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M12-Steckverbinder: Die perfekte Lösung für das IIoT

| Autor / Redakteur: Guido Werner * / Kristin Rinortner

Der im Jahr 1985 eingeführte M12-Steckverbinder gilt als einer der zuverlässigsten Steckverbinder der Industrie. Auch für Anwendungen der Industrie 4.0 ist er ein wichtiger Baustein.

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Industrial IoT: Ohne Steckverbinder gibt es kein IoT. Der M12 spielt auch hier eine wichtige Rolle.
Industrial IoT: Ohne Steckverbinder gibt es kein IoT. Der M12 spielt auch hier eine wichtige Rolle.
(Bild: Binder )

Es gilt als sicher, dass bis Ende dieses Jahres mehr als 20 Milliarden Geräte mit dem Industrial Internet of Things (IIoT) verbunden sein werden, und dass sich der Marktwert bis 2021 auf 200 Mrd. US-Dollar belaufen wird. Grob gesagt ist das IIoT ein echtzeitfähiges Datenverbindungsnetz, in dem Daten von zunehmend intelligenteren, vernetzteren und kleineren Maschinen mit höheren Geschwindigkeiten verarbeitet und übertragen werden.

Der eigentliche Wert des IIoT geht allerdings weit über das bloße Erfassen und Übertragen von Daten hinaus. Er liegt vielmehr in der vollständigen Visualisierung und Steuerung praktisch aller elektromechanischen Faktoren im Fertigungsprozess, was Unternehmen in die Lage versetzt, den Wandel von der rein beschreibenden und diagnostischen Analyse zur vorausschauenden Analyse (Predictive Intelligence) mit vorbeugenden Maßnahmen zu vollziehen.

Umfassender Überblick über den Fertigungsprozess

Zu den quantifizierbaren Vorteilen gehören die Fähigkeit, Störungen zu erkennen, wie zum Beispiel Schwankungen oder Abweichungen bei der Produkt- oder Prozessgüte, und diese Probleme durch Veränderungen am Prozess oder Produkt zu umgehen. Fabrikbetreiber können ungenutzte Kapazitäten entdecken, Wartungskosten und Ausfallzeiten reduzieren, die Sicherheit erhöhen und die Gesamtanlageneffektivität (OEE) maximieren.

Ein umfassender Überblick über den Fertigungsprozess oder die Montagestraße wird durch die Datenerfassung mit vernetzter Sensorik an Geräten und Anlagen erreicht. Derartige Sensoren überwachen Zustände und analysieren durchgehend Messwerte wie Temperatur, Schwingung oder Tonfrequenzen.

Diese Daten werden an eine Zentralstelle oder in die Cloud übertragen, wo sie für die Entscheidungsträger zur Verfügung stehen. Dieser Prozess erfordert zuverlässige Hochgeschwindigkeitsverbindungen oft in Umgebungen mit hoher Staub-, Störungs-, Temperaturwechsel- und Vibrationsbeanspruchung und in Branchen wie der Getränke- und Lebensmittelindustrie, wo die zahlreichen Hochdruckreinigungen eine zusätzliche Herausforderung darstellen.

Ohne Steckverbinder kein IIoT

Steckverbinder fungieren als ‚lebenswichtige‘ Schnittstelle zwischen den Kabeln für die Datenübertragung und den Geräten, die die Informationen aufnehmen und weitergeben. Der Bedarf an schnelleren Übertragungen, die auch für visuelle Daten geeignet sind, hat die Entwicklung von Steckverbindern vorangetrieben, die es mit den Gigabit-Anforderungen der neuesten Sensoren aufnehmen können. Um die Komplexität noch zu erhöhen, werden die Geräte immer kleiner und erhöhen so den Druck auf die Hersteller der Komponenten, mehr Geschwindigkeit, Leistung und Kapazität auf immer kleinerer Fläche bereitzustellen.

Die Varianten der Kodierungen von M12-Steckverbindern

Der 1985 eingeführte M12-Steckverbinder hat einen beneidenswerten Ruf als einer der zuverlässigsten Steckverbinder für die Industrie. Der anfänglich hauptsächlich von Autobauern eingesetzte M12 hat sich zum De-Facto-Standard für die Fabrikautomatisierung, autonome Robotik, Datenübertragung, MSR-Technik und viele weitere Anwendungen entwickelt.

Ob in der Produktionshalle oder draußen im Feld, das Personal muss vorhandene Steckverbindungen zu Wartungszwecken trennen und neu verlegte Kabel mit neuen Steckverbindern konfektionieren können – insbesondere dort, wo die Steckverbindungen staub- und wasserdicht bleiben müssen. M12-Steckverbinder sind leicht zu montieren und durch die eindeutige Kodierung verringert sich die Gefahr von Fehlsteckungen.

