M12-Steckverbinder mit X-förmigem Steckgesicht Ethernet X-tra schnell

Immer mehr Daten immer schneller übertragen heißt die Anforderung in industriellen Anwendungen – sei es für die M2M-Kommunikation oder die Produktionsüberwachung. Für diese stark steigende Datenraten kann ein M12-Steckverbinder mit X-förmigem Steckgesicht hilfreich sein.

Produktionsprozesse in der Industrie werden immer schneller und individueller. Vor dem Szenario der »Industrie 4.0« werden zudem erheblich mehr Kommunikationsprozesse der Maschinen und Produkte untereinander notwendig. Dabei fallen auch größere Datenmengen an, die ihr Ziel erreichen müssen. Für die Entwickler von Maschinen wird es zu einer immer größeren Herausforderung, schon während der Konstruktion abzuschätzen, welche Datenmengen zukünftig über die Verkabelung einer Maschine zu bewegen sind. Kabel und Steckverbinder müssen auf die Nutzung und die anfallenden Daten abgestimmt sein. Gleichzeitig sind Kabel und Steckverbinder in einem industriellen Umfeld besonders hohen Belas¬tungen und rauen Umgebungen ausgesetzt. Mit dem »M12«-Rundsteckverbinder bietet Harting ein System, das diesen Anforderungen an hohe Übertragungsraten im industriellen Umfeld gerecht wird.

Einer für alle

Hartings M12-Rundsteckverbinder bietet mit zahlreichen Varianten für jede Anwendung eine geeignete Lösung. So wird der M12 in vier verschieden codierten Steckgesichtern angeboten und ist mit vier verschiedenen Anschlusstechniken und in unterschiedlichen Bauformen verfügbar.

Die Steckgesichter bieten die »A«-Codierung für Sensorik und Energieversorgung, die »B«-Codierung für Profibus, die »D«-Codierung für Ethernet bis 100 Mbit/s und die »X«-Codierung für Ethernet-Anwendungen bis 10 Gbit/s. Gleichzeitig lassen sich die Kabel über Crimpung, Schneidklemmtechnik (IDC) oder das neue »preLink«-System anschließen.

Bei Letzterem werden die einzelnen Litzen in einen Anschlussblock (Bild 1) geführt, dann sorgt ein passendes Werkzeug für den Anschluss durch Schneidklemmen und kürzt gleichzeitig überstehende Litzen auf die passende Länge. Dieser Anschlussblock ist variabel und lässt sich immer wieder verwendbar in diversen Harting-Steckverbindern einsetzen (Bild 2). Für den direkten Anschluss von Leiterplatten ist auch ein anlötbarer geräteseitiger Platinenanschluss im Portfolio (Bild 3).

Um Konstrukteuren noch mehr Spielraum zu geben, gibt es den M12 zudem in verschiedenen Bauformen: Über den klassischen, geraden M12 mit Verschraubung (Bild 4) und eine um 90 Grad gewinkelte Variante (Bild 5) hinaus hat die dritte Möglichkeit, eine Slim-Design-Variante, einen kleineren Durchmesser für höhere Steckdichten in engem Arbeitsumfeld.

Sollte der Platz mal sehr beengt sein und der Einsatz von Werkzeug nur schwer möglich, bietet der Hersteller den M12 auch ganz neu als sogenannte »PushPull«-Variante an. Diese lässt sich ohne Werkzeug durch einfaches Aufstecken verbinden und zugleich durch einfaches Ziehen des Sicherungsrings wieder lösen.

Viele Schirme übergeben

In Bezug auf das Eingangsthema Industrie 4.0 sind besonders die X-codierten »har-speed«-M12-Modelle hervorzuheben. In der 4-poligen Variante sind sie für Ethernet bis 100 Mbit/s geeignet; 8-polig ermöglichen sie eine Übertragungsklasse nach »Cat. 6A« und sind damit erste Wahl, wenn es um Highspeed-Ethernet-Anwendungen bis 10 Gbit/s geht. Die Schwierigkeit bei der Entwicklung lag darin, das Signal aus dem Leiter sauber und ohne die Entstehung von Störungen durch den Steckverbinder zu führen. Hierfür war es wichtig, die im Leiter vorhandene Schirmung im Steckverbinder fortzusetzen.

Ethernet-Kabel nach Cat. 6A haben eine äußere Schirmung, welche alle Litzen umgibt, und zusätzlich eine Schirmung für jedes der vier Aderpaare. So blockt der äußere Mantel Einflüsse von außen ab, und die innere Schirmung verhindert ein gegenseitiges Übersprechen der Aderpaare. Bei der Entwicklung des Steckverbinders galt es nun, diese Schirmung möglichst unterbrechungsfrei durch den Steckverbinder zu übertragen, wenn der Stecker die Kat. 6A ebenfalls erfüllen soll. Form und Funktionsprinzip des X-codierten Steckgesichtes waren bereits durch die Norm IEC 61076-2-109 vorgegeben. Ein Zink-Druckguss-Gehäuse gewährleistet, wie bisher schon bei anderen Codierungen, die äußere Schirmung. Durch die Kontaktierung mit der äußeren Kabelschirmung bietet dieses Gehäusematerial einen durchgehenden Schutz vor äußeren Störeinflüssen. Geeignete Codierung des Steckgesichtes schließt ein Fehlstecken aus.

