Die Überwachungs- und Auswerteelektronik in modernen Produktionsprozessen mit dem dazugehörigen Qualitätsmanagement inklusive Dokumentierung produziert eine Fülle an Daten. Diese Datenmengen müssen sicher übermittelt, gesammelt und verarbeitet werden. Dabei müssen die zugrundeliegenden technischen Strukturen auch bei anspruchsvollen Rahmenbedingungen wie zum Beispiel permanenter mechanischer Belastung durch Schocks oder Vibrationen voll funktionsfähig bleiben. Insbesondere Datensteckverbinder als wichtige Schnittstellen des Systems müssen diesen Anforderungen gewachsen sein, um Verschleißerscheinungen an Stift- und Buchsenkontakten (Stichwort: fretting corrosion) zu vermeiden. Andernfalls führen Kontaktunterbrechungen zu Ausfallzeiten in der Produktion oder Prozessfehlern.

Immer kompaktere Systeme auf kleinerem Raum, die dem Trend der Miniaturisierung folgen, stellen Geräteentwickler von Vision-Systemen zusätzlich vor Herausforderungen. Elektromagnetische Störimpulse können die Funktionalität der einzelnen Bauteile beeinflussen. Die reduzierten Strukturen im Bereich der Systemarchitektur gefährden zudem eine stabile Systemintegrität. Die enger zusammenrückenden und immer leistungsstärkeren Komponenten bringen zudem ein thermisches Problem mit sich, das nicht nur Auswirkungen auf den Sensorbetrieb haben kann, sondern gegebenenfalls die Gerätezulassung erschwert. Aktive Lösungsansätze bilden miniaturisierte Schnittstellen und eine geräteintegrierte Anschlusstechnik, die sichere Schirmung und Datenübertragung bieten. Auch die optimierte Positionierung von Bauteilen auf der Leiterplatte nach elektromagnetischen und thermischen Gesichtspunkten schafft Sicherheit. Dabei helfen Simulationen zur Wärmeentwicklung sowie Signalintegrität und Impedanz, gerade wenn auch nicht standardisierte Bauteile zum Einsatz kommen.

Standards für die Bildverarbeitung

Gegenüber einer standardisierten RJ45-Buchse lassen sich mit einer SPE-IP20 Buchse rund 50 % Platz einsparen.

© Phoenix Contact

Ob Camera Link, CoaXPress, GigE Vision oder USB 3 – um den jeweiligen Vision-Applikationen und zugehörigen Schnittstellen gerecht zu werden, existieren verschiedene Über- tragungsstandards. Dazu gibt es im Portfolio von Phoenix Contact Datensteckverbinder für D-SUB, RJ45, USB, HDMI, Koaxial- und Lichtwellenleiter-Anschlusstechnik, ebenso wie Lösungen beispielsweise für Single Pair Ethernet (SPE) oder RJ45 Industrial (RJ45-IND).

RJ45 Industrial

Speziell für industrielle Anwendungen entstand RJ45 Industrial (RJ45-IND). Diese Produktfamilie wurde auf Basis von Erfahrungen in der Zusammenarbeit mit Kunden unterschiedlicher Industriebereiche aus den Standard-RJ45-Produkten weiterentwickelt. So entstand bei Phoenix Contact ein Produktprogramm mit optimiertem 360°-Schirmkonzept. Gegen EMV-Störeinflüsse wurden die Gehäuseschirmfedern und Schirmpins zur Leiterplatte erhöht, was auch die mechanische Festigkeit der Buchse auf der Leiterplatte verbessert.

Bei der Verbindung zwischen RJ45-IND-Steckverbinder beziehungsweise Patch-Kabeln und RJ45-IND-Leiterplattenbuchsen steht Schocks und Vibrationen das sogenannte ‚Perfect Match‘ des Steckverbindersystems entgegen: Dazu wurde die Stecktiefe der Leiterplattenbuchse von 8,3 auf 9 mm erhöht, wodurch sich die Kontaktzone des Steck- verbindersystems vergrößerte. Auch in der Verbindung von Buchse und Stecker gab es Verbesserungen bei den Toleranzen, so dass der Kontaktanschluss besser aufeinander abgestimmt ist. Auf Seite der Steckverbinder wurde die Anpresskraft mit einer Andruckfeder zusätzlich erhöht. Aufgrund eines verstärkten Gehäuses, bei dem Glasfasertechnik genutzt wird, sind bei der Leiterplattenbuchse Temperaturen von –40 bis zu +105 °C möglich. Die RJ45-IND-Patch-Kabel sind sowohl roboter- als auch schleppkettentauglich. Mit dem IDC-Schnellanschluss lässt sich der einteilige Steckverbinder ohne Einsatz eines Spezialwerkzeugs konfektionieren.