M12-Kodierung für Signal- und Datenübertragung sind: A-kodiert für Sensoren, Gleichspannung; B-kodiert für PROFIBUS; D-kodiert für 100-MBit/s-Ethernet und Profinet sowie X-kodiert für 10 GBit/s-Ethernet

M12-Kodierung für die Stromversorgung: Die für die Wechselspannungsversorgung bis 630 V und 16 A vorgesehenen S- und K-kodierten Steckverbinder sind die idealen Stromsteckverbinder für Anwendungen wie AC-Motoren und -Antriebe, Motorschalter und Frequenzumrichter.

Bild 1: Die Codierungen bei M12-Steckverbindern. Um Fehlanpassungen in industriellen Umgebungen sind standardisierte und nicht austauschbare Geräteanschlüsse notwendig.
Bild 1: Die Codierungen bei M12-Steckverbindern. Um Fehlanpassungen in industriellen Umgebungen sind standardisierte und nicht austauschbare Geräteanschlüsse notwendig.
(Bild: Binder )

T- und L-kodierte Steckverbinder sind für die Gleichspannungsversorgung bis 63 V und 16 A vorgesehen und eigen sich als Stromsteckverbinder für Anwendungen mit niedriger Spannung, zu denen neben DC-Motoren und -Antrieben sowie Feldbus-Ethernet-Komponenten und Netzwerkgeräten auch LED-Leuchten gehören.

Die M12-Steckverbinder sind mit 3, 4, 5, 8 oder 12 Kontakten erhältlich. Die ideale Polzahl wird durch die Anwendung bestimmt. So kommen die meisten Sensor- und Stromversorgungsanwendungen mit 3 oder 4 Kontakten aus, während bei Profinet und Ethernet 4 und 8 Kontakte die Regel sind (Bild 1).

Verriegelungen: Beim M12-Steckverbinder kommen drei Arten der Verriegelung zum Einsatz. Mit der Push-Pull-Verriegelung steht eine einfache und sichere Verriegelung zur Verfügung, die mit hörbarem Klick-Geräusch das Herstellen der ordnungsgemäßen Steckverbindung anzeigt.

Die Schraubverriegelung besteht aus dem Steckverbindergehäuse mit Überwurfmutter und dem Gegensteckverbinder mit Gewinde. Die Bajonett-Verriegelung besteht aus einem Steckverbindergehäuse mit Bajonett-Ring und einem Gegensteckverbinder mit Führungsstiften, mit dem man die Steckverbindung schnell Herstellen und Trennen kann.

Zusätzliche Optionen und Merkmale: Die Steckverbinderwahl kann durch die nachfolgend aufgeführten Optionen weiter auf die Anforderungen einer bestimmten Anwendung abgestimmt werden.

  • Geschlecht: männlich, weiblich, männlich/weiblich
  • Anschlussart: Crimp, Schraube, Klemme oder Schneidklemme
  • Gehäusematerial: Kunststoff, Metall oder rostfreier Stahl • Kontaktbeschichtung: Gold, Zinn, Optalloy (CuZnSn-Legierung)
  • Schutzart: IP67, IP68 oder IP69K
  • Kabellänge
  • Kabelmantel: PUR oder PVC
  • Einbauvariante oder feldkonfektionierbar
  • Nennspannung und
  • Nennstrom.

Drei Gründe für den M12-Steckverbinder für Industrie 4.0

Obwohl M12-Steckverbinder schon Jahrzehnte auf dem Markt waren, bevor es überhaupt ein Konzept für das IIoT gab, sind sie zum bevorzugten Steckverbinder für das heutige Industrial Ethernet geworden. Für die Datenübertragung werden sie geräteseitig eingesetzt und übernehmen die Messdaten der Sensoren und übertragen diese an eine Anwendung, in der die Daten zusammengeführt und nützliche Informationen für den Anwender gewonnen werden. Sie werden ebenfalls für die Hochstrom-Langzeitversorgung von Anwendungen wie AC-Motoren und -Antriebe sowie Motorschalter genutzt, und für Niederspannungsanwendungen wie Feldbus-Ethernet-Komponenten und Netzwerkgeräte.

Im Vergleich zum Datensteckverbinder-Typ RJ45 ist der M12-Steckverbinder besonders für raue Umgebungen konzipiert. Die runde Ausführung schützt die Kontakte nicht nur vor Verunreinigungen wie Staub, Feuchte und Fremdkörpern, sie ist auch beständig gegen Stoß, Vibration, UV-Strahlung und Temperaturwechsel. Der M12 bietet mindestens die Schutzart IP67 gegen das Eindringen von Staub und Wasser. Er ist zusätzlich als IP68- und IP69K-Ausführung für anspruchsvolle Washdown-Umgebungen erhältlich.

Die Anzahl der Steckzyklen ist für den Maschinenbauer eine weitere wichtige Größe. Die Steckzyklen werden durch das Material bestimmt, das für Kontakte und deren Beschichtung verwendet wird, ebenso wie durch die Dicke der Beschichtung. Preiswerte Steckverbinder aus einer Kupferlegierung mit verzinnten Kontakten haben nicht dieselben Eigenschaften, wie solche aus korrosionsbeständigen Werkstoffen mit dick vergoldeten Kontakten aus Berylliumkupfer, die in der Regel mindestens 100 Steckzyklen vertragen.

