Modulare Steuerungen und I/Os sparen Platz im Schaltschrank

Sigmatek, Anbieter kompletter Automatisierungslösungen, hat seinen speziellen Fokus auf dem Serienmaschinenbau in den Bereichen Kunststoffspritzguss, Metallbearbeitung, Verpackung und Robotik. Gerade hier spielt der Einbauraum eine entscheidende Rolle und schlägt sich direkt auf die Kosten nieder. Daher war es ein wesentliches Kriterium bei der Entwicklung des kompakten Steuerungssystems S-Dias den Bauraum im Schaltschrank beziehungsweise in den Maschinen möglichst effizient zu nutzen. So entschied sich das Unternehmen neben der außerordentlich kompakten Bauweise, für ein modulares Konzept. Die Versorgung sowie die Busverbindung der schlanken Module erfolgt über robuste, miniaturisierte Mehrfachkontakt-Steckverbinder.

Bild 1: Das kompakte und modulare S-DIAS-System ermöglicht maßgeschneiderte Automatisierungslösungen. Sigmatek

Bild 2: Robuste Mehrfachkontakt-Stecker sorgen für die Echtzeit-Ethernet-Busverbindung (Varan) und Modulversorgung im S-DIAS-Steuerungssystem. Sigmatek

Bild 3: Für die hohen Vibrations- und Schockanforderungen in den robusten Steuerungen hat die doppelseitige Kontaktgabe der SMC-Steckverbinder unbestrittene Vorteile. Erni

Bild 4: Kompakte SMC-Steckverbinder im 1,27-mm-Raster bieten einen kontinuierlichen Impedanzverlauf auch bei hohen Datenraten. Erni

Nicht jeder Kunde benötigt 20 Eingänge und andererseits auch nicht jeder fünf Ausgänge. Vor diesem Hintergrund kann mit dem von Sigmatek gewählten modularen Konzept der Kunde für seine Anwendung gezielt eine individuelle, maßgeschneiderte Steuerung zusammenstellen. Da die Module eine Standardbreite von nur 12,5 mm haben, ist sichergestellt, dass der verfügbare Bauraum optimal genutzt wird. Denn neben dem modularen Ansatz steht je nach Modul eine Kontaktdichte von bis zu maximal 20 I/Os zur Verfügung. Auf 30 cm Breite lassen sich so 23 Module mit bis zu 460 I/Os unterbringen. Werden beispielsweise 20 Eingänge benötigt, so kann das mit einem einzigen Modul erledigt werden. Auch Ein-/Ausgänge mit einem Modul gemischt sind möglich, dafür wurden S-Dias-Mixmodule entwickelt. Untereinander kommunizieren die Hutschienenmodule über den schnellen Echtzeit-Ethernetbus Varan mit 100 Mbit/s. Dafür und für die Spannungsversorgung wurde ein passender kompakter Steckverbinder gesucht, der sowohl dem anspruchsvollen Platzkonzept als auch den Geschwindigkeits- und Robustheitsanforderungen entspricht. Eine hohe Pinzahl auf kleinem Platz war dabei eine Grundvoraussetzung und die impedanzkontrollierten Signale sollten störungsfrei und sicher übertragen werden. All diese Anforderungen erfüllte der SMC-Steckverbinder im 1,27-mm-Raster.

Modulares, flexibles Konzept

Durch die Modularität des S-Dias-Systems sind kundenspezifische Erweiterungen sehr kostengünstig möglich, ohne die Hardware der SPS ändern zu müssen. Soll beispielsweise eine Maschine später um Sensoren wie Temperaturfühler erweitert werden, so bietet das S-Dias-Steuerungssystem eine Lösung mit geringem Aufwand. Benötigt werden nur weitere 12,5 mm und das entsprechende Modul lässt sich einfach hinzufügen. Davon profitieren Serienmaschinenbauer mit unterschiedlichen Maschinenoptionen- aber auch Sondermaschinenbauer, die oftmals nur Einzelstücke ihrer Maschinen fertigen. Ein immer wiederkehrender Ablauf kann in der objektorientierten Entwicklungsumgebung Lasal in einfach wiederverwendbare Softwarefunktionen, sogenannte Objekte gepackt werden.

Für praktisch jede Automatisierungsaufgabe steht im Rahmen der S-Dias-Familie das passende Hutschienen-Modul bereit. Aus einem vielfältigen, modularen Systembaukasten lassen sich CPU-, digitale und analoge I/O-, Motion-, Safety- und spezielle Funktionsmodule bedarfsgerecht kombinieren und konfigurieren. Mit der hohen Packungsdichte werden Maschinen- und Anlagenbauer darin unterstützt, die wachsende Komplexität ihrer Maschinen zu beherrschen, bei gleichbleibendem Schaltschrankvolumen. Weitere Vorteile bietet die Modularität und die Möglichkeit, die Applikation auf mehrere CPUs verteilen zu können. Somit ist es möglich flexible, kundenspezifische Maschinenkonzepte zu realisieren, die sich zudem einfach erweitern und an zukünftige Rahmenbedingungen anpassen lassen.

