Industrie 4.0 Berührungslose Steckverbinder übertragen Energie, Daten und Signale

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Berührungslose Steckverbinder bieten u.a. eine hohe Flexibilität, Rotation um 360°, Vibrations- und Störfestigkeit. Und vor allem unterliegen sie keinem Kontaktverschleiß. Das prädestiniert sie für Anwendungen in der Smart Factory.

Dezentrale Prozesse, hohe Automatisierungsgrade und raue Industrieumgebungen – die Anforderungen an moderne Steckverbindungen in Produktionsmaschinen sind extrem hoch. Sie müssen Daten und Strom jederzeit und unter noch so harten Bedingungen im Industriealltag übertragen. Das sicher, konstant und zuverlässig.

Herkömmliche Steckverbindungen stoßen hier aufgrund mechanischer Einschränkungen oft an ihre Grenzen. Durch die fest verankerte Verbindung mit einem Kabel lassen sich in der Robotik beispielsweise nur eingeschränkte Bewegungen realisieren; eine volle Rotation um 360 Grad ist nicht möglich.

Zudem werden physische Verbindungen durch konstante Vibrationen (z.B. durch Motoren), Schmutz und Spritzwasser stark beansprucht. Dabei können die Steckverbinder auch gelöst oder beschädigt werden, was zu Maschinen- und Produktionsstillständen führt.

Eine Lösung für diese Herausforderungen bietet das berührungslose Übertragungssystem „ARISO Contactless Connectivity“ von TE Connectivity (TE). Das System überträgt gleichzeitig Energie, Daten und Signale für unterschiedliche Anwendungen berührungslos, d.h. ohne mechanische Verbindung.

Induktive Kopplung

Ermöglicht wird dies durch induktive Kopplung: Der Sender-Teil des Kontaktsystems wandelt elektrische Energie in ein magnetisches Feld um, das sich in Luft, Flüssigkeiten und nicht-metallischen Stoffen ausbreiten kann. Ein Empfänger-Teil fängt das magnetische Feld auf und wandelt es wieder in elektrische Leistung um. Sender und Empfänger sind nicht mechanisch gekoppelt, da das Magnetfeld Distanzen von mehreren Millimetern überwinden kann.

Zudem ermöglicht ARISO die Energieübertragung durch nichtleitende Materialien, indem es nichtmetallische Stoffe wie Fette, Reinigungsmittel, Wasser, Öle, Plastik, Gas, Schmutz und Staub oder dünne Wände überbrückt. Frei von Störungen oder mechanischen Einschränkungen kann der Empfänger somit weitere Elemente mit Energie versorgen, zum Beispiel Sensoren, Mikroprozessoren, Ventile oder Aktoren.

Für die Datenübertragung nutzt ARISO einen 2,4-GHz-HF-Chip in Kombination mit Nahfeldantennen. Es bietet außerdem die Möglichkeit, acht diskrete (8 x I/O) oder vier analoge (4 x 4 bis 20 mA oder 4 x 0 bis 10 V) Sensorsignale zu übertragen. So können zeitgleich zur Energieübertragung Informationen gesendet werden.

Auf diese Weise ermöglicht das berührungslose Verbindungssystem völlig neue Produkte, die früher aufgrund der Kabelbeschränkungen nicht möglich waren. Denn: Anlagen und Anwendungen müssen nicht mehr um die Steckverbindungen herum konstruiert werden. So sind zum Beispiel bei Roboterarmen oder Schwenkeinheiten mehrfache Rotationen um 360 Grad möglich, ohne dass der Arm wieder in seine Ausgangsposition zurückfahren muss. Dadurch gestalten sich Produktionsprozesse deutlich schneller und effektiver. Darüber hinaus entfällt jeglicher mechanische Verschleiß, da sich die Kontaktstellen nicht berühren.

Schutzmechanismus sorgt für Sicherheit

Die Verbindungslösung bietet sich vor allem in rauen Umgebungen an, da Vibrationen keinerlei Einfluss mehr auf die Funktionalität haben: Der berührungslose Energiefluss ist ständig gewährleistet und Steckzyklenbegrenzungen existieren nicht mehr. Selbst wechselnde Winkelstellungen zwischen Sender und Empfänger sind bei der Energieübertragung möglich.

Weitere Einsatzgebiete sind alle Anwendungen, in denen besondere Hygienevorschriften gelten. So zum Beispiel in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie. Hier müssen sämtliche Geräte regelmäßig gereinigt werden, was bei physisch vorhandenen Steckverbindern schwierig ist. Sie ziehen Staub und Schmutz an, können zwar mit Wasser gereinigt, müssen aber vor dem Betrieb erst getrocknet werden.

Das macht das Reinigungsverfahren umständlich und verursacht mitunter Stillstandzeiten in der Produktion. ARISO Produkte hingegen sind sowohl im verbundenen als auch im unverbundenen Zustand jederzeit vollständig dicht und können gereinigt werden.

Für die Sicherheit des berührungslosen Übertragungssystems sorgt ein spezieller Schutzmechanismus. Geraten metallische Gegenstände zwischen Sender und Empfänger, stoppt der Empfänger jede Energieübertragung. Dies verhindert das Überhitzen von Maschinenteilen und damit verbundene Störungen.

Hinzu kommt: ARISO nutzt zur Energieübertragung ein magnetisches Feld, ist demnach galvanisch getrennt. Somit bleiben Funken aus, so dass das System auch überall dort eingesetzt werden kann, wo explosive Stoffe im Einsatz sind – etwa auf Ölbohr-Plattformen oder bei der Arbeit mit leicht entzündlichen Gasen.

Mechanische Grenzen überwinden

Die kontaktlose Verbindungslösung besitzt somit das Potenzial, Arbeits- und Produktionsprozesse im Zuge der vollständigen Digitalisierung der Fertigung („Industrie 4.0“) neu zu definieren und rückt dem Ziel „Smart Factory“ näher. //