Steckverbinder für Industrie 4.0 Leistungsübertragung mit M12-Steckverbindern

Autor / Redakteur: Tobias Dietel * / Kristin Rinortner

M12-Steckverbinder bieten neben einem standardisierten Signal- und Datenanschluss eine Industrie 4.0 taugliche Schnittstelle zur Energieübertragung. Ein Überblick zum Stand der Technik.

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Universalgenie M12: auch für den Leistungsanschluss wird dieser Steckverbinder immer interessanter.
Universalgenie M12: auch für den Leistungsanschluss wird dieser Steckverbinder immer interessanter.
(Bild: Phoenix Contact)

Ein wichtiger Aspekt des Industrie-4.0-Konzepts ist die Dezentralisierung vom Schaltschrank in die Feldebene - selbst kleinste Sensoren und Aktoren werden in Zukunft Teilnehmer in einem Netzwerk oder Bussystem sein. Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung von elektronischen Geräten und Motoren hat Phoenix Contact die M12-Kodierungen S, T, K, L und M zur Leistungsübertragung entwickelt.

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Durch die Dezentralisierung der Intelligenz vom Schaltschrank in die Feldebene werden immer kleinere und kompaktere Geräte-Designs benötigt, um groß aufbauende Maschinen-Layouts zu vermeiden. Ein weiterer wichtiger Aspekt, der zur Minimierung des Maschinen-Layouts beiträgt, ist das Downsizing der elektrischen Antriebstechnik. Somit müssen auch Steckverbinder für die Leistungsversorgung ein kompaktes Maß aufweisen.

Der M12-Standard wird weltweit akzeptiert

In der Vergangenheit wurden zur Leistungsversorgung – etwa von aktiven I/O-Modulen – häufig 7/8-Zoll- oder A-kodierte M12-Steckverbindersysteme eingesetzt. Beide Steckverbinder-Typen weisen Vor- und Nachteile auf: Bei der 7/8-Zoll-Version handelt es sich um einen weltweit verbreiteten Steckverbinder, der für Ströme bis 12 A eingesetzt wird.

Der nominelle Strom pro Pin beträgt dabei maximal 9 A. Allerdings besitzt der 7/8-Zoll-Steckverbinder, der im mittleren Preissegment angesiedelt ist, eine große Bauform, und er bietet keine geschirmten Varianten.

Die Standard-M12-Variante ist der international am weitesten verbreitete Steckverbinder. Wegen seiner kompakten Bauform braucht er wenig Platz am Gerät. Außerdem kann der kostengünstige M12-Steckverbinder einfach im Feld konfektioniert und gut an der Maschine installiert werden. Zudem bietet der M12 eine große Programmvielfalt mit geschirmten Varianten, T- und Y-Verteilern sowie Sensor-Aktor-Boxen. Dafür beläuft sich der maximale Querschnitt auf 0,75 mm² – bei einer maximalen Strombelastbarkeit von 4 A pro Pin.

Auf der Grundlage der Vorteile beider Steckverbinder-Systeme hat Phoenix Contact im Jahr 2011 die ersten neuen Steckgesichter entwickelt und in den Markt eingeführt. Gleichzeitig wurde außerdem die internationale Normung initiiert.

Normung von M12 Power nach IEC

Eine wichtige Basis für die erfolgreiche Entwicklung und Verbreitung des M12-Standards am Markt war und ist die ständige Beurteilung im Rahmen der internationalen Standardisierung. Die Bauartnorm IEC 61076-2-101 für Sensor-/Aktor-Steckverbinder entstand bereits Mitte der 1990er-Jahre. Die innovative Weiterentwicklung durch neue Polbilder und neue Bauformen führte dazu, dass auch die internationale Normung einer ständigen Erweiterung unterliegt.