Die Sigmatek-I/O-Module vereinen Elektronik, Bus und Hutschienenbefestigung in einem schmalen Gehäuse. Die Modulversorgung sowie die Busanbindung sind über den seitlich angebrachten, robusten SMC-Steckverbinder realisiert. Eine Besonderheit stellt die mechanische Querverrieglung dar. Sie schafft eine formschlüssige, vibrationsfeste Verbindung der Module. Die S-Dias-Module lassen sich rasch und ohne Werkzeug verdrahten, blockweise vorinstallieren und auf der Hutschiene montieren (Rastmechanismus). All dies sorgt für kurze Inbetriebnahmezeiten.

Wie alle Sigmatek-Systemkomponenten ist auch das S-Dias-System mit der Software Lasal projektierbar und programmierbar. Die Software unterstützt einen modularen, mechatronischen Ansatz beim Maschinendesign. Maschinenteile werden in Softwareobjekten nachgebildet. Code und Daten sind in logischen Einheiten (Objekten) zusammengefasst. Beim Erstellen des eigentlichen Programm-Codes kann der Software-Entwickler auf die vertrauten Sprachen zurückgreifen. Eine umfangreiche Bibliothek vorgefertigter Templates und Funktionsbausteine ermöglicht kürzere Entwicklungszeiten.

Robuste und zuverlässige Steckverbinder für kompakte Steuerungen

Für das modulare S-Dias-Konzept sind nicht nur die Module mit hoher Packungsdichte entscheidend, sondern auch deren sichere und robuste Verbindung untereinander. Daher wurde ein Steckverbinder gesucht, der mehrere, oftmals gegenläufige, Kriterien erfüllen musste. Grundsätzlich musste der Steckerbinder natürlich die in Bezug auf das Raster von 12,5 mm benötigte Stapelhöhe bieten und eine Datenrate von 100 Mbit/s (Varan-Bus) mit ausreichender Marge unterstützen. Ein weiteres wichtiges Kriterium waren die Anforderungen an die Schock- und Vibrationsfestigkeit mit 15 g beziehungsweise 1 g im Bereich von 8,4 bis 150 Hz. Der Stecker sollte sowohl für den Modulbus differenzielle Signale, als auch die Spannungsversorgung (+24 V/max. 1,6 A; +5 V/max.1,6 A) der I/O-Module verwendet werden. Also war auch eine entsprechende Stromtragfähigkeit gefordert. Letztendlich musste die Impedanz des Modulbusses mit 100 Ω erfüllt werden. Die Wahl von Sigmatek fiel auf den SMC-Steckverbinder von Erni, der mit seinen Spezifikationen die genannten Kriterien erfüllt.

Kompaktes 1,27-mm-Raster ohne Einschränkungen

Beschränkter Platz, aber dennoch hohe Performance-Anforderungen kennzeichnen viele industrielle Steuerungen. Dem müssen auch die Steckverbindungen Rechnung tragen. Entsprechend sind kompakte, sichere und zuverlässige Steckverbinder mit hoher Signalintegrität und hoher Strombelastbarkeit gefragt. Zunehmende Geräte-Funktionalität/Integration erfordert höhere Datenraten, höhere Polzahlen und kleinere Rastermaße. Das umfangreiche SMC-Portfolio vereint diese oft gegensätzlichen Anforderungen und bietet vielfältige Lösungen. Die wesentlichen Design-Kriterien der SMC-Serie sind das doppelschenklige Federkontaktprinzip für sehr gute Kontakteigenschaften und äußerst zuverlässige Kontaktsicherheit, ein hochtemperaturbeständiger Isolierkörper mit Polarisierung und Einführschrägen und die sehr große Überstecksicherheit. Das optimierte Kontakt-Design zeigt einen nahezu kontinuierlichen Impedanzverlauf und erlaubt bei entsprechender Design-Auslegung die sichere Übertragung (differenziell) von Datenraten bis zu 3 Gbit/s.

Viele Kunden bevorzugen SMT als Anschlussart und Reflow-Lötprozesse. Beim Einsatz von Steckverbindern mit sehr kleinem Raster muss hier insbesondere auf die sichere Verarbeitung geachtet werden.

Für die industriellen Vibrations- und Schockanforderungen bietet die doppelseitige Kontaktgabe (mit Vibrations-/ Schocktests bis zu 20 g/50 g) unbestrittene Vorteile.

Die hochzuverlässige Small-Multiple-Connector (SMC) -Steckverbinderfamilie bietet verschiedene Bauformen, wie gerade und abgewinkelte Messer- und Federleisten sowie eine Low-Profile-Ausführung. SMC-Steckverbinder benötigen wenig Platz bei hoher Kontaktdichte. Ein Vollmetall-SMT-Winkel nimmt auch hohe Steck- und Ziehkräfte auf. Die Kombination von verschieden hohen Messer- und Federleisten ergibt unterschiedliche Board-to-Board-Abstände (8 bis 20 mm). Die verfügbaren Polzahlen reichen von 12 bis 80.

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