Anforderungen in der Industrie – ob an schlüsselfertige Montagelinien, an Geräte oder an Einzelkomponenten – lauten oft: kompakt – effizient – leistungsfähig. Die Gründe dafür sind vielfältig: Kleinere Geräte ermöglichen kleinere Anlagen, die weniger Platz benötigen. Dadurch ergeben sich Einsparungen durch einen geringeren Rohstoffverbrauch bei der Herstellung, Kosteneinsparungen auf dem Transportweg sowie kleinere Aufstellflächen. Um Gerätegrößen zu reduzieren, wird auch die Schnittstelle nach außen betrachtet.

Besonders gern werden Rundsteckverbinder im industriellen Umfeld eingesetzt – Gründe sind unter anderem ein IP-geschütztes Gerätedesign und damit der Verzicht auf ein platzraubendes Zusatzgehäuse sowie der schnell von außen erfolgende Anschluss, ohne dass das jeweilige Gerät geöffnet werden muss.

Als Standard für besonders kompakte Anschlüsse hat sich die M8-Variante des M12-Steckverbinders etabliert: Um ein Drittel kleiner als der M12 bietet der M8 dennoch industrietaugliche Eigenschaften und ist gut zu handhaben. Ob für die Anbindung kompakter Sensoren oder die Spannungsversorgung kleiner Geräte – in vielen Bereichen wird der M8 bereits mit hoher Akzeptanz eingesetzt.
 

Die Historie von M8

Mit der zunehmenden Integration industrieller Netzwerke bis weit in die Maschinen hinein muss sich der M8-Steckverbinder einer weiteren Aufgabe stellen: der zuverlässigen Übertragung von Informationspaketen im Rahmen des Netzwerk-Verkehrs.

Anders als bei der populären Baugröße M12 ist für diesen Einsatzzweck bislang keine gesonderte Codierung vorgesehen. Viele Anwender nutzen vierpolige M8-Steckverbinder mit Standardcodierung und binden so ihre Geräte ins Netzwerk ein. Damit ist zwar eine funktionale Lösung verfügbar, die sich der Anwender jedoch mit zwei Nachteilen erkauft:

Optimiert für die hochfrequente Datenübertragung: Im Gegensatz zum bisher verwendeten asymmetrischen M8-Steckgesicht (rechts) verfügt die M8-D-Codierung (links) über Kontakte mit identischen Abständen zueinander. 

© Phoenix Contact

• Werden Geräte über zwei A-codierte M8-Steckverbinder sowohl mit Energie versorgt als auch an das Netzwerk angeschlossen, sind diese Steckverbinder steckkompatibel. Werden beim Anschluss eines solchen Gerätes Markierungen oder Beschriftungen übersehen, kann eine an die Datenschnittstelle angeschlossene Versorgungsleitung Schäden durch Überlastung der Geräte-Elektronik verursachen.
• Zudem wurden bei der M8-A-Codierung – als eine zum Anschluss von Sensoren und kleinen Aktoren entwickelte Schnittstelle – die vier Kontakte asymmetrisch angeordnet, um Fehlstecksicherheit zu erreichen. Auf diese Weise war es möglich, auf die sehr kleinen Codiernasen zu verzichten, die im M12 mit symmetrischer Kontaktanordnung für Fehlstecksicherheit sorgen. Aus der asymmetrischen Anordnung ergeben sich aber negative Einflüsse auf die Übertragungsqualität – ausgelöst durch elektromagnetische Felder der Kontakte. Diese gegenseitige Beeinflussung elektrischer Leiter wird Nahnebensprechen (Near End Crosstalk, NEXT) genannt. In der Praxis erreichen Verbindungen mit M8-Steckverbindern für Ethernet oder Profinet zwar eine Geschwindigkeit von bis zu 100 Mbit/s; die Anforderungen der Übertragungskategorie CAT 5 / Class D werden jedoch nicht vollständig erreicht. So hat die Übertragungsstrecke unter Umständen nicht mehr genügend Reserven, um zusätzliche Einflüsse zu kompensieren, wie sie durch große Leitungslängen, EMV-Störungen oder sonstige Einkopplungen verursacht werden. Im Ergebnis kann die Übertragungsrate unter stabile 100 Mbit/s sinken, sodass Datenpakete verlorengehen und erneut gesendet werden müssen. Die Verbindung wird unzuverlässig.

