Konnektivität in Zeiten von Industrie 4.0

Der Grad der Automatisierung und damit die Verbreitung industrieller Steuerungen nimmt in allen Regionen der Welt zu, weil Unternehmen – in dem Bestreben, gleichzeitig die Betriebskosten zu senken und die Produktivität zu steigern – manche Aufgaben auf Maschinen übertragen wollen, die in der Vergangenheit von ihren Mitarbeitern durchgeführt wurden. Dies hat zu komplexeren Konfigurationen als bisher geführt. Schließlich sind hier große Mengen von Daten mit niedriger Latenz, die von Sensor- und Überwachungsgeräten erfasst wurden, überall im Gesamtsystem verteilt. Zwangsläufig stellt die Fabrikhalle eine anspruchsvolle Umgebung für jede Form von elektronischen Komponenten dar, die in die dafür verwendeten Geräte integriert sind. Im Folgenden sollen speziell die Auswirkungen dieser Entwicklung auf Steckverbinder im Fokus stehen.

Achillesverse Konnektivität

Die Konnektivität in industriellen Anwendungen ist ein kritisches Element, weshalb Komponenten, die diese Funktionalität aufweisen, widerstandsfähig genug sein müssen, um entsprechend zu operieren. In diesem Zusammenhang trifft das potenziell auf eine ständige Belastung durch erhöhte Temperaturen, starke Stöße oder starke Schwingungskräfte zu. Sollte eine dieser Maßnahmen zu einem Ausfall der Konnektivität führen, sodass in der Folge entweder die Stromversorgung oder die Daten nicht wie erwartet durch das System transportiert würden, könnte das starke finanzielle Auswirkungen zeitigen. Fertigungslinien kommen womöglich über einen längeren Zeitraum zum Stillstand, bis der Fehler identifiziert, das verantwortliche Bauteil lokalisiert und anschließend ausgetauscht wird. Das fehlerhafte Bauteil ist womöglich noch an einer schwer zugänglichen Stelle platziert, was den Sachverhalt zusätzlich erschwert.

Ausfallzeiten im Zusammenhang mit den anschließenden Reparaturarbeiten können erheblichen Einfluss auf die Produktionsleistung haben. In industriellen Verarbeitungsbetrieben könnten Auswirkungen gravierender sein. Hier gefährdet ein Ausfall von Bauelementen womöglich gar Leben. Dabei gilt es die zahlreichen verschiedenen Faktoren zu berücksichtigen, die sich auf die Funktionsfähigkeit eines Steckverbinders auswirken können.

Ein weiteres Problem, das es zu beachten gilt, besteht darin, dass in der industriellen Infrastruktur oft beengte Verhältnisse herrschen – oft bleibt nur wenig Platz für die Installation elektronischer Leiterplatten und Schaltungen. Die Migration zu Industrie 4.0 oder zum Industriellen IoT (IIoT) bedeutet, dass höhere Funktionalitätsebenen in Automatisierungssysteme integriert werden müssen, um Zugang zu wertvollen Informationen zu erhalten, die zur Effizienzsteigerung beitragen. Im Rahmen dessen werden die Ingenieure noch stärker unter Druck gesetzt – nicht nur in Bezug auf den Platz auf der Leiterplatte, sondern auch hinsichtlich der Überlegung, wie eng sich diese PCBs stapeln lassen.

Beengte Verhältnisse

Angesichts immer weiter entwickelter Systeme, die in zunehmend beengten Verhältnissen einzusetzen sind, gilt es auf immer dichtere Anordnungen zurückzugreifen. Die Komponenten müssen nicht nur in den engen Raum passen, sie dürfen auch kein Hindernis darstellen, das sich auf das Wärmemanagement des Systems auswirkt. Das ist etwa der Fall, wenn der Luftstrom über die Leiterplatten, auf denen sich die Komponenten befinden, behindert wird. Zwar galten Steckverbinder mit einem Raster von 2 mm vor einigen Jahren noch als durchaus akzeptabel, jedoch werden mittlerweile Modelle mit niedrigerer Bauhöhe und wesentlich geringeren Rastermaßen vorgeschrieben. Um die mechanische Robustheit zu maximieren, empfiehlt sich in der Regel eine langlebige Kunststoffkonstruktion und es ist fast selbstverständlich, dass auch ein großer Betriebstemperaturbereich als zwingend erforderlich erachtet wird.

In derart platzbeschränkten Umgebungen lässt sich oft ein blindes Stecken nicht vermeiden, sodass auch die Verbindungstechnik dieses Feature berücksichtigen muss, weil es von hoher Bedeutung ist, dass keinerlei Fehlsteckungen sowie die damit verbundenen Schäden auftreten.

