M12-connectors versus de alternatieven in industriële toepassingen

M12-connectors zijn een alomtegenwoordige optie voor ronde kabelafsluiting die op grote schaal wordt gebruikt in industriële, mobiele robot- en zelfs consumentgerichte ontwerpen voor het aansluiten van detectie-, bedienings- en andere componenten (veldbus en anderszins) op besturingen en andere systemen in geautomatiseerde machines. De exacte geometrieën en geleideropstellingen van M12-connectors (vaak op de uiteinden van PUR- of PVC-gehulde kabels) worden gedefinieerd door de IEC 61076-2-101-normen van de Internationale Elektrotechnische Commissie. De naam M12 komt voort uit het feit dat de metrische schroefdraad op de meeste koppelingsmoeren en contrastekkers van de connectoren (die kort nader worden beschreven) in wezen bevestigingsmiddelen met een diameter van 12 mm zijn met een M12-schroefdraad.

Tientallen gespecialiseerde opties laten ontwerpers korsetten specificeren die bijzonder geschikt zijn voor het machine- of productontwerp. Opties zijn onder andere die met:

• Rechthoekige en rechte lichamen
• Mannelijke en (veel vaker voorkomende) vrouwelijke draadgebonden bevestigingsgeometrie
• Afgeschermde en niet-afgeschermde internals
• Volledig geïntegreerde koordset en modulaire versies
• Lichtgewicht en gepantserde versies
• Diverse koppelingsmoerontwerpen en -constructies

Afgeschermde M12 QUICKON (IDC) connectors zijn een type M12-connector waarmee installateurs de aansluitingen van hun machine in het veld kunnen bedraden. (Bron video: Phoenix Contact)

Herziening van de M12-norm

M12connectors werden voor het eerst uitgebracht in 1982 als een niet-gestandaardiseerde 7⁄8 in. driepins connector voor een handvol toepassingen. Het unieke kenmerk van de connector was (en is in de meeste gevallen nog steeds) de koppelingsmoer - een behuizing aan het kabeleinde die axiaal is vergrendeld op het kabeleinde, maar vrij kan draaien - en daardoor in staat is om de bijpassende mannelijke of vrouwelijke bevestigingsgeometrie aan de kant van de houder vast te schroeven. Eerst werd de connector gestandaardiseerd door IEC 61076-2-101 voor gebruik met sensoren en actuatoren. In de loop van de volgende jaren werd de standaard uitgebreid met het definiëren van verschillende M12-codes (met details over pingeometrie en functievariaties) en twee kleinere formaten voor gebruik met zowel actuators als PLC's, schakelaars en I/O. Deze omvatten M8-connectors (gedefinieerd door IEC 61076-2-104 en met een 8-mm-bevestigingsdiameter) en M5-connectors (gedefinieerd door IEC 61076-2-105 en met een 5-mm-bevestigingsdiameter).

Afbeelding 1: De standaardisatie van de geometrie van de M12- en M8-connector levert veel voordelen op, waaronder de beschikbaarheid van gereedschappen om de installatie te versnellen. Een goed voorbeeld: Schroefachtige rateldrivers bieden plaats aan een conventionele 1/4-in. adapter waarmee de installateur snel connectors kan vastdraaien - inclusief ronde plug-in M12- en M8-connectors en aanpasbare M12F-, M8F- en M23-plug en -aansluitingen. (Bron afbeelding: Weidmüller)

De laatste iteratie van IEC 61076-2-010 (2020) bevat een van de grootste toevoegingen aan de norm in lange tijd - de toevoeging van ondersteuning en officiële definities van push-pull verbindingen. Kabelmaatschappijen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van de standaard zijn onder andere Molex, CONEC, Weidmüller, Phoenix Contact en HARTING. De belangrijkste sterke punten van push-pull M12-verbindingen zijn:

• Hoe ze de montagetijd drastisch verkorten (door de noodzaak van het vastschroeven van moeren en het controleren van het toegepaste koppel te elimineren)
• Hoe ze verbindingen maken die compacter zijn dan de traditionele M12-connectors.

Afbeelding 2: M12 push-pullconnectors klikken op hun plaats om zowel rechtopstaande als verzonken aansluitingen te verbinden. De 2020 editie van IEC 61076-2-010 definieert een push-pull M12 standaard die bedoeld is om de succesvolle toepassing van push-pull M12-connectors, die al op de markt zijn in eigen formaten, te vergroten. (Bron afbeelding: HARTING)

In feite definieert IEC 61076-2-010 2020 de geometrieën van zowel de binnenste vergrendelende subcomponenten op de vrouwelijke push-pullconnector helft als de buitenste vergrendelende subcomponenten op de mannelijke push-pull connector helft. Dat zorgt voor cross-compatibiliteit tussen kabelproducten.

