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Ratgeber

Wissenswertes zu Sensor-/Aktor-Verbindungstechnik 

Sensoren und Aktoren spielen eine überaus wichtige Rolle sowohl in der industriellen Fertigung als auch im Smart Home. Sie folgen dem klassischen Prinzip von Ursache und Wirkung: Bestimmte Ereignisse lösen bestimmte Aktionen aus. Dass zwischen den beiden Komponenten eine zuverlässige Verbindung bestehen muss, liegt auf der Hand. Wobei die drahtgebundene Kopplung nach wie vor der potenziell störempfindlichen Funkverbindung überlegen ist. Vorausgesetzt, die Steckverbinder sind technisch einwandfrei. Lesen Sie hier, was genau Sensoren und Aktoren machen und welche Verbindungstechnik für sie zur Verfügung steht.

  • Das machen Sensoren

  • Das machen Aktoren

  • Ohne Logik geht's nicht

  • Komponenten der Sensor/Aktor-Verbindungstechnik

Verbindungstechnik im Netzwerkbereich

Das machen Sensoren

Verbindungstechnik für den Garten

Sensoren sind vergleichbar mit Augen, Ohren, der Haut und der Zunge. Sie reagieren auf äussere Eindrücke.
So gibt es beispielsweise Umwelt-Sensoren zum Messen von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Luftzusammensetzung.
Bewegungssensoren reagieren auf Infrarotstrahlung oder Erschütterungen oder nutzen Ultraschall zur Abstandsmessung.
Magnetsensoren reagieren wie ein Schaltrelais in Anwesenheit eines magnetischen Feldes, und eine Laser-Lichtschranke misst die Unterbrechung des Strahls selbst auf grosse Entfernungen. 

Sie sehen: Es gibt quasi keine physikalischen oder chemischen Eigenschaften, die nicht von Sensoren erfasst werden können. Und zwar sowohl quantitativ als auch qualitativ.


Das machen Aktoren

Datensteckverbinder

Aktoren oder Aktuatoren setzen die von Sensoren kommenden elektrischen Signale in Arbeit um.
Während Sensoren menschlichen Sinnesorganen entsprechen, lassen sich Aktoren mit Muskeln vergleichen.
So kann beispielsweise der Aktuator ein Motor sein, der die Wintergartenabschattung bei Sonneneinstrahlung automatisch heraus- und bei Regen hereinfährt.
Die entsprechenden Sensoren wären dann ein Lichtsensor und ein Regensensor. Oder die Sirene: Sobald ein Fenster geöffnet wird, schickt der am Rahmen befestigte Magnetsensor ein Signal, die Sirene heult los. Im industriellen Bereich finden sich Aktuatoren als Stellantriebe, Hydraulik- oder Pneumatikzylinder und als elektromechanische Hub- und Verstellsysteme.


Ohne Logik geht's nicht

Anschlussleitung

Sensoren und Aktuatoren sind üblicherweise nicht unmittelbar miteinander verbunden, im einfachsten Fall ist zwischen ihnen ein Relais geschaltet. Das löst aus und setzt damit beispielsweise einen Stellmotor in Gang, wenn das vom Sensor gelieferte analoge elektrische Signal ein bestimmtes Niveau erreicht. Seit Jahrzehnten allerdings verbinden so genannte Prozessrechner Sensoren und Aktuatoren, im industriellen Umfeld überwiegend durch die speicherprogrammierbare Steuerung, kurz SPS. Es handelt sich dabei um Computer mit zahlreichen Eingängen für analoge und digitale Sensoren sowie mit Ausgängen für Aktuatoren. Die externen Komponenten werden durch den Programmcode im Arbeitsspeicher fortlaufend überwacht und gesteuert.

Als standardisiertes Kommunikationselement wird häufig ein so genannter Feldbus verwendet. Darunter ist eine Familie von industriellen Computernetzwerken zu verstehen, die für verteilte Echtzeitsteuerung sorgt. Feldbusprofile sind von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission als IEC 61784/61158 genormt. Ein solcher Feldbus verbindet die SPS mit den Komponenten in der Anlage der Feldebene. Dazu gehören Sensoren, Aktoren, Elektromotoren, Konsolenleuchten, Schalter, Ventile und Schütze. Er ersetzt die direkten Verbindungen über Stromschleifen oder digitale Ein- und Ausgangssignale. Eines der bekanntesten und sehr häufig eingesetzten Feldbus-Protokolle ist Profibus DP zur Ansteuerung von Sensoren und Aktuatoren in der Fertigungstechnik.

In der Gebäudeautomation wiederum ist das KNX-System recht häufig zu finden. Es handelt sich dabei um einen offener Standard nach EN 50090 beziehungsweise ISO/IEC 14543. KNX-Geräte können Komponenten der Heizungs-, Klima- und Lüftungstechnik ebenso steuern wie Beleuchtungen, Sicherheitssysteme und Displays. Die Kommunikation erfolgt wahlweise über Twisted-Pair-Netzwerkkabel, Powerline-, RF- oder IP-Verbindungen.