Der Steckverbinder sollte zudem über die Isolationsfähigkeiten verfügen, um den industriellen Spannungsanforderungen und der gelegentlich außergewöhnlichen Belastung durch Spannungsspitzen gerecht zu werden. Obwohl sich einige Modelle an schwer zugänglichen Stellen befinden, können andere offen zugänglich sein – wenn dies mit der Notwendigkeit kombiniert wird, Systeme regelmäßig zu testen oder neu zu konfigurieren, wird die Unterstützung mehrerer Steckzyklen wichtig und muss berücksichtigt werden.

Ohne Kompromisse geht es nicht?

Die Suche nach einer Lösung, die sowohl die Anforderungen an die Robustheit als auch die Kompaktheit solcher Anwendungen erfüllt, kann schwierig sein und erfordert in den meisten Fällen Kompromisse. Die Ingenieure sehen sich mit der Notwendigkeit konfrontiert, sich auf Steckverbinder mit miniaturisierten Formfaktoren zu verlassen, die mehr Kontakte aufnehmen können, die dennoch die Umgebungsbedingungen bewältigen, welche die Lebensdauer dieser Komponenten verkürzen könnten. In der fundamentalen Produktionspraxis müssen sie zudem automatisierte Montageabläufe unterstützen.

Ingenieure müssen vor diesem Hintergrund einige mögliche Optionen in Erwägung ziehen. Erstens könnten sie sich darauf einigen, ein Standardprodukt ab Lager zu spezifizieren. Zugegebenermaßen wird dies dazu beitragen, die damit verbundenen Investitionen auf ein Minimum zu reduzieren. Darüber hinaus wäre ein solcher Ansatz relativ schnell und einfach umzusetzen. Dies bedeutet jedoch andererseits, dass sie am Ende ein großes Ausfallrisiko eingehen könnten, da keine Gewissheit besteht, dass der gewählte Steckverbinder langfristig tatsächlich in der Lage sein wird, die betrieblichen Anforderungen zu erfüllen.

Eine zweite Alternative ist die Implementierung eines hochzuverlässigen (Hi-Rel-)Steckverbinders wie er in Militär- oder in Luft- und Raumfahrtanwendungen zur Anwendung kommt. Dies führt jedoch nachvollziehbarerweise zu höheren Stückkosten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den benutzerspezifischen Weg zu gehen. Das Ergebnis wäre eine Steckverbinderlösung, die für das jeweilige System bestens geeignet ist, aber wiederum mit einem hohen finanziellen sowie einem erheblichen Zeit- und Engineering-Aufwand verbunden ist. Es sei auch darauf hingewiesen, dass, wenn sich die Systemanforderungen in Zukunft ändern und der maßgefertigte Stecker nicht mehr passt, sämtliche vorausgegangenen Arbeiten vergeudet waren und neu durchgeführt werden müssen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass keine dieser Optionen ohne die damit verbundenen Nachteile auskommt.

Flexible Verbindungen

Um die zuvor skizzierten Kriterien besser zu erfüllen, entwickelte das technische Team von Harwin eine neue Serie von Board-to-Board-Verbindern. Diese Serie würde dem Bedarf an hoch dicht gepackten Installationen mit einem verbesserten Funktionsumfang gegenüber dem bestehenden PCB-Steckverbinderportfolio gerecht werden. Das Ergebnis dieses Projekts war die Einführung der Archer-Kontrol-Serie.

Diese platzsparenden Verbindungslösungen im Raster 1,27 mm zeichnen sich durch ein hohes Maß an mechanischer Robustheit aus und bieten zugleich eine hohe Flexibilität. Sie weisen eine Nennstromstärke von 1,2 A pro Kontakt auf und eine Auswahl von 12, 16, 20, 26, 40, 50, 68 oder 80 Stecker-Versionen für Edge-to-Edge-, parallele Board-zu-Board- oder rechtwinklige Mutter-Tochter-Board-Ausrichtungen. Um die Designflexibilität gewährleisten zu können, steht eine große Auswahl an verschiedenen Stapelhöhen zur Verfügung, sodass sich die Leiterplatten in Abständen stapeln lassen, die für den Rest des Gerätelayouts geeignet sind.

Dank ihrer vollständig ummantelten Konstruktion sind diese Steckverbinder sehr widerstandsfähig gegen Vibrationen und andere mechanische Kräfte, während die Polarisierung des Gehäuses und die großzügigen Einführungsphasen ein blindes Stecken erleichtern. Sie unterstützen 500 Steckzyklen, besitzen einen Isolationswiderstand von mindestens 1000 MΩ (minimum), halten 500 V_AC aus und haben einen Arbeitstemperaturbereich von -55 °C bis +125 °C. Diese oberflächenmontierbaren Komponenten, die auf Band gegurtet geliefert werden, eignen sich darüber hinaus gut für den Einsatz mit Pick-and-Place-Maschinen.

(tm)