Een andere verbindingsoptie

Niet te verwarren met de M12 push-pull optie is een andere ronde connector die wordt gebruikt in communicatie- en industriële HMI-randapparatuur - de miniatuur-DIN connector. DIN staat hier voor het Deutsches Institut für Normung - de overkoepelende normeringsorganisatie die de structuur en de aansluitingen binnen deze kabelklemmen definieert. Ze zijn afhankelijk van een storingsfitting (wrijving) tussen een huls aan het uiteinde van de kabel om bij de montage in het stopcontact te blijven steken. Deze 9,5 mm (3/8 in.) mini-DIN-connectoren worden geleverd met pin-arrays met drie, vier, vijf, zes, zeven, acht of negen elektrische connectoren die zijn gerangschikt om per ongeluk verkeerde aansluitingen te voorkomen met visueel vergelijkbare mini-DIN-kabels. In veel gevallen zullen leveranciers eigen kleurcodering toevoegen aan het kabeluiteinde en de machinezijde om de assembler te helpen de twee verbindingshelften uit te lijnen en de installatie wat eenvoudiger te maken.

Zowel de mini-DIN- als de M12-connectors hebben verschillende toepassingen waarvoor ze uitblinken. Er zijn echter meer niet-standaard mini-DIN-connectors op de markt - die zowel voor meer ontwerpvrijheid als voor verwarring kunnen zorgen. Bovendien zorgt de interferentiepasvorm van de mini-DIN-borgingshuls voor een snelle aansluiting en ontkoppeling. De schroefbevestiging van M12-connectors heeft daarentegen wel wat meer tijd nodig om te verbinden, maar is van nature veiliger.

M12-pintellingen en gecodeerde variaties

Afbeelding 3: M12-connectors zijn er in verschillende pintellingen en gecodeerde pintoewijzingen. Bij sommige sets wordt een koppelingsmoer (axiaal ingeklemd op het kabeleinde) vastgeschroefd op de mannelijke componentzijde van de houder. Oorspronkelijk hadden M12-connectors drie of vier pinnen; nu zijn ze verkrijgbaar met vijf, zes, acht of twaalf pinnen. (Bron afbeelding: EE World)

Naast het aantal pinnen zijn de M12-connectors ook gestandaardiseerd op code-versies. Dit definieert de pin-array, de kanalen en inkepingen om onjuiste paring te voorkomen, en het ontwerp van de elektromagnetische afscherming.

M12-connectors met A-codering zijn er in overvloed en worden nog steeds gebruikt voor netwerksensors en andere kleine apparaten die op gelijkstroom werken. B-gecodeerde M12-connectors zijn gebruikelijk in PROFIBUS-installaties. C-gecodeerde dual keyway (M12 Power) connectoren blinken uit in ontwerpen die de levering van ac-voeding aan kleine automatiseringscomponenten vereisen. D-gecodeerde M12-connectors ondersteunen 100 Mb/sec Ethernet en PROFINET-connectiviteit.

Nieuwere M12-codeversies bevatten K-gecodeerde en L-gecodeerde connectors die respectievelijk de voeding van ac en dc ondersteunen. Vergelijkbare opties zijn S-gecodeerde connectoren (die tot 690 V kunnen leveren aan draaiende ac-motoren) en T-gecodeerde M12-connectors voor gelijkstroom. Echter, X-gecodeerde M12-connectors hebben de meest dramatische stijging van het gebruik gezien om 10 Gb/sec industrieel Ethernet te ondersteunen, evenals de voeding van actuators zoals stappenmotors die gebruik maken van Power over Ethernet 802.3at (PoE+) connectiviteit. Deze laatste levert voldoende wattage om diverse actuators op vol vermogen te laten draaien.

Conclusie

Voorbij zijn de dagen dat de bekabeling en het fysieke netwerken van geautomatiseerde machines afhankelijk waren van het met de hand verdraaien, isoleren en testen van kale draden door leidingen die honderden uren nodig hadden om te installeren. De huidige M12-connectors (samen met andere innovaties op het gebied van bekabeling en een groeiende reeks gespecialiseerde snoeren) kunnen vaak de noodzaak voor gespecialiseerde technici om een installatie uit te voeren elimineren, terwijl ze toch een snelle, veilige en storingsvrije installatie mogelijk maken die gemakkelijk te vervangen is als dat nodig is. In feite maken M12-connectors deel uit van een grotere trend in de machine- en fabrieksautomatisering in de richting van eenvoudige, modulaire en niet-eigen oplossingen.