Die konstruktive Herausforderung bestand darin, das X-förmige Schirmkreuz im Inneren des Steckverbinders zu platzieren. Zunächst gab es Lösungen, bei denen das Schirmkreuz im Zink-Druckguss-Prozess mit ins Gehäuse integriert wurde. Diese filigranen und teils sehr verschiedenen Materialstärken waren mit diesem Verfahren jedoch nicht prozesssicher herstellbar. Also entwickelte man bei Harting eine andere Lösung, die sich im Nachhinein als wesentlich universeller herausstellte. Die Konstrukteure entwarfen für den X-codierten M12, wie bei seinen A, B und D-codierten Vorgängern, ein eigenständiges Bauteil, welches später mit angeschlossenen Litzen in das M12-Gehäuse geführt wird. Dieses Bauteil enthält den Isolierkörper mit der Aufnahme für die Crimpkontakte sowie das Schirmkreuz, welches die Aderpaare vor gegenseitigem Übersprechen schützt. Somit erstreckt sich das Schirmkreuz nun über die gesamte Länge des Steckverbinders.

Bei der Montage wird die Aderpaarisolierung nur so weit wie nötig entfernt und das neue Bauteil samt Schirmkreuz bündig zwischen die Aderpaare geschoben. So führt die Aderpaar-Schirmung des Kabels zuverlässig bis in das Schirmkreuz des Steckverbinders, und es entstehen keine Lücken im Schirmverlauf, in denen die Aderpaare ungeschirmt einander gegenüberliegen (siehe großes Bild). Auf den Isolierkörper wird nun noch ein Kontakthalter geschoben und verrastet, dann lässt sich dieser Anschluss in das bekannte M12-Steckgesicht einführen. Eine Überwurfmutter, ein Schirmring und eine Dichtung verschrauben die Kabelaufnahme und schaffen so eine solide Zugentlastung. Dieser Vorgang verbindet zugleich das zurückgelegte Schirmgeflecht mit dem Gehäuse und gewährleistet damit eine durchgängige Schirmung gegen äußere Einflüsse. Auf diese Weise erfüllt der Steckverbinder zudem die Dichtigkeit nach IP65/67.

Nachträglich upgraden

Im Gegensatz zu anderen für Ethernet verwendeten Steckverbindern wie beispielsweise dem »RJ45« ist der M12 konsequent für diesen Einsatz entwickelt worden. Ein RJ45, der ursprünglich aus dem Bereich der Telekommunikation stammt, hat im Gegensatz zum M12 ein relativ filigranes Gehäuse aus Blech und Kunststoff. Insgesamt bietet der M12 von Harting höhere Reserven in der Signalintegrität und ein wesentlich robusteres Gehäuse, dass besser gegen äußere Einflüsse wie Vibrationen, Staub und Flüssigkeiten schützt.

Der M12 in X-codierter Ausführung ist je nach Bedarf über Crimpanschlüsse oder eine Schneideinklemmtechnik (IDC) sicher an den Leiter anzuschließen. Als besonders flexibel, zeitsparend und prozesssicher gilt auch hier die neue »preLink«-Anschlusstechnik. Mit diesem System kann der Entwickler, innerhalb von Ethernet-Anwendungen, jederzeit und beliebig oft Kabel, Steckverbinder und damit auch die Datenrate wechseln. Ein typischer Anwendungsfall ist die Verkabelung von Maschinen oder Zügen. Hier wird in der Regel ein leistungsfähiges Kabel verbaut, das der aktuell notwendigen Datenrate gerecht wird, aber auch eine spätere Aufrüstung zulässt. Auch wenn momentan also nur Ethernet bis 100 Mbit/s notwendig ist, verlegen die Techniker bereits ein Cat.-6A-fähiges Kabel. Diese Verkabelung kann vorkonfektioniert mit bereits montierten preLink-Anschlusswürfeln erfolgen. Die preLink-Anschlüsse sind so klein, dass sich damit Kabel auch in engsten Platzverhältnissen und mit kleinsten Radien legen lassen. Soll nun beispielsweise von 100 Mbit/s auf Cat.6A aufgerüstet werden, können die Techniker sekundenschnell das alte Steckgesicht abnehmen und den neuen Steckverbinder für bis zu 10 Gbit/s einrasten – fertig. Damit schafft das System auch mit dem M12-Steckverbinder eine hohe Prozesssicherheit bei gleichzeitiger niedrigeren Kosten und Rüstzeiten.

In der industriellen Anwendung spielt der X-codierte M12 seine Stärken besonders im Bereich der Produktions-überwachung aus. Hier fallen gerade durch Kameras, die jedes produzierte Teil innerhalb von Sekundenbruchteilen erfassen und kontrollieren, hohe Datenmengen an. Diese Daten muss die Kamera, möglicherweise über die Kommunikation mit anderen Maschinen, auch an eine zentrale Überwachung weiterleiten. Dies geht nicht ohne Steckverbinder, die eine Ethernet-Verbindung nach Cat. 6A auch unter rauen, äußeren Bedingungen gewährleisten.

Über den Autor:

Dirk-Peter Post ist Director Interface Connectors bei Harting Electronics.