Der Industriesteckverbinder ist Mitte des 20. Jahrhunderts aus der Anforderung des Maschinenbaus nach Trennbarkeit unterschiedlicher Maschinensegmente entstanden. Diese Grundfunktion wurde primär am Schaltschrank gebraucht, um ihn nach dem Aufbau der Maschine wieder von dieser trennen zu können. Der Schaltschrank an sich kam mit der elektrischen Automatisierung auf – also quasi mit der 3. Industriellen Revolution – und wurde ‚Heimat‘ der Steuerung. Dank der Dezentralisierung durch den Feldbus stieg die Anzahl der Schnittstellen deutlich. Dabei blieb der Steckverbinder in erster Linie in der Hand des Maschinen- und Anlagenherstellers – auch wenn der Anwender im Zuge der Instandhaltung immer stärker seine Anforderungen formulierte.

Im Zeitalter von Industrie 4.0 und den damit verbundenen gravierenden Veränderungen durch Smart Factories, die letztlich in einer Modularisierung der Maschinen und Anlagen resultieren, wandelt sich der Steckverbinder nun grundlegend: Während die Dezentra­lisierung eine durch den Hersteller von Maschinen und Anlagen getriebene strukturelle Veränderung der Aufbau- und Installationstechnik war, so ist die Modularisierung eine durch die Flexibilisierung beim Betreiber initiierte Veränderung. Sie betrifft in erster Linie den Betreiber der Maschine, der seine Anlage möglichst einfach umkonfigurieren will. Diese Aufgabe fällt nun nicht mehr in das Metier des Automatisierers oder des Instandhalters, vielmehr ist es der Betreiber, der seine Anlage per Plug-and-Produce nutzen möchte. Als integraler Bestandteil einer smarten Infrastruktur braucht der Industriesteckverbinder in Folge neue, intelligente Funktionen. Letztlich wird der Steckverbinder der Smart Factory selbst smart. Nicht umsonst haben internationale Standardisierungs-Komitees dazu einen Normenarbeitskreis gegründet.

Der Weg zur Smart Factory

Für die Analyse zukünftiger ­Anforderungen an Steckverbinder stellt die in Kaisers­lautern ­aufge­baute 'Smart Factory KL' die Referenz dar. In dieser Demon­strationsanlage ­werden ­Industrie-4.0-Technologien umgesetzt und erprobt.

© Harting

Alle Veränderungen in der Produktion waren und sind durch Effizienzsteigerung begründet. Nicht zuletzt durch die Lean Production wurde daher auf alles verzichtet, was den eigentlichen Produktionsprozess stört. Bezugnehmend auf die ersten drei industriellen Revolutionen fand damit eine immer stärker vom eigentlichen Adressaten abgekoppelte Massenproduktion statt: War es in einem Handwerksbetrieb noch üblich, dass in der Werkstatt das richtige Material für das zu fertigende Produkt mit dem Kunden zusammen ausgesucht wurde, so ist die moderne Produktion vielfach vollständig vom Kunden entkoppelt. Heute, im Zuge der 4. Industriellen Revolution, werden wieder alle Beteiligten in einer – virtualisierten – Welt vereinigt. Diese Welt ist das Internet, ihr zukünftiger Informationsraum ist die Cloud. Die Fertigung, die gleichzeitig eine virtuelle Repräsentanz besitzt, ist die Smart Factory. Sie interagiert mit allen Beteiligten und bietet so Ansätze für neue Services. Die Modularisierung der Factory hilft dabei, die Effizienz einer Massenfertigung mit den Anforderungen nach höchster Flexibilität für eine Individualisierung der Produkte zu vereinen.

Nachfolgend werden die durch die Modularisierung der Produktionsanlagen hervorgerufenen Effekte auf den Industriesteckverbinder im Detail aufgezeigt. Um den jetzigen Entwicklungsschritt hin zum smarten Stecker zu verstehen, ist es nötig, sich die Entwicklungsphasen des Industriesteckverbinders im Einzelnen anzusehen.

1950 – 1980: Zentralisierung

Der 'Han'-Industriesteckverbinder von 1967 gilt als Klassiker unter den Schnittstellen am Schaltschrank, die den Festanschluss verdrängte.

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Die Einführung von elektrischen Antrieben in Maschinen macht auch deren Versorgung und Steuerung nötig. Steuerungs- und Versorgungsfunktionen werden in einem zentralen Schaltschrank zusammengefasst, der später auch die SPS beherbergt. Dabei ermöglicht es der Industriesteckverbinder, den Schaltschrank und mechanische Bereiche der Maschine voneinander zu trennen. Die Maschine wird beim Maschinenbauer aufgebaut, getestet, auseinander gesteckt, verladen und beim Kunden wieder zusammengesteckt. Durch Indus­triesteckverbinder lassen sich Fehler bei der Verkabelung ausschließen, der Aufbau beim Anwender vereinfacht und beschleunigt sich. Jegliche Sensorik und Aktorik – in Kleinspannung ausgeführt – wird zum zentralen Schaltschrank geführt. Zusätzlich sind Steckverbinder für Antriebe nötig. Die Anzahl der Steckzyklen beläuft sich idealerweise auf drei Vorgänge: Stecken nach dem Aufbau beim Maschinenbauer, Stecken bei der Inbetriebnahme beim Kunden und das letzte Abstecken am Ende des Lebenszyklus der Maschine. In diese Zeit gehört der ‚Han‘-Industriesteckverbinder von Harting.

