Nachhaltigkeit ist heute eines der wichtigsten Themen in der industriellen Fertigung. Das betrifft nicht nur die verwendeten Prozesse, sondern auch die Produktmaterialien. Dazu zählt auch die elektrische Verbindungstechnik. Funktioniert sie fehlerfrei, hilft sie mit wichtigen Ressourcen wie Energie und Zeit schonend umzugehen.
Smarte Steckverbinder (SmEC): Der Steckzustand wird dem Mitarbeitenden zum Beispiel anhand eines Leuchtrings signalisiert, sodass direkt erkennbar ist, ob ein Fehler vorhanden ist
Steckverbinder spielen eine wichtige Rolle bei der Gestaltung von nachhaltigen Prozessen. Dabei ist nicht nur die Funktion des schnellen Verbindens oder Trennens einer Maschine oder eines Anbaugerätes interessant. Moderne Steckverbinder unterstützen den Mitarbeitenden in der Fertigung dabei, eine sichere und fehlerfreie Verbindung herzustellen. Das ist insbesondere bei modernen modularen Anlagen von Bedeutung, bei denen eine Rekonfiguration häufig vorgenommen wird. Eine fehlerfreie Verbindung trägt dazu bei, mit wichtigen Ressourcen wie Energie und Zeit schonend umzugehen.
Durchgängiges Konzept für modulare Maschinen und Anlagen
Eine der wichtigsten Zusatzfunktionen eines Steckverbinders ist die Signalisierung des Steckzustands. Der Steckzustand enthält, abhängig von der Anwendung und dem Steckverbinder, verschiedene Parameter. Dabei beantwortet der Steckzustand unter anderem folgende Fragen: Ist der Steckverbinder auf den richtigen Gegenstecker gesteckt? Ist er vollständig elektrisch verbunden? Ist der Steckverbinder vollständig mechanisch verriegelt? Ist er elektrisch überlastet und liegen die Umweltparameter wie Temperatur, Feuchtigkeit, etc. im zugelassenen Bereich?
Der Steckzustand wird dem Mitarbeitenden anhand einer LED, eines Leuchtrings oder auch akustisch signalisiert. Im einfachsten Fall reicht dabei eine rot/grün Anzeige aus, damit der Maschinenbediener erkennt, ob ein Fehler vorhanden ist. Moderne FullColor-LEDs mit zusätzlichen Blinkmustern oder Animationen zeigen weitere Zustände an, wie das Anliegen einer Spannung. Neben der optischen oder akustischen Signalisierung übermittelt eine digitale Schnittstelle die Informationen auch deutlich detaillierter an einen Leitstand. Der SmEC (Smart Electrical Connector) überträgt die Daten per MQTT oder OPC-UA PubSub. Die Daten liegen in einem JSON-Format vor und können von einer beliebigen Steuerung empfangen und weiterverarbeitet werden. Die Asset Administration Shell stellt unter anderem auch die Live-Daten des Steckverbinders als digitalen Zwilling zur Verfügung.
Daten inklusive CO2-Fußabdruck
Neben der Signalisierung des Steckzustands verhindert der SmEC mithilfe der integrierten Verriegelung aktiv das ungewollte Trennen des Steckverbinders. Dies stellt sicher, dass die Komponenten nicht beschädigt werden und für Menschen keine Gefahr entsteht. Der Steckverbinder lässt sich erst trennen, nachdem er spannungsfrei ist und die aktive Verriegelung gelöst wurde. Dazu hat der SmEC eine Spannungs- und Strommessung integriert, die auch die angeschlossene Maschine überwacht. So lässt sich anhand der Energieverbrauchsdaten der aktuelle CO2-Fußabdruck berechnen.
