19.11.2013

Nur die Harten kommen in den Garten

Extremer Einsatz für Sensor-/Aktor-Verkabelung

Es gibt Industriezweige, in denen die Sicherheit der produzierten Güter an oberster Stelle steht. Zu diesen zählen etwa die Offshore-Windanlagen oder auch der Schiffbau. Auch im erschwerten Außeneinsatz muss jedes Bauteil einwandfrei und verlässlich funktionieren. Das gilt auch für die elektrische Verbindungstechnik - mit ihrer Sensor-/Aktor-Verkabelung (Bild 1).

Autor: Tobias Dietel, Phoenix Contact Deutschland GmbH.


Bild 1: Einsatz unter extremen Bedingungen: Das Outdoor-Steckverbinder-Programm von Phoenix Contact
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

In der Offshore- und Schiffbau-Industrie gewinnen hochwertige Mess-, Regel- und Steuersysteme immer mehr an Bedeutung. Die dazu passenden Steckverbinder im M12-Format müssen den dort gestellten Anforderungen gewachsen sein - Hitze, Staub und vor allem der Belastung durch Salzwasser. Eine zusätzliche Schwierigkeit für die Lieferanten solcher Komponenten besteht in der Zulassung nach der jeweils gültigen Norm. Gerade im Schiffbau gibt es viele unterschiedliche Klassifikationsgesellschaften, deren Normen und Standards zu beachten sind.

Umweltbedingte und normative Anforderungen

Extreme Einsatzgebiete wie Windkraftanlagen oder Oberdecks von Schiffen stellen an Steckverbinder hohe Anforderungen. Sie müssen exakt und detailliert definiert werden, denn es gibt weder eine Norm noch marktübliche Testvorgaben, nach denen sich ein Steckverbinder für das genannte Einsatzgebiet konzipieren ließe. Die umweltbedingten Anforderungen an einen Steckverbinder in diesem Bereich sind UV-Strahlung, Ozonbelastung, trockene und feuchte Wärme, Regen und Schnee sowie Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt als auch große Hitze. Eine besonders hohe Belastung für das verwendete Material stellen die extreme Einwirkung von Salzwasser sowie der Wechsel von hohen und tiefen Temperaturbereichen dar. Auch die mechanische Beanspruchung sowie die Forderung des Endanwenders nach leichter und flexibler Montage spielen in diesem Kontext eine Rolle.

Universalgenie M12

Aus der Automatisierungstechnik ist der M12-Steckverbinder schon lange nicht mehr weg zu denken. Auch in den oben erwähnten Applikationen nehmen Nachfrage und Einsatz stetig zu. Doch einen Nachweis für die Tauglichkeit in diesem extremen Einsatzgebiet haben die einschlägigen Anbieter für Sensor-/Aktor-Verkabelung bis heute nicht erbracht. Phoenix Contact hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, ein detailliertes Anforderungsprofil und ein umfassendes Prüfprogramm zu erstellen - unter Beachtung der M12-Norm IEC61076-2-101 und der spezifischen und mechanischen Beanspruchungen dieser Außenbereiche (Bild 2/Bild 3). Ein weiterer wichtiger Aspekt war die Normativität der Komponenten zu den Anforderungen des Germanischen Lloyd (GL) - ein Standard, der für den Einsatz auf Schiffen und Offshore-Windkraftanlagen unverzichtbar ist. Für die realitätsnahe Simulation des Außeneinsatzes wurde für jeden Umwelteinfluss ein genormtes Prüfverfahren gesucht - Verfahren, die etwa aus der Solar- oder Bahntechnik stammen. Gab es kein genormtes Verfahren, wurde in Zusammenarbeit von Entwicklung und Labor eine aussagekräftige Prüfung formuliert.

