GmbH & Co in Neckarsulm

In der Vergangenheit wurde die Entwicklung bei M12-Steckverbindern wesentlich durch die Sensorhersteller getrieben. Ziel war es, einen schnellen Austausch von Sensoren durch steckbare Ausführungen im Industrieumfeld sicherzustellen. Inzwischen liegt der Anteil an steckbaren Sensoren jzwischen 60 und 80 %. Die spätere Normung hat die weltweite Verbreitung des M12-Systems zusätzlich derart beflügelt, dass immer neue Applikationen erschlossen werden konnten. Diese Applikationen beziehen sich auf Bauformen, Anschlusstechniken, Materialeinsatz, Polbilder, Kabelvarianten- und längen, Schirmkontaktierungstechniken und die Geräteintegration.
Aber auch Felder, die in der Vergangenheit durch spezielle Steckverbinder im Daten- und Power-Bereich abgedeckt wurden, werden in zunehmendem Maße von angepassten M12-Steckverbindern besetzt. So stehen mit der S- und T-Kodierung erstmals M12-Steckverbinder für AC- (630 V/12 A) und DC-Power (60 V/12 A) zur Verfügung. Im IT-Bereich ist der RJ45-Steckverbinder genormt und weit verbreitet. Allerdings erfüllt dieser die industriellen Anforderungen bezüglich Schutzart, Schwing- und Schockbelastung, Temperatur- und Umweltanforderungen nicht. Ein weiterer Nachteil der RJ45-Technik für den Massenmarkt ist die Begrenzung der Aderquerschitte auf AWG 26. Im Industriebereich sind aber AWG 24 oder AWG 22 üblich, was nur wenige Hersteller anbieten können. In einigen Anwendungen wurde deshalb versucht, mit angepasster Gehäusetechnik den RJ45 industrietauglich zu machen. Das führte aber zu unterschiedlichen nicht genormten und nicht kompatiblen Lösungen, die für einen breiten Einsatz keine Basis bilden. Außerdem wird ein kompakter kleiner Steckverbinder benötigt, der weltweit verfügbar ist. Für die Verkabelung innerhalb des Schaltschranks ist der RJ45 nach wie vor gesetzt, allerdings mit entsprechenden Mindestanforderungen für die Industrie nach IEC 60603-7.
Mit Ethernet wurde erstmals aufbauend auf den M12-Feldbussteckverbindern eine neue Kodierung für Ethernet mit 100 Mbit Übertragung gemäß Cat.5e entwickelt und genormt. Diese Steckverbindernorm fand auch Eingang in verschiedene Richtlinien und Normen für Ethernetnetzwerke. So ist der M12-D-kodiert nach IEC 61076-2-101 zum wichtigsten Datensteckverbinder bei IP67/68 geworden. Ein Grund für die rasante Entwicklung ist die Nutzung des Baukastens der M12-Technik allgemein, womit eine große Applikationsvielfalt abgedeckt werden kann.
Höhere Bandbreiten für die Zukunft
Die Datenübertragungsmöglichkeiten der D-kodierten Versionen sind für den überwiegenden Anteil der Anwendungen ausreichend. Für die Bildverarbeitung und weitere zukunftssichere Anforderungen werden jedoch höhere Bandbreiten benötigt. Das heißt, um zukünftig diesem Trend gerecht zu werden und alle Anwendungen abzudecken, musste ein neues Innenleben für den M12- Steckverbinder entwickelt werden. Ziel war es, eine symmetrische vierpaarige Verkabelung im Steckverbinder abzubilden. Das geschieht heute dadurch, dass zwischen den 4 Paaren ein metallisches Schirmkreuz angeordnet wird, das mit dem Kabelschirm verbunden ist. Damit sind in jeder Kammer 2 Kontakte für 1 Adernpaar vorhanden. Steckerseitig auf die Komponente geschaut bildet das Schirmkreuz ein X, was zur Bezeichnung X-Kodierung geführt hat. Das Innenleben des Steckverbinders führt zu besonderen Herausforderungen, denn es gilt, die Verbindung des Kabels mit den Kontakten so zuverlässig zu bewerkstelligen, dass der Übergang die Übertragungseigenschaften so wenig wie möglich stört. Deshalb bilden notwendige Kreuzungen der Adern wie bei Stecker-Stecker-Versionen die besondere Herausforderung. Bei konfektionierbaren Steckverbindern bieten Lösungen, bei denen die Aderführung konstruktiv vorgegeben ist und nicht vom Monteur bestimmt werden kann, Vorteile bei der Einhaltung der Signalintegrität. Bei angespritzten Leitungen erfolgt die Konfektion beim Hersteller und hier ist auch eine Prüfung der Übertragungseigenschaften möglich. So kann mittels Plug-and-Play und mit geprüften Komponenten einfach ein Gesamtsystem aufgebaut werden.