Bild 2: Die IoT-Fabrik ist stark durch elektromagnetische Störungen (EMV) belastet. Deswegen ist ein guter Störschutz der Komponenten wichtig.
Bild 2: Die IoT-Fabrik ist stark durch elektromagnetische Störungen (EMV) belastet. Deswegen ist ein guter Störschutz der Komponenten wichtig.
(Bild: Binder )

Schirmung: Festverdrahtete Verbindungen bieten einige Vorteile gegenüber drahtlosen Verbindungen, wozu neben der bauartbedingten Sicherheit konstruktiver Verbindungen auch die Vermeidung von Funkstörungen gehört. Dies ist besonders wichtig, weil die neue IIoT-fähige Fabrik oft stark durch elektromagnetische Störungen belastet ist. Die für den Menschen unsichtbare und nicht hörbare Rausch- bzw. Störbelastung beeinträchtigt oft die Leistungsfähigkeit hochpräziser Sensoren, die bereits durch den Lärm und die Vibrationen im betriebsamen Produktionsbereich stark gefordert sind (Bild 2).

Die zunehmende Verschmutzung durch elektromagnetische Störungen macht es für Hersteller noch schwieriger, Geräte so zu entwickeln und zu entwerfen, dass sie sowohl möglichst wenig Störstrahlung erzeugen als auch ausreichend beständig gegenüber Störungen von außen sind, damit die Betriebstüchtigkeit im Bedarfsfall nicht beeinträchtigt ist.

Um diese Bedingungen zu erfüllen, benötigen die Hersteller Steckverbinder und Verbindungskabel mit gutem Abschirmverhalten. Eine gute Abschirmung wird erreicht, indem folgende Punkte beachtet werden:

  • Kabelschirmung ist mit dem leitenden (Metall)-Gehäuse verbunden
  • Kabelschirmung ist sorgfältig mit dem Steckverbinder verbunden, um eine 360°-Abschirmung zu erreichen
  • Das gesteckte Steckverbinderpaar weist eine sichere galvanische Kopplung von Stecker und Buchse auf
  • Die Einbaubuchse weist eine gute galvanische Kopplung zwischen dem metallenen Buchsengehäuse und der metallenen Schalttafelfläche auf.

Kompakte Abmessungen: Der Industrie 4.0-Trend zur Miniaturisierung erfordert kompaktere Bauteile und Vernetzungs- bzw. Verbindungslösungen, auch wenn die Anforderungen in Bezug auf Stromstärke und Bandbreite steigen. Zunehmend kleinere Geräte und Sensoren übertragen mehr Daten, was mehr Verbindungs- und Kontaktpunkte erfordert. Das bedeutet wiederum, dass die Steckverbinder dieselbe oder eine höhere Leistungsdichte auf kleinerer Fläche bereitstellen müssen.

Der M12-Steckverbinder, der ursprünglich die Größe des 7/8-Zoll-Steckverbinders reduzieren sollte, seinerzeit der Standard für Sensoren, weist ein Verriegelungsgewinde mit einem Außendurchmesser von 12 mm auf. Der geringe Platzbedarf macht ihn zur guten Wahl für Anwendungen in beengten Räumen, wie zum Beispiel bei Leitsystemen, Telemetriemodulen, kompakten LED-Leuchten und Ventilstellantrieben.

BuchtippDas „Praxishandbuch Steckverbinder" ist ein Nachschlagewerk für Entwickler und Anwender, die sich mit Fragen der Geräteentwicklung und mit dem Einsatz von Steckverbindern befassen. Neben einem umfassenden Einblick in die Grundlagen bietet das Buch dem Leser praxisnahe Auswahlkriterien und eine umfangreiche Steckverbinder-Datenbank.

Die M12-Technik entwickelt sich weiter

Maschinenkonstrukteure und Zulieferer setzen M12-Steckverbinder nicht nur bei neuen Maschinen ein, sie nutzen sie auch für die Ertüchtigung vorhandener Infrastrukturen. Dank der Rückwärtskompatibilität ist es relativ einfach und kostengünstig, eine ältere oder weniger robuste Technik wie den RJ45-Steckverbinder zu ersetzen.

Die Hersteller der M12-Steckverbinder werden die Entwicklung auch zukünftig weiter vorantreiben und mit neuen Merkmalen und Eigenschaften gewährleisten, dass die sich rasch verändernden Anforderungen in der Robotik, Automatisierung, Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie bei den alternativen Energien und in der Mobilfunktechnik erfüllt werden.

Dank der positionierbaren, verriegelbaren und feldkonfektionierbaren Steckverbinder für die Übertragung großer Datenmengen und Stromstärken wird der M12 auch weiterhin ein wichtiger Baustein für die Industrie 4.0 und darüber hinaus sein.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 10/2020 (Download PDF)

* Guido Werner arbeitet als Product Manager bei Binder in Neckarsulm.

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