Daten-Diode schützt vor Sabotage
Eine Daten-Diode schützt die Messeinrichtung (zum Beispiel den SmEC) vor Sabotage, da sie die Datensignale in nur eine Richtung zulässt. Damit können die Daten aus einem geschützten Netzwerk in ein ungeschütztes Netzwerk gesendet werden. Das geschützte Netzwerk ist dabei sicher vor Angriffen. Zu diesem Zweck hat
Harting eine Daten-Diode für einen Steckverbinder entwickelt. Mit einer Datenrate von bis zu 1 Gbit/s werden die üblichen IoT-Protokolle wie OPC-UA oder Modbus-TCP übertragen. Die Integration einer echten Hardware-Datendiode, welche aus der Laser-Diode auf der Senderseite und einer Photo-Diode auf der Empfängerseite besteht, macht ein Rückfließen der Daten unmöglich.
Smarte Steckverbinder mit Identifikations-Funktion
Um zu ermitteln, ob ein Steckverbinder am richtigen Gegenstecker gesteckt ist, muss eine Identifikation des Steckverbinders möglich sein. Dies wird im einfachsten Fall mit zusätzlichen elektrischen Kontakten als Kodierungspins gelöst. Anders als bei der mechanischen Kodierung, stellt die Maschinensteuerung so fest, welches Anbaugerät nun eingesteckt ist. Insbesondere bei großen flexiblen Anlagen stößt dieses Verfahren aber bald an seine Grenzen. Außerdem werden unnötig viele Kontakte für eine elektrische Kodierung mit Kodierungspins verbraucht. Eine geeignetere Variante ist die Identifizierung des Steckverbinders mithilfe eines Bussystems und eines kleinen Mikrocontrollers oder alternativ auch per NFC (Near Field Communication). Damit bekommt jeder Steckverbinder eine eindeutige ID, die einem entsprechenden Bauteil (zum Beispiel Anbaugerät) zugeordnet ist.
Der Smart ix ist ein kleiner 10 poliger Steckverbinder, in den ein Mikrocontroller integriert ist, der zuverlässig identifiziert, ob ein Steckverbinder korrekt gesteckt ist
Dass diese Methode auch bei sehr kleinen Steckverbindern funktioniert, ist am Smart ix zu sehen. Der Smart ix ist ein kleiner 10 poliger Steckverbinder, in den ein Mikrocontroller integriert ist. Mithilfe des Mikrocontrollers ist eine genaue Identifizierung möglich. Die ID wird in der Geräte-/Maschinensteuerung dazu verwendet, einen Link zu der angeschlossenen Komponente herzustellen. So können auch einfache Komponente wie Lampen, Türkontakte oder analoge Sensoren identifiziert werden. Die Steuerung signalisiert dem Anwender, ob die Komponenten am richtigen Port eingesteckt sind.
Konzept für vereinfachte Instandsetzungsprozesse
In der Fertigung kommt es häufig zu ungewollten Stillstandzeiten, weil das nötige Fachpersonal gerade nicht vor Ort ist. Beispielsweise kann eine defekte Sicherung nur von einer entsprechend ausgebildeten Person gewechselt werden. Da sich die Sicherung im Schaltschrank befindet, haben andere Personen keinen Zugang. Eine Möglichkeit, die Sicherung von außen zugänglich zu machen, ist die Integration in einen Steckverbinder, zum Beispiel beim Han Protect. Da der Steckverbinder zum Wechseln der Sicherung getrennt werden muss, ist die Arbeit auch für einfach unterwiesene Personen möglich, insbesondere wenn es sich um Kleinspannung handelt. Das beschleunigt die Instandsetzungsprozesse, verringert die Stillstandzeiten und wirkt sich nachhaltig auf die Ressourcen aus. Harting bietet damit einige Lösungen im Bereich der Steckverbinder an, die die Nachhaltigkeit in der industriellen Fertigung verbessern. Die hier vorgestellten Konzepte zu smarten Steckverbindern werden in einem Technologiedemonstrator auf der SPS 2023 in Nürnberg zu sehen sein.
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Textquelle: Harting
