Erschienen am: 14.11.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN SPS-Special 2017

Normenkonformität erhöht Planungssicherheit

Große Leistung auf kleinem Raum

Signale, Daten und Leistung - das sind die wesentlichen elektrischen Übertragungsformen in einer Industrieanlage. Die kompakten und dennoch leistungsfähigen Steckverbinder der Baugröße M12 sind hier besonders geeignet. Seit den 1990er Jahren als Industriestandard für Signal- und Datenanwendungen weitgehend etabliert, werden sie auch zunehmend zur Leistungsübertragung genutzt.


Erfolgsmodell M12 – die Steckverbinder werden zur Signal- und Daten- und immer häufiger auch zur Leistungsübertragung eingesetzt.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Dank ihrer Zuverlässigkeit und ihrer internationalen Standardisierung sind die M12-Steckverbinder weltweit zum Synonym für die industrielle Feldverkabelung geworden. Eine wichtige Basis für die erfolgreiche Entwicklung und Verbreitung des M12-Standards am Markt war und ist die ständige Beurteilung durch die internationale Standardisierung. Am Anfang stand die Bauartnorm IEC61076-2-101 für Sensor- und Aktor-Steckverbinder. Die intensive Weiterentwicklung durch neue Polbilder und neue Bauformen führte dazu, dass auch die internationale Normung permanent erweitert wurde - und wird. Ursprünglich beinhaltete die IEC61076-2-101 sämtliche M8-, M12- und M12-Datentechnik-Steckverbinder. Aufgrund der immer umfangreicher werdenden Teile wurde diese Norm in eigenständige Einzelnormen unterteilt:

  • • IEC61076-2-101: M12-Steckverbinder
  • • IEC61076-2-104: M8-Steckverbinder
  • • IEC61076-2-105: M5-Steckverbinder
  • • IEC61076-2-109: M12-Steckverbinder für Datenübertragung

Für die Übertragung von Leistung wurde dann in 2011 die IEC61076-2-111 geschaffen.

Ein Markt im Umbruch

Die 2011 in den Markt eingeführten Leistungs-Steckverbinder, die häufig auch als 'M12 Power' bezeichnet werden, verdrängen sukzessive die gängigen Verkabelungslösungen zur Energieversorgung. Kamen zur Leistungsversorgung - zum Beispiel von aktiven I/O-Modulen - häufig 7/8"- oder A-kodierte M12-Steckverbindersysteme zum Einsatz, werden diese inzwischen durch leistungsfähigere Steckverbinder vom Typ M12 Power ersetzt. Bei der 7/8"-Version handelt es sich um einen weltweit verbreiteten Steckverbinder für Ströme bis 12A. Der nominelle Strom pro Pin beträgt maximal 9A. Allerdings weist der im mittleren Preissegment angesiedelte 7/8"-Stecker eine relativ große Bauform auf und bietet zudem auch keine geschirmten Varianten. Der A-kodierte M12-Steckverbinder benötigt durch eine kompakte Bauform wenig Platz am Gerät. Außerdem ist er kostengünstig, und er kann einfach im Feld konfektioniert und bequem an der Maschine installiert werden. Zudem bietet M12 eine große Programmvielfalt - mit geschirmten Varianten, T- und Y-Verteilern sowie Sensor-Aktor-Boxen. Dafür beträgt der maximale Querschnitt allerdings nur 0,75mm² - bei einer maximalen Strombelastbarkeit von 4A pro Pin.