Da die in industriellen Netzwerken geforderten Übertragungsraten bisher unterhalb von 100 Mbit/s liegen, fällt es bis dato kaum ins Gewicht, wenn diese Geschwindigkeit nicht immer oder nicht vollständig erreicht wird. Die Menge der zu übertragenden Daten und damit die erforderliche Übertragungsgeschwindigkeit nehmen jedoch zu. 

Künftig größere Datenmengen

Erste I-4.0-Anwendungen zeigen, dass zur Sicherstellung der hohen Flexibilität von Fertigungsanlagen eine deutlich höhere Sensordichte erforderlich ist als bisher üblich. Auch die Qualität – und somit Menge – sowohl der erfassten als auch der über zentrale Datenbanken zur Verfügung gestellten Daten erhöht sich sukzessive. Alle in industrielle Netzwerke eingebundenen Geräte müssen deutlich mehr Daten empfangen, verarbeiten und versenden.

Diese Anforderungen können nur mit einem leistungsfähigen und zuverlässigen Netzwerk erfüllt werden. Das Prinzip Industrie 4.0 sieht darüber hinaus vor, dass das industrielle Netzwerk näher an den Prozess heranrückt – bis hin zur Einbindung der einzelnen Sensoren in das Netzwerk. Da dies auch in kompakten Maschinen und Anlagen realisiert wird, wurde nach einer Möglichkeit gesucht, die kleine M8-Schnittstelle ebenfalls zu optimieren, um sie fit für die Zukunft zu machen.

Zukunftssichere Schnittstellen

Um die beiden genannten Nachteile des Standard-M8-Steckverbinders zu beseitigen, wurde die D-Codierung entwickelt und in der IEC 61076-2-114 standardisiert.

Das neue Steckgesicht verfügt über vier symmetrisch angeordnete Kontakte. Die jeweils gegenüberliegenden Kontakte bilden ein Paar, an welches entweder zwei gegenüberliegende Adern einer Sternviererleitung oder ein Adernpaar einer Twisted-Pair-Leitung angeschlossen wird. Da sich die elektromagnetischen Felder, die während des Sendens und Empfangens von Daten entstehen, durch die symmetrische Kontaktanordnung gegenseitig aufheben, werden Verluste von Datenpaketen durch NEXT vermieden. Damit wird sichergestellt, dass alle Anforderungen der CAT 5 / Class D eingehalten werden und ausreichend Reserven vorhanden sind. Der Anwender erhält auf diese Weise eine zuverlässige Netzwerk-Verbindung.

Im Vergleich zum M12-Steckverbinder wird die am Gerät oder Schaltschrank benötigte Fläche durch den Einsatz der Baugröße M8 um ein Drittel reduziert.

© Phoenix Contact

Durch die nunmehr symmetrische Kontaktanordnung sind zusätzliche Codier-Elemente im Steckgesicht erforderlich. Die Codierung verhindert zum einen das Fehlstecken innerhalb des Steckverbinders, sodass die Kontaktreihenfolge immer eingehalten wird. Zum anderen erfolgt eine mechanische Unterscheidung zwischen Steckverbindern mit gleicher Kontaktanordnung, die aber für andere Anwendungen vorgesehen sind – wie zum Beispiel die M8-P-Codierung für Ethercat. Insbesondere die mechanische Trennung zu Codierungen, die künftig für die Spannungsversorgung vorgesehen sind, ist wichtig, um mögliche Beschädigungen durch falsch angeschlossene Versorgungsleitungen auszuschließen.

Die Anordnung der Codiernasen innerhalb des Steckgesichts orientiert sich an den Codier-Elementen der D-Codierung in Baugröße M12. Die Elemente wurden jedoch optimiert, um auch in der kleineren Baugröße als Kunststoffteil gefertigt werden zu können. Durch die Standardisierung der neuen D-Codierung für M8-Steckverbinder als IEC-Norm können Anwender sicherstellen, dass eine Kombination auch über Herstellergrenzen hinweg zuverlässig funktioniert.

Autor: 
Dirk Bunzel ist Produktmanager Passive Netzwerkkomponenten, ­Industrial Field Connectivity, bei Phoenix Contact in Blomberg.