Auf das Material kommt es an

Bei den handelsüblichen M12-Standard-Steckverbindern werden Materialien wie TPU (Thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis) für das Umspritzmaterial, PUR (Polyurethane) für die Leitung, NBR-Dichtungen (Nitrile Butadiene Rubber, Nitrilkautschuk) sowie vernickelte Oberflächen für die Metallteile verwendet. Nach der Prüfung mit den verschärften Spezifikationen war schnell klar, dass diese Standard-Materialien nicht für den extremen Außeneinsatz geeignet sind. Die verwendeten Kunststoffe wurden nach den extremen Umwelt- und Alterungsprüfungen spröde, und der Steckverbinder verlor seine isolierende und dichtende Eigenschaft. Die vernickelten Metalloberflächen zeigten im Test eine starke Korrosionsbildung. Auch der Abgleich zu den normativen Anforderungen des GL - in Bezug auf die Schwerentflammbarkeit nach IEC60332-1-2 sowie auf die Brandbündeltests IEC60332-322 - war mit den verwendeten Standard-Leitungen nicht möglich. Aus den Ergebnissen war ersichtlich, dass eine andere Materialauswahl und -kombination gefunden werden musste. Bei der neuen Outdoor-Steckverbinder-Serie von Phoenix Contact kommen daher Gehäusematerialien wie PP (Polypropylen), PA (Polyamid) und PBT (Polybutylenterephthalat) zum Einsatz. Um die unerlässlichen Schutzarten IP68 und IP69K auch bei den schlechtesten Witterungsbedingungen zu ermöglichen, wurde ein neues Dichtungskonzept entwickelt. Eine besondere Bedeutung haben auch die verwendeten Metallteile. Hier wurden für die Verschraubungs- und Schirmkomponenten hochwertige korrosionsbeständige Edelstahl-Legierungen wie V4A ausgewählt. Damit ist über einen langen Zeitraum ein optimaler Korrosionsschutz sichergestellt - gerade bei rauem Seeklima.

Empfehlungen der Redaktion

Umfassendes Produktprogramm

Das Outdoor-Steckverbinder-Programm von Phoenix Contact (Bild 4) umfasst folgende Komponenten:

  • • Verteilerboxen
  • • konfektionierbare Steckverbinder
  • • vorkonfektionierte Leitungen für Ventilstecker in der Bauform A
  • • M12-Leitungen
  • • Polzahlen vier bis acht
  • • unterschiedliche Längen
  • • Signal- und Datenübertragung
  • • Ethernet und CAN-Bus

Die vorkonfektionierten M12-Leitungen sind geschirmt und ungeschirmt verfügbar, dabei sind auch die Schirmelemente in Edelstahl ausgeführt. Die Anbindung des Schirmes erfolgt durch eine Vercrimpung auf eine separate Schirmhülse. Auf diese Weise ist eine sichere und unterbrechungsfreie Schirmung auch bei hohen Schock und Vibrationen gegeben. Für das gesamte Outdoor-Produktprogramm wurde Phoenix Contact eine Zulassung vom Germanischen Lloyd erteilt.

Fazit

Auf hoher See muss auf jedes Bauteil absolut Verlass sein - alle Normen und Standards von Klassifikations-Gesellschaften müssen eingehalten werden. Aufgrund der Robustheit und der qualitativ hochwertigen Materialien ist das Outdoor-Steckverbinder-Programm von Phoenix Contact für den Einsatz auf Schiffen und Offshore-Windkraftanlagen eine gute Lösung im Hinblick auf Funktionalität und Langlebigkeit.

Test-Parcour für Outdoor-Steckverbinder

Die Testreihen für das neue Outdoor-Programm setzen sich aus elektrischen, mechanischen und klimatischen Prüfungen zusammen. Breitbandrauschen, Vibrations- und Schocktest sowie mechanische Festigkeit bei zweistelligen Minus-Temperaturen stehen für die besonderen mechanischen Belastungen, denen die Komponenten im Außeneinsatz ausgesetzt sind. Besonders geprüft wird die klimatische Belastbarkeit - mittels folgender Testverfahren:

• Witterungstest (UV)

• IP67, IP68, IP69K

• Kesternich-Test

• Salznebel-Sprüh-Test

• Schnelle Temperaturwechsel

• Konstante feuchte Wärme

• Trockene Hitze

• Korrosive Gase

• Ozon-Beständigkeit

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