Wir sind Helden: Einzug der IX Industrial
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Die Welt der industriellen Produktion steht vor großen Umbrüchen. Neue Probleme, Risiken aber auch Herausforderungen und große Chancen gilt es zu bewältigen und zu nutzen. In unsicheren Zeiten braucht es Orientierungspunkte und Vorbilder – manchmal auch kleine Helden. Hartings „Captain IX“ ist Vorreiter und Symbolfigur für eine neue Generation an Ethernetschnittstellen und für eine Kooperation, die den neuen IX-Industrial Steckverbinder weltweit als neuen Standard etablieren kann.
Inhalt
- Neue Generation an Ethernet-Schnittstellen
- Die Ethernet-Schnittstelle bisher
- Die Ethernet-Schnittstelle der Zukunft
Neue Generation an Ethernet-Schnittstellen
Die Entwicklung von Industrie 4.0 und Industrial Internet of thinks (IIoT) sorgt für eine stetige Ausbreitung und Anbindung von immer mehr Komponenten und Teilnehmern im industriellen Umfeld an Ethernetnetzwerke. Ethernet erobert so immer mehr Bereiche unseres Lebens und wird in Zukunft bis in die letzten Strukturen eines Unternehmens vordringen. Der Weg führt weg von co-existenten Ethernet- und Bussystemen für Daten und Sensorik, hin zu einem durchgängigen Ethernet-System von der Cloud bis in die letzten Winkel der industriellen Produktion.
Dazu gehört neben einheitlichen Protokollen auch die entsprechende Infrastruktur, die aufgrund immer kleiner werdender Endgeräte und Sensor-/Aktorsystemen mit schrumpfen muss. Die Anforderungen an die Nervenbahnen und Synapsen der Industrie von morgen sind klar. Die Geräteschnittstellen und Systemkabel müssen kleiner, leistungsfähiger und gleichzeitig robuster werden. Genug Herausforderungen, aber auch Chancen warten auf Anwender und Hersteller. Der neue Harting IX Industrial-Steckverbinder ist ein klares Bekenntnis zur Miniaturisierung und setzt einen neuen Standard in Sachen Robustheit und Performance für IP20 Ethernet-Verbindungen.
Die Ethernet-Schnittstelle bisher
Bisheriger Inbegriff der Ethernet-Schnittstelle in IP20 Umgebung ist der RJ45 Steckverbinder. Dieser sicher weltweit meist verwendete Steckverbinder ist überall präsent und wird von den Anwendern deshalb so geliebt. In Anbetracht der mangelhaften Robustheit durch gebrochene Verrastungshebel oder gelegentliche Kontaktprobleme verbindet viele Anwender allerdings eher eine Hassliebe mit dem RJ45.
Mit Blick auf immer kleiner werdende Geräte wie flache Mobilgeräte, Displays, kleinere Automatisierungsgeräte, Kameras und Sensoren, beschränkt die Baugröße der RJ45 Buchsen die mögliche Miniaturisierung. Somit steht eine kleinere und robustere Steckverbindung auf der Wunschliste vieler Anwender und Entwickler, die gleichzeitig eine Cat 6A Performance für 1/10 Gbit/s Ethernet in der Steuerungsebene stemmt.
Die Ethernet-Schnittstelle der Zukunft
Der neue Harting IX Industrial Ethernet passt durchgängig auf all diese Anforderungen. Die im Vergleich zum RJ45 um 70 % verringerte Baugröße der Buchsen erlaubt Geräteherstellern einen Einsatz in wesentlich kleineren Geräten, die so leichter der Miniaturisierung gerecht werden. Das können immer weiter schrumpfende Kamerasysteme sein, an denen herkömmliche RJ45 Buchsen schon den meisten Platz im Gehäuse einnimmt oder auch Steuereinheiten und kleine Industriecomputer. Hier wird ebenfalls schnelles Ethernet über eine kleine Schnittstelle benötigt, so auch in Switchen, WLAN Access Points, Routern und anderen Netzwerkkomponenten.