1980 – 2010: Dezentralisierung

Dank der Einführung des Feldbusses müssen nicht mehr alle Signale hartverkabelt in den zentralen Schaltschrank geführt werden. Sensordaten lassen sich jetzt dezentral erfassen und auch Aktoren anschalten. Dies führt zu einer dezentralen Aufbautechnik, die durch IP67-Geräte auf der einen Seite und dezentrale, kleinere Schaltschränke auf der anderen Seite geprägt ist. Zu diesen dezentralen Schaltschränken – die vielfach ganze Funktionsgruppen beinhalten und damit ein Vorläufer der heute diskutierten Modularisierung sind – müssen Daten, Power und einzelne Signale übertragen werden, möglichst in steckbarer Ausführung.

Der modulare Aufbau des Industriesteckverbinders 'Han-Modular' bietet eine skalierbare Schnittstelle für alle Lebensadern (Power, Data, Signal) einer modularen Anlage.

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Der eigentliche Nutzen der Dezentralisierung besteht in der Vereinfachung der Installation und bezieht sich auf die beim Maschinenhersteller liegende Phase im Lebenszyklus. Neben Kombinationssteckverbindern entsteht so der ‚Han-Modular‘ von Harting, mit dem in einer Schnittstelle ein dezentraler Schaltschrank, aber auch eine ganze Funktionseinheit wie ein Roboter steckbar gemacht werden kann.

Anwender dieser Steckverbinder bleibt weiterhin der Spezialist für die Automatisierung und die elektrische Installation der Maschine. Somit ist das gesamte Handling bei diesen Steckverbinder-Familien ebenfalls mit den klassischen ‚Han‘-Industriesteckverbindern der vorausgegangenen Periode vergleichbar.

2010 – 2030?: Modularisierung

Im Gegensatz zur Dezentralisierung wird die aktuelle Modularisierung aus einer neuen Intention betrieben, die in Bezug zu Industrie 4.0 steht. Die künf­tigen ‚Smart Factories‘ werden wesentlich wandlungsfähiger sein als heutige Fabriken. Unter ‚Mass Customisation‘ wird die Fertigung von Losgröße 1 nach Maßstäben und Effizienz der Massenfertigung angestrebt. Dieses Ziel ist nur erreichbar, wenn sich eine Fertigung in kürzester Zeit an individuelle Bedürfnisse anpassen lässt. Der Aufbau in Form von Modulen mit standardisierten Schnittstellen ist daher naheliegend.

Ein solches Modul ist mit allen Lebensadern zu versorgen, wie es beispielsweise ‚Han-Modular‘ tut. Erweiterte Anforderungen ergeben sich, wenn der Steckverbinder nicht mehr Teil der Installation, sondern der standardisierten Infrastruktur wird:

• Bei der Erstellung der Anlage ist zunächst einmal wichtig, die Steckverbinder-Schnittstelle so zu dimensionieren, dass alle für den Betrieb des Anlagenmoduls notwendigen Verbindungen hergestellt werden. Im Datenbereich sind das Verbindungen für Gigabit Ethernet sowie für die 400-V-, die 24-V- und die Druckluft-Versorgung. In der Demonstrationsanlage ‚Smart Factory KL‘ werden überdies Safety-Informationen separat über Signalkontakte übertragen.

 
Auf Modulseite ist die Schnittstelle beispielsweise an einem dezentralen Schaltschrank montiert. Für die modulverantwortlichen Firmen ist eine klare Standardisierung dieser Schnittstelle notwendig.

• Beim Anlagenbetrieb stehen andere Anforderungen an die Steckverbinder auf der Agenda: So gibt es in einer Smart Factory keine klassische Inbetriebnahme, die mit einer festen Anlagenkonfiguration endet. Im Prinzip wird eine Smart Factory permanent immer wieder neu in Betrieb genommen, oder es findet eine Um-Konfiguration sogar im Betrieb statt. Alle dabei möglichen Konfigurationen können also nicht bei einer ­klassischen Inbetriebnahme erprobt werden. Daraus ergeben sich Imp­likationen: Die Neu-Konfiguration muss einfach und sicher herzustellen sein. Dabei darf nicht davon ausgegangen werden, dass ein speziell zu diesem Zweck geschultes Fachpersonal zur Verfügung steht. Ergo muss die Neu-Konfiguration durch ein integriertes Management unterstützt werden. Da ein Hinzufügen und Ersetzen eines Moduls auch immer das Stecken des Steckverbinders impliziert, erhält der Steckverbinder eine zentrale, neue Bedeutung.

