Anschlusskonzepte Plug & Play-Verbindung für die S7-300-SPS vermeidet Fehler

Autor / Redakteur: Daniel Utermöhle * / Gerd Kucera

Der Anschluss einer Steuerung an Reihenklemmen zeigt sich fehlerträchtig und zeitaufwändig. Fehlerfrei und bis zu 90% schneller als bei einer Parallelverdrahtung geht es mit VIP-Power Cabeling.

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Bild 1: Mit VIP-Power Cabling lassen sich Baugruppen jetzt bis zu 90% schneller als bei einer Parallelverdrahtung an eine S7-300-Steuerung anschließen.
Bild 1: Mit VIP-Power Cabling lassen sich Baugruppen jetzt bis zu 90% schneller als bei einer Parallelverdrahtung an eine S7-300-Steuerung anschließen.
(Bild: Phoenix Contact)

Seit Entwicklung der ersten modularen Reihenklemme für die Installation in Kraftwerken hat sich die an sich simple Elektrokomponente stark verändert. So wurde beispielsweise das Klemmen-Design verschlankt, verbesserte Werkstoffe kamen zum Einsatz, verschiedene Anschlusstechniken entstanden und sogar Bauteile wie Relais, Sicherungen oder Dioden wurden in das Klemmengehäuse integriert.

Heute findet die Reihenklemme sowohl in den verhältnismäßig kleinen Schaltschränken des Maschinenbaus als auch in großen industriellen Schaltanlagen Anwendung, in denen viele tausend E/A-Signale rangiert werden müssen. Das Leistungsspektrum der Klemmen reicht heute von der Ankopplung leistungsstarker Antriebe bis zur Rangierung kleiner Steuerungssignale.

Wie lässt sich die Reihenklemme nun am besten mit einer Steuerung verbinden? Werden exemplarisch die marktüblichen Lösungen für die Kopplung an eine Simatic S7-300 betrachtet, kristallisieren sich drei wesentliche Ansätze heraus:

  • Verwendung von einseitig vorkonfektionierten Frontadaptern mit 20 beziehungsweise 40 Einzeladern im Seilverbund sowie einem offenen Ende zur freien feldseitigen Konfektionierung, wobei die Nennspannung 24 V AC/DC beträgt.
  • Einsatz von Systemverkabelungs-Adaptern, die zur Signalverteilung spezielle Leitungen mit angeschlagenen, genormten Steckverbindern nutzen und feldseitig auf Übergabemodule aufgelegt werden. Die maximal zulässige Spannung bei einem FLK/IDC-Anschluss beläuft sich auf 50 V AC respektive 60 V DC.
  • Verwendung von Frontsteckern mit Schraub-, Zugfeder- oder Crimpanschluss, die nicht konfektioniert sind, sodass das Anschlagen und die Auswahl der Signalleitungen dem Anwender überlassen bleiben. Maximal ist eine Spannung von 250 V AC/DC zulässig.

Die aufgeführten Varianten verdeutlichen, dass es im Prinzip für jede Applikation die passende Lösung gibt. Die Ankopplung von Leistungskarten bis 250 V AC/DC oder Reihenklemmen erfordert jedoch einen erhöhten Arbeitsaufwand für das Konfektionieren und Verlegen der Leitungen. Die Erfahrung zeigt, dass für die Anbindung von 40-poligen Baugruppen inklusive einer etwaigen Fehlersuche durchaus 45 Minuten zu veranschlagen sind.

Um die beschriebene Vorgehensweise zu vereinfachen, hat Phoenix Contact die neue Adapter-Generation VIP-Power Cabling entwickelt. Aufgrund des geschlossenen Gehäuses, des hohen Kabelquerschnitts und eines besonderen Prüfverfahrens lassen sich mit der Lösung nahezu alle E/A-Baugruppen für die S7-300 fehlerfrei anschließen. Die sichere Verbindung der Frontadapter mit den E/A-Karten ist bei den 20-poligen Baugruppen über einen Rastmechanismus realisiert, während die 40-poligen Adapter mittels einer Schraube fixiert werden.

Durch die simple Eins-zu-eins-Rangierung der Signale über Combi-Steckverbinder direkt auf die Reihenklemme sind verschiedene Signalformen möglich. Das Spektrum erstreckt sich vom kleinen analogen Signal über gängige 24 V/500 mA-Schaltsignale bis zu maximalen Schaltspannungen von 250 V AC/DC und Strömen pro Einzelader bis 6 A beziehungsweise einem Summenstrom pro Kabel von 20 A bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C. Dabei werden immer zehn Signale über eine Leitung oder einen Combi-Stecker geführt (Bild 2).