Aber auch abseits der Industrie kann der kleine IX Industrial Ethernet Superheld seine Stärken ausspielen. In Bahnfahrzeugen und Bussen im öffentlichen Personenverkehr können Displays und Passagierinformationssysteme über die IX Schnittstelle gleichzeitig mit Daten und via PoE/PoE+ auch mit Power versorgt werden. Vibrationen oder andere mechanische Beanspruchungen stellen dabei kein Problem dar. Für die Geräteintegration steht eine kleine aber dennoch robuste Buchse mit fünf THR Schirmkontakten für höchste Stabilität auf der Leiterplatte bereit. Die Datenkontakte sind als SMD-Kontakte ausgeführt. Damit können die Leiterplattenbuchsen im normalen Reflow-Lötprozess mit allen anderen üblichen Bauteilen verarbeitet werden und es ist kein separater Hand- oder Wellenlötschritt notwendig.
Einfache Integration und feste Verankerung
Somit kann der Entwickler und Gerätehersteller das neue IX Industrial System einfach in neue Geräte integrieren und hat außerdem die Sicherheit, dass dieses Interface sehr fest auf der Leiterplatte verankert ist und auch rauer Handhabung sicher standhält. Insgesamt lassen sich die Endgeräte durch den verringerten Bauraum der Buchse leichter verkleinern, da miniaturisierte Buchsen und Stecker eine wesentlich höhere Packungsdichte ermöglichen. In der dargestellten aufrechten und gewinkelten Buchse liegt das Rastermaß zwischen den Buchsen bei gerade einmal 10 mm.
In absehbarer Zeit wird es die Buchse auch in einer flachen gewinkelten Bauform für sehr flache Geräte geben. Selbst Wanddurchführungen, die das Anwendungsspektrum vervollständigen, werden perspektivisch ins IX Portfolio aufgenommen und das neue IX Ecosystem vervollständigen. So halten die kleinen Helden alles bereit, was ihren Vorgängern fehlt.
Da Komponenten und Gehäuse der Systeme stetig schrumpfen, ist auch der Platz für die Verkabelung begrenzt. Für die Geräteverkabelung bietet der Hersteller dem Anwender flexible und dünne Systemkabel mit kleinem Biegeradius, die auch den Einbau in miniaturisierte Gehäuse ermöglichen. Sie sind beidseitig mit dem IX-Steckgesicht oder gemischt mit IX- und RJ45-Steckverbinder ausgeführt. Die dritte Variante ist auf einer Seite mit einem X-kodierten M12 versehen.
Im ersten Schritt gibt es den IX Industrial Steckverbinder in gerader Ausführung. Gewinkelte Steckverbinder Varianten werden zukünftig folgen, um mit einem gewinkelten Kabelabgang auch weiter platzkritische Applikationen zu realisieren. Insbesondere mit den gemischten Systemkabeln von IX- auf RJ45-Steckgesicht ist eine schrittweise Integration von Geräten mit dem neuen Steckgesicht in bestehende Verkabelungen einfach möglich. Das perfekt aufeinander abgestimmte System aus Buchse und Steckverbinder sowie fertigen Systemkabeln garantiert eine prozesssichere Lösung aus einer Hand.
Robuster als die größeren Vorgänger
Eine kleinere Ausführung wird in der Regel mit filigraner, feiner aber auch empfindlicher gleichgesetzt. Da aber genau diese im industriellen Umfeld negativen Eigenschaften beim RJ45 häufiger zu Problemen geführt haben, ist der IX Industrial deutlich robuster konstruiert.
Die neuen Steckverbinder verfügen über eine stabile Verrastung über zwei Metallhaken, die beim Stecken mit einem deutlich hörbaren Klick einrasten und so dem Anwender eine akustische und haptische Rückmeldung über die korrekte Verriegelung vermitteln. Sie garantieren damit eine absolut sichere und vibrationsfeste Verbindung vom Kabel bis auf die Leiterplatte.
Damit eignen sie sich für industrielle Anwendungen ebenso wie für Anwendungen in der Bahn, in der Robotik, in der Automatisierung und überall sonst, wo hohe mechanische Belastungen auftreten. Um auch die auf das Kabel wirkenden Kräfte abzufangen, besitzt der IX Industrial eine robuste Zugentlastung, die das Kabel fest über einen robusten Schirmcrimp mit der Steckverbinderschirmung verbindet. Damit ist ausgehend von den 5 THR Schirmkontakten, über die 2 Rasthaken in der Steckstelle bis zum Kabel eine absolut robuste Verbindung realisiert.