Die integrierten neuen Grundfunktionen lassen sich in folgender Weise kategorisieren: a) in Funktionen für das einfache An und Abdocken und b) in Funktionen für den hochverfügbaren Betrieb.

Das An- und Abdocken

Die 'Han-Modular Infrastrukturbox' ist das intelligente T-Stück der 'Smart Factory'. Es bietet alle Funktionen zum An- und Abdocken von Modulen und liefert die Daten für Services wie Predictive Maintenance und Energy ­Management.

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Beim Abdocken wird im ersten Schritt eine Identifikation des richtigen Steckverbinders notwendig, die mit einer Visualisierung einhergehen muss. Im zweiten Schritt soll der Steckverbinder abgesteckt werden – was allerdings nur dann möglich ist, wenn die Anlage sich in einem dazu geeigneten Zustand befindet. Für den modernen Steckverbinder heißt das, er muss durch Kommunikation mit der Anlage deren Zustand kennen. Und nur, wenn der Betriebszustand das Stecken erlaubt, sollte es auch möglich sein. Allein aus der Perspektive des Personenschutzes muss ein Ziehen unter Last verhindert werden. Ergo ist entweder eine Vorrichtung zur spannungsfreien Schaltung des Steckers oder eine aktive Entriegelung erforderlich. Für die Dezentralisierung sind ­diese Funktionen nicht nötig, da hier die Instandhaltung so geschult ist, dass das Stecken unter Last unterbleibt. Aktive Verriegelung, Visualisierung und Kommunikation sind Funktionen, die den Steckverbinder von einer passiven Installationskomponente zu einer smarten Infrastrukturkomponente weiterentwickeln.

Das Andock- und Abdock-Management ist einer der Services, wie sie im Steckverbinder namens ‚smart Han‘ realisiert sind. Zu seinen weiteren Services gehört beispielsweise das Energiemanagement. Noch ein Service kommt für den sicheren Betrieb hinzu, der im Kontext des Asset Managements zu sehen ist: So ist es für den Betrieb einer Anlage entscheidend, dass beim An­docken das richtige Modul verwendet wurde, das im Fertigungsprozess sinnvoll einsetzbar ist und gleichzeitig die Infrastruktur nicht überlastet. Hierfür ist eine Identifikation des Moduls notwendig, die direkt im Steckverbinder erfolgen kann. Und erst, wenn die Identifikation durchlaufen ist, sollte das Modul mit Spannung versorgt werden.

Smarte Modularisierung

Die Bedienoberfläche des 'smart Han Port' ermöglicht Diagnose und aktives Performance-Management in der modularen Anlage der 'Smart Factory'.

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In der ‚Smart Factory KL‘ wurde in einem ersten Schritt ein dezentralisierter IP65-Aufbau der Infrastruktur mit ‚Infra­strukturboxen‘ erprobt. Ziel dabei war es, alle Funktionen hochintegriert in einem T-Stück abzubilden. Die Infrastrukturbox ermöglicht einen flexiblen Anlagenaufbau in Linientopologie. Oftmals ist aber heute noch ein zentraler Aufbau der Infrastruktur in Sterntopologie anzutreffen, wozu Anschluss­dosen an Gebäudeteilen nötig sind. Diese Anschluss-Ports stellen damit den entscheidenden Migrationsschritt von heutigen passiven Verteilungen zu einer smarten Infrastruktur dar.

Mittelfristig ist davon auszugehen, dass die Funktionen des I40-Steckverbinders zum Standard avancieren, der durch User-Groups wie die Smart Factory KL gesetzt wird und in die internationale Standardisierung einfließt. Im vom VDE gegründeten Arbeitskreis für Steckverbinder mit Zusatzfunktionen haben die bisherigen Diskussionen ­gezeigt, dass sich der zur Industrie-­4.0-Komponente wandelnde Steckverbinder eine Verwaltungsschale entsprechend RAMI erhalten wird, dem Referenzarchitekturmodell der Plattform I 40. Es geht dabei um die einheitliche Inte­gration von smarten Steckverbindern in Applikationen, um neue Services zu ermöglichen. Dabei wird die konkrete Ausführung des smarten Steckverbinders herstellerabhängig bleiben. Harting beispielsweise hat die Studie einer hochintegrierten Wanddurchführung für Schaltschränke auf der Hannover Messe 2016 vorgestellt. Ausgangspunkt war die Infrastrukturbox, aus der die ‚smart Han‘-Funktionalitäten abgeleitet wurden. Ein wesentliches Merkmal – neben Funktionen wie elektronisches Schalten, Verbrauchsmessung, Webserver, Datenbank, OPC UA und DO/DI/SPS-Schnittstellen – ist insbesondere die ­Sicherheit für Mensch und Anlage selbst bei Fehlbedienung über eine integrierte Stecker- und Verriegelungserkennung.

Autor:
Andreas Huhmann arbeitet als Strategy Consultant des Vorstands von Harting in Espelkamp.