Bilddaten in industrieller Anwendung Zuverlässigkeit und Leistungsstärke bei der Daten-Übertragung sichern

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Phoenix Contact AG

FAULHABER SA

Optische Sensoren bilden in industriellen Anwendungen die «Augen» des Systems. Doch muss im industriellen Einsatz eine leistungsstarke Peripherie dafür sorgen, dass die Bildverarbeitung dauerhaft zuverlässig, fehlerfrei und in der erforderlichen Leistungsstärke funktioniert.

Immer leistungsstärkere optische Sensoren erhöhen auch die Anzahl ihrer Anwendungsbereiche. Wenn man moderne Produktionsprozesse mit dem dazugehörigen Qualitätsmanagement inkl. Dokumentierung betrachtet, produziert die Überwachungs- und Auswerteelektronik eine Flut von Daten. Diese Datenmassen müssen sicher übermittelt, gesammelt und verarbeitet werden. Die zugrundeliegenden technischen Strukturen von Visiosystemen müssen dabei auch bei anspruchsvollen Rahmenbedingungen wie z. B. permanenter mechanischer Belastung durch Schocks oder Vibrationen voll funktionsfähig bleiben. Gerade Datensteckverbinder, die wichtige Schnittstellen des Systems darstellen, müssen diesen Anforderungen gewachsen sein, damit Verschleisserscheinungen an Stift- und Buchsenkontakten (Vgl. fretting corrosion) vermieden werden. Andernfalls führen Kontaktunterbrechungen zu Ausfallzeiten in der Produktion oder Prozessfehlern, die zeit- und kostenintensive Massnahmen erfordern.

Immer kompaktere Systeme auf kleinerem Raum, die dem Trend der Miniaturisierung folgen, stellen Geräteentwickler von Visiosystemen zusätzlich vor Herausforderungen. Elektromagnetische Störimpulse können dadurch 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 auch schon die Gerätezulassung ggf. erschwert. Aktive Lösungsansätze gegen diese drohenden Probleme bilden miniaturisierte Schnittstellen und geräteintegrierte Anschlusstechnik, die sichere Schirmung und Datenübertragung bieten.

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Auch die optimierte Positionierung von Bauteilen auf der Leiterplatte nach elektromagnetischen und thermischen Gesichtspunkten schafft Sicherheit bei der Geräteentwicklung. Dabei helfen Simulationen zur Wärmeentwicklung sowie Signalintegrität und Impedanz, gerade wenn auch nicht standardisierte Bauteile zum Einsatz kommen.

Standards zur optimalen Bildverarbeitung

Ob Camera Link, CoaXPress, GigE Vision oder USB 3, es gibt zahlreiche Übertragungsstandards, um den jeweiligen Visioapplikationen und zugehörigen Schnittstellen gerecht zu werden. Für eine optimale Bildverarbeitung müssen alle Faktoren aufeinander abgestimmt sein und sicher miteinander funktionieren. Phoenix Contact steht im Bereich der industriellen Verbindungstechnik für hohe Qualität. Im Portfolio des 1923 gegründeten Unternehmens befinden sich vielfach bewährte Datensteckverbinder wie D-SUB, RJ45, USB, HDMI, Koaxial- und Lichtwellenleiter-Anschlusstechnik. Mit seinem Anspruch an Qualität und Innovation ist Phoenix Contact aber auch kompetenter Ansprechpartner bei neuen Komponenten, wie das Single Pair Ethernet (SPE), RJ45 Industrial (RJ45-IND) und das Anschlusssystem für geschirmte und ungeschirmte Board-to-Board-Steckverbinder der Serie Finepitch.

RJ45 Industrial für industrielle Anwendungen

Speziell für industrielle Anwendungen entstand RJ45 Industrial (RJ45-IND). Diese leistungsstarke Produktfamilie wurde auf Basis zahlreicher Erfahrungen in der Zusammenarbeit mit Kunden unterschiedlicher Industriebereiche aus den Standard-RJ45-Produkten weiterentwickelt und optimiert. So entstand bei Phoenix Contact ein Produktprogramm, das z. B. durch ein optimiertes 360° Schirmkonzept überzeugt. Gegen EMV-Störeinflüsse wurden die Gehäuseschirmfedern und Schirmpins zur Leiterplatte erhöht. Das verbessert ebenfalls die mechanische Festigkeit der Buchse auf der Leiterplatte.

Bei der Verbindung zwischen RJ45-IND Steckverbinder bzw. Patch-Kabeln und RJ45-IND Leiterplattenbuchsen konnte Entscheidendes optimiert werden, so steht Schocks und Vibrationen nun das sogenannte «Perfect Match» des Steckverbindersystems entgegen. Dazu konnte die Stecktiefe der Leiterplattenbuchse von 8,3 auf 9 mm optimiert werden, so dass sich die Kontaktzone des Steckverbindersystems vergrösserte. Auch in der Verbindung von Buchse und Stecker gab es entscheidende Verbesserungen bei den Toleranzen, so dass ihr Kontaktanschluss noch optimaler aufeinander abgestimmt ist. Auf Seite der Steckverbinder konnte die Anpresskraft mit einer Andruckfeder zusätzlich erhöht werden.