Für mindestens 5000 Steckzyklen
Bedingt durch immer mehr modulares Denken und Planen sind auch höhere Steckzyklen ein Thema, dem sich Hersteller widmen müssen. Module wie Fertigungseinheiten, Werkzeuge und andere Systembauteile werden nicht mehr nur starr verkabelt, sondern auch neu angeordnet und häufiger neu verbunden. Innerhalb eines Steckerlebens können so einige hundert bis tausend Steckzyklen zustande kommen. Um den Anwendern auch hier absolute Sicherheit zu bieten, ist der IX Industrial für mindestens 5000 Steckzyklen ausgelegt und geprüft.
Auch nach dieser hohen Zahl an Steckvorgängen liegen alle relevanten Parameter wie Übergangs- und Isolationswiderstand, Spannungsfestigkeit sowie die Steck- und Ziehkräfte innerhalb der zulässigen Grenzwerte. Alle Steckverbinder werden im hauseigenen, hochmodernen Testlabor diversen Tests unterzogen und mit modernster Ausrüstung untersucht. Dies betrifft alle Umweltsimulationen sowie eine Vielzahl mechanischer Prüfungen und diverse weitere Prüfverfahren. Selbst die sehr anspruchsvollen Schock- und Vibrationsprüfungen nach der Bahnnorm EN 50155 hält der kleine Steckverbinder mühelos stand. Er ist nicht nur robust sondern zudem schnell.
Mehr Performance – auch bezüglich EMV
Auch Übertragungsbandbreiten spielen eine Rolle in der Zeit von immer mehr Datenlieferanten – auch unter schwierigen Einsatzbedingungen in denen EMV ein Thema ist. Eine hochfrequente Übertragung ist stets dem Problem von Störeinflüssen ausgesetzt.
Hierfür wurde eine durchgehende 360° Schirmung realisiert. Vom Kabel bis zur Verbindungsstelle gibt es keine ungeschützten Adern mehr, die ein fehlerfreies hochfrequentes Signal beeinflussen können. Der Kabelschirm wird mit dem gecrimpten Ring direkt am Steckverbindergehäuse verpresst und bietet damit Zugentlastung und durchgehende Schirmübergabe.
Übersprechen zwischen Daatenpaaren minimiert
Eine besondere Herausforderung ist es in dieser kleinen Bauform mit sehr nah beieinanderliegenden Kontakten das Übersprechen zwischen den einzelnen Datenpaaren wirksam zu minimieren. Dazu ist zwischen den beiden Kontaktreihen in der Buchse ein Schirmblech versteckt, das das Übersprechen zwischen den beiden gegenüberliegenden Kontaktreihen wirksam verhindert.
Der IX Industrial Ethernet verfügt über 10 Kontakte. In jeder Kontaktreihe dient hier der mittige Kontakt als Abschirmung zwischen den beiden Adernpaaren. Dazu wird dieser Mittelkontakt auf der Leiterplatte mit dem Massepotential verbunden. Durch das Schirmblech und die geerdeten Kontakte ergibt sich in der Anordnung der signalführenden Kontakte eine ähnliche Anordnung wie bei einem x-kodierten M12 Rundsteckverbinder. Jedes Adernpaar liegt gut gegen seine Nachbarn abgeschirmt in einem eigenen Kabel- bzw. Steckverbinderquadranten. Diese Maßnahme schützt wirksam gegen Übersprechen und es wird eine perfekte Datenübertragung realisiert.
Als Antwort auf die anspruchsvolle und zunehmende Nachfrage nach globaler Digitalisierungstechnologie ist die Harting Technologiegruppe aus Espelkamp eine Kooperation mit dem japanischen Unternehmen Hirose Electric C. Ltd., Tokio eingegangen.
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Die Autoren sind Matthias Fritsche, Product Manager und Jonas Diekmann, Technical Editor, beide Harting Electronics.