Um eine verlustarme und störungsfreie Datenübertragung zu realisieren ist es notwendig, einige wichtige Parameter zu beachten. Das Nebensprechen beispielsweise kennzeichnet die Störungen der Paare untereinander und kann durch Verseilung der Aderpaare und durch eine Paarschirmung verhindert werden. Im Steckverbinder kommt es darauf an, die Verseilung und den Paarschirm möglichst nahe an die Kontaktstelle zu führen und den Gesamtschirm über 360° auf das Steckverbindergehäuse aufzulegen. Die Rückflussdämpfung wiederum ist ein Maß für das Verhältnis von eingespeistem zu reflektiertem Signal. An der Kontaktstelle zwischen Adern und Kontakten dürfen keine Reflexionsstellen entstehen. Deshalb ist es wichtig, dass der Wellenwiderstand zwischen Kabel und Steckverbinder angepasst ist. Die Einfügedämpfung gibt nicht zuletzt die Störung der Leistung des Signals durch eine Fehlanpassung z.B. an einem Steckverbinder an.
M12 zur Übertragung von 10 Gbit/s
Die Firma Franz Binder Elektrische Bauelemente hat zur SPS IPC Drives 2013 in Nürnberg ein umfangreiches Programm von M12-X-kodierten Steckverbindern vorgestellt. Diese Steckverbinder sind geeignet für die Übertragung von 10 Gbit/s nach IEEE 802.3 und entsprechen Cat. 6A Klasse EA. Die Steckverbinder sind einsetzbar für PoE+, sodass auch die Spannungsversorgung über die Datenleitung erfolgen kann.
Das Kontaktbild des Steckverbinders entspricht der IEC 61076-2-109 und garantiert damit die Kompatibilität zwischen internationalen Herstellern. Ähnlich wie beim RJ45-Steckverbinder ist das System so aufgebaut, dass am Kabel in der Regel ein Stecker mit Stiftkontakten vorhanden ist. Das heißt, die Verbindungsleitungen bestehen aus beidseitig angespritzen oder konfektionierbaren M12/RJ45-Steckern. Um die Funktion des Systems sicherzustellen, muss alles gesteckt werden. Verlängert wird mit steckbaren Adaptern, Schaltschrankdurchführungen sowie Verbindungsleitungen mit Dosenanschluss. Diese Vorgaben beinhaltet auch der Komponentenansatz der „Profinet Guidline Cabling and Interconnection Technology“, in der bei einer maximalen Kabellänge von 100 m Vorgaben zur Netzwerkkonfiguration sowie zu Berechnungs- und Messmethoden aufgezeigt werden. Am Gerät ist immer eine Flansch- oder Einbaudose vorhanden, die so integriert sein muss, dass keine Störungen auftreten. Der Schirmanschluss muss großflächig erfolgen und die Schirme aller Ports müssen verbunden werden. Dabei ist auch der Potenzialausgleich zu beachten. Die Schirmanbindung auf der Leiterplatte muss symmetrisch an 4 Punkten erfolgen, da sonst die Nebensprechdämpfung einzelner Paare gestört wird.
Vollständige Palette
Derzeit sind konfektionierbare Steckverbinder mit Schneidklemmanschluss für Kabel im Durchmesserbereich von 5,5 bis 9 mm und Aderquerschnitten von AWG 27/7 bis AWG 22/1 lieferbar. Der Steckverbinder besteht aus drei Hauptteilen: dem Steckereinsatz, der Adernvorsortierung und der vormontierten Druckschraube. Die Konfektionierung erfolgt werkzeuglos in einem Adermanager, wobei die Adern in farblich markierte Kammern eingelegt werden. Der Schirm wird durch zwei Federelemente, die in die Adervorsortierung integriert sind, kontaktiert. Adernvorsortierung und konfektioniertes Kabel werden in den Steckereinsatz geschoben und anschließend mit der Druckschraube verschraubt. Dadurch wird gewährleistet, dass die Isolierungen der Adern auch tatsächlich von den Schneidklemmen aufgeschnitten werden. Der drehbare M12-Gewindering ist mit einem Sechskant SW 18 ausgestattet, der den Einsatz eines Drehmoment-Schlüssels für die Verriegelung mit dem Gegenstück erlaubt. Für Anwender, die fertig konfektionierte Lösungen bevorzugen, bietet der Hersteller umspritzte Leitungen M12/M12 oder M12/RJ45 an. Das Kabel ist ein S/FTP Cat. 7 mit AWG 26/7 und PUR-Mantel. Es hat ein Gesamtschirm-Geflecht und die Aderpaare haben eine Einzelschirmung aus Metallfolie. Für die Gerätetechnik stehen fünf verschiedene Einbau- und Flanschsteckverbinder zur Verfügung. Es werden Versionen für Rückwandmontage, Vorderwandmontage und zweiteilige Ausführungen mit und ohne Schirmfeder angeboten. Die Dosenversionen sind zugelasseng nach UL 1863 E363498. ge
www. binder-connector.de
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