SmEC – Smart Electrical Connector

Wie Steckverbinder die Nachhaltigkeit fördern

Ein Steckverbinder macht heute viel mehr als nur zuverlässig Energie und Daten zu übertragen. Auf der SPS 2023 präsentiert Harting u.a. mit Smec und Smart IX Industrial intelligente Konzepte, durch die der Steckverbinder von der passiven Komponente zur ansprechbaren Einheit wird.

Moderne Steckverbinder stellen zwar immer noch eine Installationskomponente dar, generieren aber im Lebenszyklus zusätzlichen auf den Use-Case abgestimmten Nutzen. Eine wichtige Zusatzfunktionen ist beispielsweise die Signalisierung des Steckzustands. Da der Smart Electrical Connector (Smec) als Instanz in der Verwaltungsschale abgebildet ist, bietet er ein grundlegend erweitertes Funktions- und Kommunikationsspektrum. Neben dem Verriegelungszustand können über die Verwaltungsschale auch weitere Zustände transparent abgebildet werden, wie z.B. die Anzahl der Steckzyklen. Folgende Fragen beantwortet er dabei in der Regel: Ist der Steckverbinder auf den richtigen Gegenstecker gesteckt, vollständig elektrisch verbunden, vollständig mechanisch verriegelt, elektrisch überlastet und liegen die Umweltparameter (z.B. Temperatur, Feuchtigkeit) im zugelassenen Bereich?

Harting präsentiert auf der SPS einen Technologiedemonstrator: smarte Steckverbinder mit Statusanzeige und Identifikation. – Bild: Harting Stiftung & Co. KG (Holding)

Steckverbinder-Konzept für modulare Maschinen

Bild: Harting Stiftung & Co. KG (Holding)

Der Steckzustand wird anhand einer LED, eines Leuchtrings oder auch akustisch signalisiert. Im einfachsten Fall reicht dabei eine rot/grün Anzeige aus. Moderne Full-Color-LEDs mit zusätzlichen Blinkmustern oder Animationen zeigen weitere Zustände an, wie das Anliegen einer Spannung. Zudem übermittelt eine digitale Schnittstelle die Informationen detaillierter an einen Leitstand. Der Smec (Smart Electrical Connector) von Harting überträgt die Daten per MQTT oder OPC-UA PubSub. Die Daten liegen in einem JSON-Format vor und lassen sich von einer beliebigen Steuerung empfangen und weiterverarbeiten. Die Asset Administration Shell stellt u.a. auch die Live-Daten des Steckverbinders als digitalen Zwilling zur Verfügung. Neben der Signalisierung des Steckzustands verhindert der Smec mithilfe der integrierten Verriegelung aktiv das ungewollte Trennen. 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 er eine Spannungs- und Strommessung integriert, die auch die angeschlossene Maschine überwacht. So lässt sich anhand der Energieverbrauchsdaten der aktuelle CO2-Fußabdruck berechnen.

Daten-Diode zum Schutz vor Sabotage

Die Messung lässt sich auch problemlos an alten Maschinen nachrüsten. Eine Daten-Diode schützt die Messeinrichtung (z.B. den Smec) vor Sabotage, da sie die Signale in nur eine Richtung zulässt. Damit können die Daten aus einem geschützten in ein ungeschütztes Netzwerk, z.B. an ein Dashboard gesendet werden. Das geschützte Netzwerk ist dabei sicher vor Angriffen. Zu diesem Zweck hat Harting eine Daten-Diode für Steckverbinder entwickelt. Mit einer Datenrate von bis zu 1Gbit/s werden die üblichen IoT-Protokolle wie OPC-UA, MQTT 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.

Bild: Harting Stiftung & Co. KG (Holding)

Kleine Stecker mit Identifikations-Funktion

Um zu ermitteln, ob ein Steckverbinder am richtigen Gegenstecker gesteckt ist, muss eine Identifikation 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. Damit bekommt jeder Stecker eine eindeutige ID, die einem entsprechenden Bauteil (z.B. Anbaugerät oder Werkzeug) zugeordnet ist. Dass diese Methode auch bei sehr kleinen Steckverbindern funktioniert, ist am Smart ix von Harting zu sehen. In den zehnpoligen Steckverbinder ist ein Mikrocontroller integriert, der eine genaue Identifizierung ermöglicht. Die ID wird in der Geräte-/Maschinensteuerung dazu verwendet, einen Link zu der angeschlossenen Komponente herzustellen. So lassen sich auch einfache Komponenten wie Lampen, Türkontakte oder analoge Sensoren identifizieren. Die Steuerung signalisiert dem Anwender, ob die Komponenten am richtigen Port eingesteckt sind.

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