Ursprünglich beinhaltete die Norm IEC 61076-2-101 sämtliche M8-, M12- und M12-Datentechnik-Steckverbinder. Aufgrund der immer umfangreicher werdenden Kapitel wurde diese Norm in eigenständige Einzelnormen unterteilt:

  • IEC 61076-2-101 M12-Steckverbinder
  • IEC 61076-2-104 M8-Steckverbinder
  • IEC 61076-2-105 M5-Steckverbinder
  • IEC 61076-2-109 M12-Steckverbinder zur Datenübertragung

Neu hinzugefügt wurde im Jahr 2011 die Kategorie „M12 Power“:

  • IEC 61076-2-111 M12-Steckverbinder zur Leistungsübertragung

Kodierungen für M12-Power-Steckverbinder

Als erstes wurden in die IEC-61076-2-111 im Jahr 2011 die von Phoenix Contact entwickelten Kodierungen S und T aufgenommen (Bild 1). Die S-Kodierung ist für AC-Anwendungen gedacht – sie hat vier Kontakte – drei Leiter + PE – und ermöglicht eine Nennspannung von 630 V und einen Strom von 12 A. Die S-Kodierung ist auch als 2 + PE-Variante für 230 V und 16 A verfügbar.

Die T-Kodierung wurde für DC-Applikationen konzipiert, auch sie hat vier Kontakte. Sie kann einen Strom von 12 A pro Pin bei maximal 63 V Spannung übertragen. Aufgrund der Marktrelevanz und der Nachfrage nach einem 7/8-Zoll-Ersatz wurden 2013 weitere Kodierungen für 5- und 6-polige Endverbraucher entwickelt und mit in die Norm IEC-61076-2-111 aufgenommen.

Die K-Kodierung ist wie die S-Kodierung für AC-Applikationen gedacht. Sie verfügt über fünf Kontakte: vier Leiter und PE. Die Nennspannung beträgt 630 V, und gemäß der Norm kann ein Strom von 12 A übertragen werden.

Die L-Kodierung ist – wie die T-Kodierung – für DC-Anwendungen gedacht. Zusätzlich zu den vier Leitern besitzt sie einen Funktionserde-Kontakt. Bei einer Spannung von 63 V können 16 A Strom übertragen werden.

Als dritte Kodierung wurde 2013 die M-Kodierung eingereicht. Sie kann 630 V AC-Spannung und 8 A Strom über fünf Leiter übertragen. Zusätzlich steht ein Schutzleiter zu Verfügung.

M12-Steckgesicht am Limit der Luft- und Kriechstrecken

Am Beispiel der K-Kodierung wird deutlich, dass mit den M12-Power-Steckgesichtern das Limit bezüglich Luft- und Kriechstrecken nahezu erreicht ist. Das Steckgesicht der K-Kodierung definiert sich nach den folgenden Anforderungen:

  • Bauraum: Hier beträgt das Außenmaß 12 mm am Rändel. Für das eigentliche Steckgesicht – auch Kontaktträger genannt – steht nur noch ein Bauraum mit dem Durchmesser von 8,9 mm zur Verfügung.
  • 5 Pole / Spannung 630 V AC: Aus diesen Parametern resultieren die Luft- und Kriechstrecken, die bei einer Spannung von 630 V nicht zu vernachlässigen sind.
  • PE-Kontakt aufgrund der Spannung und Position des PE-Kontakts: Die Position des PE-Kontakts muss an der Außenwand des Kontaktträgers liegen, damit eine Kontaktierung des metallisch leitenden M12-Rändels möglich ist. Somit ist der Schutz gegen einen elektrischen Schlag sichergestellt. Außerdem sind geschirmte Kabelvarianten im Fehlerfall sicherer. Dies wird an einem Beispiel deutlich: bei einer Beschädigung des Außenhandels und der Einzeladern des Kabels kann es zu einer Kontaktierung einer Phase zum Schirm kommen. Durch die Verbindung des Schirms zum Schutzleiter ist auch dieser Fehlerfall sicher.
  • Invertierter PE-Kontakt: Mit dem invertierten PE-Kontakt wurde eine größere mechanische Kodierung geschaffen – damit erhöht sich die Fehlstecksicherheit deutlich.
  • Strombelastbarkeit von 1,5 mm Durchmesser pro Kontakt: Hier liegt der Wert nach IEC-61076-2-111 bei 12 A, mit 16 A wird er von den M12-Steckverbindern aus Blomberg deutlich übertroffen.