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Dies beruht auf der Tatsache, dass die Anschlussgruppierung in den E/A-Baugruppen bei der S7-300-Steuerung zehn Anschlusspunkte umfasst. Bei digitalen Signalen ist je eine Ader für die Spannungsversorgung und acht Adern für die geschalteten Signale vorgesehen. Die Combi-Steckverbinder sind für den Installateur eindeutig von 1 bis 20 bei den 20-poligen Baugruppen und von 1 bis 40 bei den 40-poligen Baugruppen beschriftet.

Optional können sie codiert werden, was ein falsches Stecken verhindert und eine klare Zuordnung der Signale sicherstellt. Zur Kontaktierung der Reihenklemme stehen zwei verschiedene angeschlagene Steckverbinder zur Verfügung: eine Standard-Variante mit einem Rastermaß von 5,2 mm zum Anschluss von Leitern bis 2,5 mm2 Querschnitt sowie eine platzsparende Version mit einem Rastermaß von 3,5 mm für Leiter mit einem maximalen Querschnitt von 1,5 mm2 (Bild 3).

Anschlusstechniken lassen sich flexibel kombinieren

Phoenix Contact hat ein wesentliches Augenmerk auf die einheitlich gestaltete Steckzone der Grundklemme gelegt. Auf diese Weise lassen sich die vier unterschiedlichen Anschlusstechniken der steckbaren Reihenklemme flexibel kombinieren. Feldseitig ist eine Ankopplung per Schraub-, Zugfeder-, Schnellanschluss- oder Push-in-Technik möglich. Die Verwendung von Doppelstockklemmen erlaubt die Umsetzung platzsparender Applikationen, indem 20 Kanäle auf 35 mm Baubreite respektive 40 Kanäle auf 70 mm Baubreite untergebracht sind.

Die geringe Baubreite resultiert aus der werkzeuglosen Push-in-Technologie. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter einfach sowie ohne großen Kraftaufwand in die Klemmkammer gesteckt und sicher durch eine Schenkelfeder gegen den Strombalken gedrückt wird. Starre oder flexible Leiter mit Aderendhülse lassen sich so ermüdungsfrei stecken. Zum Lösen muss der Anwender lediglich den orangefarbenen Drücker betätigen und die Kontaktierung des Leiters trennen. Somit ist für die Werkzeugaufnahme keine große Klemmkammer notwendig, sodass die Baubreite der Klemme reduziert werden kann.

Zusätzliche Sicherheit bei der Handhabung gibt auch der Isolierstoff am Drücker der Klemme. Die Unfallverhütungs-Vorschriften untersagen zwar das Arbeiten unter Spannung, doch die Mitarbeiter setzen sich in der Praxis oft über diese Sicherheitsregel hinweg. Ein falsch angeschlossener Draht ist so schnell von einer Klemmstelle auf die nächste verdrahtet – trotz der Gefahr eines elektrischen Schlags. Vor diesem Hintergrund sorgen das komplett gekapselte Gehäuse sowie die fingerberührsichere Grundklemme und die Steckverbinder, in denen sämtliche spannungsführenden Teile berührgeschützt verbaut sind, für den sicheren Umgang mit dem Adapter-System.

Die vorkonfektionierten Adapter sind in verschiedenen Leitungslängen von 0,5 bis 10 m erhältlich. Die steckbaren Messertrennklemmen eröffnen dem Anwender weitere Vorteile, denn sie lassen sich ebenfalls per Plug & Play an die Steuerung anbinden. Im Bedarfsfall oder für Messzwecke können jedoch einzelne Stromkreise durch die Trennmesser aufgetrennt werden. Parallel zur Trennstelle angeordnete Prüfabgriffe erlauben die einfache Erfassung und sichere Überwachung der Signale. Außerdem lässt sich die Trennklemme vom Typ TG/IP durch den Einsatz von speziellen Bauelementen oder Sicherungssteckern zu einer Funktionsklemme umwandeln (Bild 4). Über Sicherungsstecker mit integrierter Ausfallanzeige erkennt der Anwender den aktuellen Zustand der Sicherung. Unterschiedliche Varianten decken alle gängigen Spannungsbereiche ab.

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Da direkt auf die Reihenklemme gesteckt werden kann, lassen sich Applikationen im Vergleich zu einer herkömmlichen Parallelverkabelung sowohl fehlerfrei als auch zu 90% schneller umsetzen. Neben der Zeitersparnis zeichnet sich VIP-Power Cabling dadurch aus, dass selbst einzelne Maschinen- und Anlagenteile auf einfache Weise modular und damit trennbar aufgebaut werden können. Denn durch Nutzung der PIN/PIN-Durchgangsklemmen der Produktfamilie Combi sind die Stecker auf beiden Seiten der Reihenklemme verwendbar. Das erleichtert die Demontage, den Transport und den Wiederaufbau der Module oder ganzer Anlagenteile beim Endkunden. Darüber hinaus schafft die Modularität mehr Flexibilität in der Konstruktion, weil sich die verschiedenen Module miteinander kombinieren lassen.