Dank eines verstärkten Gehäuses, bei dem nun Glasfasertechnik zum Einsatz kommt, wurde die Temperaturbeständigkeit der Leiterplattenbuchse verbessert. Temperaturen von -40 bis zu 105 °C sind jetzt problemlos möglich. Besonders robust sind dabei auch die RJ45-IND Patch-Kabel, die sowohl roboter- als auch schleppkettentauglich sind. Ein grosser Vorteil und Alleinstellungsmerkmal der Lösung von Phoenix Contact ist der IDC-Schnellanschluss, mit dem der einteilige Steckverbinder ohne Einsatz eines Spezialwerkzeugs leicht und schnell konfektioniert werden kann.

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 ermöglicht 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. Gerade das SPE-Portfolio von Phoenix Contact spielt hierbei durch seine kompakte und 50 W durchgängige Bauweise seine Stärken aus. So spart z. B. die SPE-IP20-Buchse im Vergleich zu einer standardisierten RJ45-Buchse ca. 50 % Platz ein.

Bei Phoenix Contact profitiert man zudem von einem durchgängigen SPE-Produktportfolio, bei dem alle Komponenten aufeinander abgestimmt und getestet wurden. Dabei sind sowohl kompakte IP20-Steckverbinder (nach IEC 63171-2), als auch IP67 geschützte M8-Steckverbinder (nach IEC 63171-5) verfügbar. Ganz neu im Portfolio ist der SPE-M12-Hybridsteckverbinder aus der Serie Onepair. Die Vorteile der SPE-Anschlusstechnik sind das einheitliche Steckgesicht und die Möglichkeit dadurch einen hohen Grad an Gleichteilverwendung zu erreichen. Adapter werden somit überflüssig und es fallen keine zusätzlichen Kosten an.

Für Entwickler von Visiosensoren 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. Tipp: Mehr Informationen rund um das Thema Single Pair Ethernet sowie konkrete Lösungen für industrielle Anwendungsfälle bietet eine Mitgliedschaft in der System Alliance (www.singlepairethernet.com/).

Board-to-Board-Steckverbinder

Gerade für anspruchsvolle Anwendungen wie z. B. zur industriellen Bildbearbeitung bieten sich Kontaktsysteme statt einfach gestalteter Stift- und Buchsenleisten an. Diese sind filigran jedoch auch gleichzeitig robust. Die Produktserie Finepitch von Phoenix Contact bietet mit ihren Board-to-Board-Steckverbindern ein professionelles Kontaktsystem, mit dem sich platzsparend Leiterplattenverbindungen realisieren lassen. Für Entwickler bieten unterschiedliche Polzahlen sowie Stapelhöhen viel Flexibilität. Dabei punktet das System mit einer High-Speed-Datenübertragungsrate bis zu 52 GBit/s. Die innovativen ScaleX-Doppelkontakte (FP 0,8) sind als Hermaphrodit konstruiert, so dass auf sehr engem Raum vibrationssichere Verbindungen entstehen. In einer optional auch erhältlichen geschirmten Version werden zudem EMV-Störeinflüsse vermieden. Als wertvolle Serviceangebote bieten die Experten von Phoenix Contact Unterstützung während des gesamten Design-in-Prozesses sowie Design-in-Support. Geräteentwickler von Visio-Systemen können so schnell vorkonfigurierte 2D-/3D-Daten für ihre CAD-Software erhalten.

Ausserdem bietet Phoenix Contact individuelle Thermo- bzw. Gehäusesimulation auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM). Kostenlose Simulationen zur Daten- und Signalintegrität ergänzen das umfassende Serviceangebot. Mit dieser Unterstützung realisieren Kunden direkt von Anfang an und durch den kompletten Entwicklungsprozess eine stabile Kommunikation. Mit dem kostenlosen Musterservice und einer zuverlässigen Logistik rundet Phoenix Contact seine Services ab.

Fazit

Für Entwickler von modernen Visiosystemen sind verschiedene Faktoren bei der Produktentwicklung wichtig, um im Umfeld hoher Datenübertragungsraten und Miniaturisierung verlässliche und leistungsstarke Systeme marktreif zu machen. Dabei spielt auch der Kostenfaktor eine entscheidende Rolle. Mit Produkten und Services steht dabei Phoenix Contact als verlässlicher Partner bereit. Neben den bewährten Datensteckverbindern oder innovativen Produktlösungen z. B. zu SPE, bietet Phoenix Contact Simulationen an, die helfen eine stabile Gerätekommunikation und verlässliche Systeme kosteneffizient zu realisieren. So entsteht eine leistungsstarke Peripherie für eine verlässliche industrielle Bildverarbeitung.

Board-to-Board-Steckverbinder

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