Neue Kodierungen können mehr

Auf der Basis der Vorteile des 7/8"- und des M12-Steckverbinders mit A-Kodierung wurde im Jahre 2011 wie bereits erwähnt die IEC61076-2-111 abgeleitet - mit den M12-Power Kodierungen S und T. 2013 hat Phoenix Contact drei weitere M12-Power-Kodierungen entwickelt, um weitere Applikationsbereiche mit dem innovativen Leistungssteckverbinder bedienen zu können: Die Kodierungen K, L und M. Für die Leistungsversorgung elektronischer Geräte kommen heute die M12-Kodierungen T und L zum Einsatz. Die 4-polige Kodierung ermöglicht eine Stromzufuhr von 12A, die 5-polige von 16A. Die mögliche Versorgungsspannung dabei beträgt 63VDC. Eine Besonderheit stellt die L-Kodierung dar - dafür existieren 4- und 5-polige Varianten. Diese Varianten wurden von der Profibus & Profinet Nutzerorganisation in die Profinet Cabling and Interconnection Technology Guideline aufgenommen. Darin wird für Profinet-Geräte empfohlen, die 4-polige Variante ohne FE-Kontakt zu verwenden. Damit der Endanwender die 4- und 5-polige Variante nicht verwechselt, sind die Kontaktträger sowie die Leitungen farblich kodiert. Bei den 4-poligen L-kodierten M12-Varianten ist der Kontaktträger und das Kabel schwarz. Bei den 5-poligen Varianten mit FE-Kontakt sind Kontaktträger und Kabel grau. Für AC-Applikationen sind die M12-Power-Kodierungen S, K und M vorgesehen. Die S-Kodierung kann mit ihren 4 Kontakten (3 Leiter plus PE) bei 690V 12A übertragen und damit die übliche Energieversorgung eines Drehstrommotors übernehmen. Bei der K-Kodierung steht im Vergleich zur S-Kodierung ein zusätzlicher Kontakt zu Verfügung. Bei ebenfalls 690V kann 16A zum Endverbraucher übertragen werden. Mit 3 stromführenden Kontakten, einem Nullleiter und einem PE kann damit eine klassische Drehstromspannungsversorgung aufgebaut werden. Die M-Kodierung stellt mit ihren 6 Kontakten im Hinblick auf den vorhandenen Bauraum des M12-Steckgesichts das momentane Limit dar. Bei 690V und 8A kann ebenfalls ein Drehstrommotor betrieben werden. Die zwei zusätzlichen Kontakte, die gegenüber der S-Kodierung zu Verfügung stehen, können für den Anschluss einer Bremse oder eines Temperaturfühlers im Motor genutzt werden. Somit kann auf ein zusätzliches Kabel für den elektrischen Antrieb verzichtet werden. Installationszeit und damit Kosten werden auf diese Weise deutlich verringert.

Anforderungen an den Steckverbinder

Neben den Anforderungen nach erhöhten Strom- und Spannungswerten muss der Steckverbinder des Typs M12 Power weitere Spezifikationen erfüllen, um in den jeweiligen Applikationen sinnvoll eingesetzt zu werden. So ist zum Beispiel die Temperaturbeständigkeit der verwendeten Kunststoffe des Steckverbinders ein wichtiger Aspekt. Beim Einsatz zur Stromversorgung am Motor kann die Oberflächentemperatur des Gehäuses schnell die 100°C-Marke erreichen. Somit muss der Kunststoff des Kontaktträgers einer Dauertemperatur bis zu 130°C standhalten. Wichtig ist auch die IP-Schutzart: für den Schutz vor Spritzwasser oder kurzeitigem Untertauchen muss der M12-Power die Schutzart IP65/IP67 aufweisen. Eine ebenfalls nicht zu unterschätzende Anforderung ist die Zulassung nach UL - nur damit können Maschinenbauhersteller ihre Produkte auf den nordamerikanischen Kontinent exportieren. Unbedingt erforderlich ist daher die Zulassung nach der UL 2237 - diese Kategorie beschreibt die Anforderungen an die Kabelkonfektionen im Leistungsbereich. Im Gegensatz zur UL 2238, in der die Anforderungen an Signalkonfektionen beschrieben sind, weist die UL 2237 zusätzliche Prüfungen auf. So ist zum Beispiel der Grounding (Bonding) Path Current Test für die technische Auslegung des M12-Leistungssteckverbinders von großer Bedeutung. Je nach angeschlossenem Querschnitt der Leitung muss die PE-Kontaktierung einer kurzzeitigen - 4 Sekunden dauernden - Bestromung von bis zu 300A standhalten. Um diesen hohen Strom übertragen zu können, muss eine Querschnittsvergrößerung des PE-Kontaktes über das metallisch leitende Rändel des M12 erfolgen. Zum Schutz vor einem elektrischen Schlag ist ebenfalls eine Verbindung von Metallrändel zum PE-Kontakt erforderlich. Diese Verbindung vom metallisch leitenden M12-Rändel zum PE-Kontakt im Kontaktträger stellt Phoenix Contact über ein innovatives Zinn-Druckguss-Verfahren her. Die extrem zuverlässige Verbindung hält den harten Anforderungen der UL stand und ermöglicht zudem eine gute Anbindung von geschirmten Kabeln, die bei elektrischen Antrieben zum Schutz vor EMV-Einflüssen häufig zum Einsatz kommen.

Fazit

Das M12-Steckverbindersystem ermöglicht dem Anwender nicht nur einen standardisierten Signal- und Datenanschluss, sondern inzwischen auch eine Schnittstelle zur Energieübertragung. Die Baugröße M12 erlaubt ein besonders kompaktes Geräte-Design. Durch die Normung erhalten Anwender zudem die erforderliche Sicherheit in Bezug auf die Austauschbarkeit zwischen den Anbietern, und die Gerätehersteller haben eine sichere Grundlage für ihre Planungen - auch im Hinblick auf künftige Gerätegenerationen.