Komponenten der Sensor/Aktor-Verbindungstechnik

Eine Verbindung zwischen elektronischen Komponenten ist nur so gut wie ihre schwächsten Glieder – und die sind erfahrungsgemäss Stecker und Buchsen beziehungsweise Lötstellen und Schraub- oder Steckverbindungen. Insofern ist es ausserordentlich wichtig, sowohl auf die Kompatibilität der Kontakte als auch auf deren mechanische und elektrische Robustheit zu achten. Ansonsten könnte der berühmte Wackelkontakt selbst High-Tech-Anlagen zum Stillstand bringen.

Wir stellen Ihnen hier die wichtigsten Bauelemente rund um die Verbindungstechnik vor. Da die weitaus meisten Verbindungssysteme bestimmten Normen oder von Herstellern vorgegebenen Mustern entsprechen, kann diese Übersicht allerdings nur als Orientierungshilfe dienen.

  • Unter diesem Oberbegriff sind alle „männlichen“ Steckverbinder mit variabler Polzahl versammelt, das Pendant zu Steckern sind Buchsen. Im weitesten Sinn gehören zu den Steckern auch Crimpkontakte zur Bestückung offener Kabelenden.

  • Sie nehmen Stecker auf und sind meist so aufgebaut, dass falsches Einstecken beispielsweise durch asymmetrische Formen oder die Aufnahme von an Steckern befindlichen Nuten verhindert wird.

  • Je nach Ausführung des Feldbus gibt es dezidierte Busanschlüsse, Busknoten und Busmodule.

  • Mit Adaptern lassen sich Anschlüsse unterschiedlicher Durchmesser und Bauformen miteinander verbinden.

  • Ähnlich wie Adapter funktionieren Kupplungen, mit dem Unterschied, dass hier in der Regel Kabel mit Steckern oder Buchsen gleicher Bauform vorliegen. Doppelkupplungen sind als Einbaulösung verfügbar, einfache Typen auch als verriegelbare Anschlüsse.

  • Busanschlüsse und Buchsen sind üblicherweise mit einem Gehäuse oder Konstruktionselementen verbunden, und zwar in der Regel durch Schrauben und Muttern. Muss in Produktionsumgebungen die elektromagnetische Verträglichkeit sichergestellt sein, bieten sich spezielle EMV-Muttern an. Sie sorgen für die Abschirmung von Störfeldern bei Gehäuseverbindungen.

  • Eine besondere Rolle in der Verbindungstechnik spielt die optische Datenübertragung per Glasfaserkabel. Größter Vorteil: Durch die rein optische Transmission sind negative Einflüsse durch elektromagnetische Felder ausgeschlossen. M12-Optic-Steckverbinder beispielsweise wurden speziell für die Anforderungen komplexer Automatisierungsprozesse entwickelt. Sie verbinden hohe Datenübertragungsraten mit zuverlässigem Schutz gegen mechanische, elektromagnetische und Umwelteinflüsse. Zu den typischen Verbindungselementen der Faseroptik von M12-Systemen gehören M12-Transceiver, M12-Steckverbinder, M12-Kupplungen sowie M12-Wanddurchführungen.

    Die M12-Produktfamilie umfasst zudem verschiedene Anschlusskabel, zum Beispiel M12-POF-Faseroptikkabel. Diese Kunststoff-Lichtwellenleiterkabel sind für kurze Übertragungsleitungen von bis zu 50 Zähler sowie für niedrige Datenraten von bis zu 100 Megabit pro Sekunde vorgesehen. 

    Für Datenraten von bis zu 100 Megabit pro Sekunde und Übertragungsleitungen von bis zu 300 Metern Länge gibt es M12-PCF-GI Kabel, bei höheren Datenraten ab 1 Gigabit pro Sekunde kommen M12-Patchkabel mit GOF-Fasern zum Einsatz. 

    M12-OM2-Anschlussleitungen sind für Übertragungsleitungen von bis zu 550 Metern bei einer Wellenlänge von 1300 Nanometern konzipiert.  

  • Wenn an Gehäuse-Durchbrüchen Befestigungen erforderlich sind, bieten sich Anbaurahmen an. Komplette Schaltungen lassen sich in Aufputzdosen für die Boden- oder Wandmontage unterbringen, Flanschgehäuse sind perfekt für den festen Einbau verbindungstechnischer Komponenten, beispielsweise von USB-Anschlüssen. Zur Verfügung stehen ausserdem Leergehäuse sowie Tüllengehäuse für Stifteinsätze mit Verriegelungstechnik.

  • Zu den Hilfsmitteln rund um die Verbindungstechnik zählen Beschriftungsstreifen, Dichtelemente zum Schutz getrennter Verbindungen, farbige Kodierringe, Knickschutzhüllen, Schaltschrankdurchführungen, Schutzkappen, Sicherungsclips, Wanddurchführungen im RJ45-Format sowie Werkzeug zur Kabelmontage.


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