Single Pair Ethernet

Die Arbeitsgruppen des IEEE 802.3 haben die Übertragungsstandards für Single Pair Ethernet (SPE) erarbeitet und so wurden die Standards 10Base-T1, 100Base-T1, 1000Base-T1 sowie MultiGigBase-T1 festgelegt. Die erstgenannten SPE-Standards ermöglichen Datenraten von 10 Mbit/s bis zu 1 Gbit/s auf Distanzen von 15 bis 1000 m. Der MultiGigBase-T1 Standard erlaubt sogar Datenraten bis 10 Gbit/s auf Distanzen von bis zu 15 m. Die Leistungsübertragung für die SPE-Standards 100Base-T1 und 1000Base-T1 sind durch den IEEE 802.3 bu-Standard definiert (PoDL – Power over Data Lines). Dabei sind die Verbraucherleistungen der Endgeräte (Power Devices) in zehn Leistungsklassen von 0,5 bis 50 W untergliedert.

Mit Blick auf die industrielle Bildverarbeitung bietet SPE nicht nur aufgrund der möglichen Daten- und Leistungsübertragung ein spannendes Anwendungsfeld. Das SPE-Portfolio von Phoenix Contact ist hierbei durch seine kompakte und 50 W durchgängige Bauweise interessant. So spart zum Beispiel die SPE-IP20-Buchse im Vergleich zu einer standardisierten RJ45-Buchse etwa 50 % Platz ein. Beim durchgängigen SPE-Produktportfolio von Phoenix Contact sind alle Komponenten aufeinander abgestimmt und getestet. Verfügbar sind sowohl kompakte IP20-Steckverbinder (nach IEC 63171-2) als auch IP67-geschützte M8-Steckverbinder (nach IEC 63171-5). Neu im Portfolio ist der SPE-M12-Hybridsteckverbinder aus der Serie ‚Onepair‘.

Vorteile der SPE-Anschlusstechnik sind das einheitliche Steckgesicht und die Möglichkeit, dadurch einen hohen Grad an Gleichteilverwendung zu erreichen. So werden Adapter überflüssig und zusätzliche Kosten fallen nicht an.
Für Entwickler von Vision-Sensoren bieten sich verschiedene SPE-Komponenten an: So gibt es neue Halbleiter (SPE-PHYs und PoDL-Controller), SPE-Magnetics, Anschlusstechnik nach IEC 63171-2 und -5 sowie SPE-fähige Kabel nach IEC 61156.

Board-to-Board-Steckverbinder

Gerade für anspruchsvolle Anwendungen – wie zum Beispiel die industrielle Bildverarbeitung – bieten sich Kontaktsysteme anstelle einfach gestalteter Stift- und Buchsenleisten an, da diese zwar filigran, jedoch gleichzeitig robust sind. Die Produktserie ‚Finepitch‘ stellt mit ihren Board-to-Board-Steckverbindern ein Kontaktsystem zur Verfügung, mit dem sich Leiterplattenverbindungen platzsparend realisieren lassen. Flexibilität für Entwickler entsteht durch unterschiedliche Polzahlen sowie Stapelhöhen.

Die Autoren: Verena Neuhaus arbeitet im Product Management Data Connectors, Business Unit Field Device Connectors und Thomas Schulze arbeitet im Product Management Board-to-Board Connectors, Business Unit PCB Connectors beide bei Phoenix Contact in Blomberg.

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Das System unterstützt Datenübertragungsraten bis zu 52 Gbit/s. Die ScaleX-Doppelkontakte (FP 0,8) sind als Hermaphrodit konstruiert, so dass auf sehr engem Raum vibrationssichere Verbindungen entstehen. In einer optional erhältlichen geschirmten Version werden zudem EMV-Störeinflüsse vermieden.

Als Service-Angebote gibt es Unterstützung während des gesamten Design-in-Prozesses sowie Design-in-Support. Geräteentwickler von Vision-Systemen können so schnell vorkonfigurierte 2D-/3D-Daten für ihre CAD-Software erhalten. Auch individuelle Thermo- beziehungsweise Gehäusesimulationen auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) sind ebenso möglich wie Simulationen zur Daten- und Signalintegrität.