Die Frontadapter mit angeschlagenen Combi-Steckverbindern werden durch eine Version mit einem offenen Leitungsende im Seilverbund ergänzt. Diese Variante erweist sich als besonders flexibel, da die offenen Leitungsenden auf fast jedes Element im Schaltschrank aufgelegt werden können. Ähnliche am Markt etablierte Produkte sind lediglich für Applikationen mit einer Nennspannung bis 24 V geeignet.

Durch ein spezielles Prüfverfahren von Phoenix Contact lassen sich die neuen Adapter der Produktfamilie VIP-Power Cabling mit offenem Leitungsende hingegen auch für Anwendungen bis maximal 250 V AC/DC und 6 A bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C einsetzen. Um die Installation für den Anwender zu vereinfachen, sind die einzelnen Adern durchgängig von 1 bis 20 bei den 20-poligen Baugruppen und von 1 bis 40 bei den 40-poligen Baugruppen beschriftet. Die einseitig vorkonfektionierten Leitungen gewähren dem Anwender eine Zeitersparnis von bis zu 50% gegenüber der herkömmlichen Parallelverdrahtung.

Einheitliches Zubehör reduziert Logistik- und Lageraufwand

Die Reihenklemme bietet zahlreiche Möglichkeiten, um die Peripherie an die Adapter mit offenem Leitungsende anzuschließen. Die Varianz reicht von unterschiedlichen Baubreiten über verschiedene Steckbrücken-Versionen, spezielle Einspeiseklemmen und Prüfstecker bis zu vielfältigen Markierungsoptionen und weiterem Zubehör. Das Reihenklemmen-Programm Clipline complete umfasst dabei unterschiedliche Anschlusstechniken zur direkten Kopplung der Steuerung an die im Feld verbauten Geräte: Zugfeder-, Schnell-, Schraub-, Bolzen- und Push-in-Technologie. Phoenix Contact hat hier ebenfalls besonderes Augenmerk auf den doppelten Funktionsschacht gelegt. Auf diese Weise lassen sich sämtliche Anschlusstechniken frei miteinander mischen.

Neben der hohen Flexibilität schafft das Reihenklemmen-System Clipline complete einen weiteren Mehrwert für den Anwender: Das Brücken-, Beschriftungs- und Prüfzubehör ist standardisiert, sodass sich die Logistik- und Lagerkosten reduzieren. Die Verwendung von Mehrstockklemmen erlaubt eine platzsparende Umsetzung der jeweiligen Applikation, wobei verschiedene Funktionsklemmen hohe Freiheitsgrade ermöglichen.

Solution Center setzt spezifische Lösungen um

Wie alle Produkte des täglichen Bedarfs unterliegen die Steuerungen einem natürlichen Lebenszyklus. Maschinen und Anlagen, in denen ein abgekündigtes Steuerungssystem installiert ist, müssen also kurz- oder mittelfristig umgerüstet werden.

Der Grund hierfür liegt in der Einstellung des Supports durch den Hersteller sowie in der stetig sinkenden Verfügbarkeit von Ersatzteilen. Eine solche Umrüstung zieht allerdings auch Probleme nach sich. Nicht aktualisierte Schaltpläne, eine mangelhafte Dokumentation sowie umverdrahtete Sensoren und Aktoren können beispielsweise zu einem längerfristigen Anlagenstillstand führen.

Aufgrund des universell gestalteten Gehäuses bieten sich die Frontadapter der Produktfamilie VIP-Power Cabling daher als Basis für eine kundenspezifische Lösung an.

Das Solution Center von Phoenix Contact ist auf die Realisierung entsprechender Projekte spezialisiert. Im Bereich der Steuerungs-Migration nutzen die Mitarbeiter oftmals die vorhandenen Gehäuse von Standardprodukten und schlagen auf die jeweilige Applikation abgestimmte Leitungen an.

Durch die universelle Kabeleinführung erweisen sich in der Praxis die Frontadapter der Produktfamilie VIP-Power Cabling insbesondere für derartige Aufgabenstellungen als geeignet. Denn der einseitig vorkonfektionierte Adapter vereinfacht das Umverdrahten der bisherigen Steuerung auf die S7-300 erheblich. Mit der Frontadapter-Lösung und den Übergabe-Elementen steht somit immer der passende Ansatz zur Verfügung, um die Simatic S7-300 mit der Feldebene zu koppeln.

* B.Sc. Daniel Utermöhle ist Mitarbeiter im Produktmarketing Interface Cabling, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont.

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