Die Geometrie der K-Kodierung wurde so entwickelt, dass eine gleichmäßige Anordnung der Kontakte gewährleistet wird, damit die geforderten Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden. Diese werden mit Hilfe einer Verschachtelung des Isolierkörpers umgesetzt (Bild 2).

Ein weiterer Aspekt für die Auslegung des Steckgesichtes war die Herstellbarkeit der Kunststoffkomponenten. Hier wurde besonders darauf geachtet, dass die entsprechenden Wandstärken prozesssicher gefüllt werden können.

Produkte mit Kodierungen für M12 Power

Bereits ein Jahr nach der Normierung der M12-Power-Kodierungen S und T hat Phoenix Contact 2013 die ersten Steckverbinder auf den Markt gebracht. Mit den nach UL (Underwriters Laboratories) 2237 und nach CSA (Canadian Standards Association) C22.2 No. 182.3 approbierten Produkten lässt sich beispielsweise eine dezentrale DC-Energieverteilung an einer Maschine realisieren. Dies kann mit Hilfe von Verteilerboxen, konfektionierten M12-Leitungen, frei konfektionierbaren Steckverbindern und Y-Verteilern problemlos umgesetzt werden (Bild 3).

Für den Herbst 2017 sind weitere Produkte mit den in die Norm IEC-61076-2-111 eingebrachten Kodierungen K, L und M geplant. Das Produktprogramm umfasst zunächst Einbausteckverbinder, frei konfektionierbare Steckverbinder und konfektionierte M12-Leitungen. Dann können auch erstmals Kabel mit einem Querschnitt von 2,5 mm² an den M12-Steckverbinder angeschlagen werden. Mit einem maximalen Außendurchmesser der Kabel von 12 mm ist dann auch hier das technisch Machbare bei einem M12-Steckverbinder erreicht. Um schädlichen EMV-Einflüssen entgegenzuwirken, stehen dann zusätzlich geschirmte Leitungen wie auch Steckverbinder zu Verfügung.

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M12-Power – die Vorteile auf einen Blick

Geräteanschlusstechnik muss nicht nur leistungsstark, sondern auch kompakt und flexibel sein. Die M12-Power-Verkabelung von Phoenix Contact bietet eine hohe Leistung bei kompakter Baugröße:

  • Hohe Leistungsübertragung mit Steckverbindern bis 16 A für DC- oder AC-Anwendungen bis 630 V.
  • Hohe Platzersparnis durch die
    kompakte M12-Bauform.
  • Schutz gegen Fehlstecken durch kodierte Steckgesichter.
  • Elektromagnetische Belastungen werden durch optionale 360°-Schirmung zuverlässig reduziert.
  • Standardisiert nach IEC 61076-2-111, Zulassung nach UL 2237 und CSA C22.2 No. 182.3

Fazit

Das M12-Steckverbindersystem bietet dem Anwender nicht nur einen standardisierten Signal- und Datenanschluss, sondern jetzt auch eine Industrie 4.0 taugliche Schnittstelle zur Energieübertragung. Die neue Baugröße ermöglicht ein äußerst kompaktes Geräte-Design, wobei auf Komfort und Qualität nicht verzichtet werden muss.

Durch die Normung erhalten Anwender Sicherheit in Bezug auf die Austauschbarkeit zwischen Steckverbinder-Anbietern und Geräteherstellern – eine sichere Grundlage für die Planung und Akzeptanz zukünftiger Gerätegenerationen.

* Tobias Dietel arbeitet im Produkt-Marketing Industrial Field Connectivity bei Phoenix Contact in Blomberg.

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