Steckverbinder vs. Festverkabelung

Jan 12, 2024

Steckverbinder bieten eine hervorragende mechanische Stabilität und sind mit mehreren Anschlussoptionen erhältlich. Sie können so konzipiert sein, dass sie Eindringen verhindern, Vibrationen und extremen Temperaturen standhalten und rauem Wetter standhalten. Foto mit freundlicher Genehmigung von Harting Inc.

Durch den Einsatz von Steckverbindern statt fester Verdrahtung wird die Montagezeit für Geräte und Schaltschränke vor Ort erheblich verkürzt. Foto mit freundlicher Genehmigung von Harting Inc.

Steckverbinder vereinfachen die Konstruktion, Montage und Wartung modularer Maschinen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Harting Inc.

Modulare Steckverbinder können so konfiguriert werden, dass sie Strom, Signale und Daten in einer Einheit übertragen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Harting Inc.

Der Han-GND-Stecker gewährleistet die sichere Erdung elektrischer Schaltkreise in tragbaren Maschinen oder bei Konzerten und anderen Veranstaltungen, bei denen Geräte vorübergehend aufgestellt werden. Damit lässt sich ein vollständiger Potentialausgleich in steckbarer Bauweise realisieren. Foto mit freundlicher Genehmigung von Harting Inc.

Für den Han-Yellock-Stecker sind lediglich männliche Crimpkontakte erforderlich. Die Leitung zwischen Kontakten erfolgt durch Multiplikatoren. Dadurch kann der Steckverbinder die Multiplikatorfunktion übernehmen, die zuvor von Klemmenblöcken im Inneren der Maschine übernommen wurde. Foto mit freundlicher Genehmigung von Harting Inc.

Gerätehersteller wechseln zunehmend von Punkt-zu-Punkt-Verkabelung zu steckerbasierten Kabelkonfektionen für Fabrikautomatisierungs- und Steuerungssysteme. Durch die Übernahme dieser Strategie konnten die Stückkosten und die Produktivität verbessert werden. Dadurch können sie Bestellungen viel schneller bearbeiten und Installationen abschließen. Die Strategie kommt auch ihren Kunden zugute, da sie ihre Gesamtbetriebskosten über die Lebensdauer der Maschine senken.

Das heutige Steckverbindersortiment umfasst benutzerfreundlichere und anwendungsspezifischere Optionen, die die Zuverlässigkeit und den Komfort weiter verbessern können. Steckverbinder bieten eine hervorragende mechanische Stabilität und sind mit mehreren Anschlussoptionen erhältlich. Sie können so konzipiert sein, dass sie Eindringen verhindern, Vibrationen und extremen Temperaturen standhalten und rauem Wetter standhalten.

Die meisten rechteckigen Steckverbinder sind modular und vom Benutzer konfigurierbar. Mit verschiedenen Einsätzen können sie für unterschiedliche Spannungen – zum Beispiel Signal und Leistung – oder Kombinationen verschiedener Übertragungsmedien, wie zum Beispiel Strom, Signal, Glasfaser, Koax, D-Sub und Pneumatikleitungen, konfiguriert werden. Aktuelle Innovationen wie Quick-Lock-Anschluss, Click-and-Mate-Montage und Twist-Top-Verriegelung machen Installation und Wartung schnell und einfach.

Die meisten Industrieanlagen enthalten umfangreiche elektrische Leitungen zwischen ihren Komponenten und Subsystemen. Wenn die Ausrüstung hergestellt wird, montiert und testet der Maschinenbauer sie normalerweise im Werk, zerlegt sie für den Versand und baut sie am Standort des Kunden wieder zusammen. Bei der Festverdrahtung bedeutet das, dass jede Verbindung für den Versand einzeln gelöst und beim Aufbau beim Kunden wieder hergestellt werden muss. Das ist arbeitsintensiv. Wenn bei der endgültigen Einrichtung Verkabelungsfehler auftreten, kann es beim Start zu Geräteschäden kommen. Zumindest führen solche Fehler zu weiteren Verzögerungen und zusätzlichen Kosten für die Diagnose und Korrektur.

Durch die Verwendung von Steckverbindern ist die Verkabelung einer Maschine eine vorgefertigte Aufgabe. Verkabelungen können als Kabelbaum entworfen, montiert und getestet und dann schnell in eine Maschine oder ein System integriert werden, sobald sie Gestalt annehmen. Für die Montage des Kabelbaums wird einige Zeit aufgewendet, die Installation nimmt dann aber nur einen Bruchteil der Zeit in Anspruch, die für die Festverkabelung erforderlich ist. Das Risiko von Verdrahtungsfehlern ist nahezu ausgeschlossen.

Die wachsende Beliebtheit von Steckverbindern ergänzt den Wandel hin zum modularen Maschinendesign. Die Modularisierung bietet im Vergleich zum traditionellen einheitlichen Designansatz erhebliche Effizienz- und Einsparpotenziale. Standardkomponenten wie Schalttafeln, Motorbaugruppen und Stromverteilerkästen können vorgefertigt, vorgetestet und dann in der Endbaugruppe mit Steckverbindern zusammengesteckt werden.

Hier ist ein Beispiel dafür, wie modulares Design und Steckverbinder ein Produkt sowohl für den OEM als auch für den Benutzer verbessern können: Ein französischer Hersteller industrieller Tintenstrahldruckmaschinen steigerte seinen Marktanteil und senkte gleichzeitig die Produktionskosten durch die Einführung eines modularen Designs und den Einsatz vorhandener Steckverbinder der Festverkabelung. Jedes Gerät verfügt über einen Druckkopf und eine Steuereinheit. Bisher wurden Glasfaserkabel, Pneumatikschläuche und elektrische Leitungen durch Ummantelungen geführt und fest mit dem Druckkopf und anderen Komponenten wie dem Tintenspender verbunden. Allerdings war das Auskuppeln des Druckkopfes ein großes Unterfangen. Durch die Integration all dieser Zuführungen in einen modularen Anschluss kann der Druckkopf jetzt schnell abgenommen und wieder angebracht werden, um Montage und Wartung zu beschleunigen.

Die gleichen Vorteile gelten für das gesamte Anlagenlayout. Anlageningenieure sind mit der Verwendung eines Kommunikationsbusses vertraut, dessen Abzweige von einem Hauptkabel ausgehen. Leistungs- und Steuersignale für Motoren können auf die gleiche Weise über Steckverbinder verteilt werden. Die Installation oder der Austausch eines Motors wird so zu einem Plug-and-Play-Vorgang mit geringen Ausfallzeiten und dem Risiko von Verdrahtungsfehlern.

Die Vorfertigung von Kabelbaugruppen mit Steckverbindern ermöglicht eine präzise und wiederholbare Messung der Kabellängen. Steckverbinderbasierte Kabelbäume können von schlechter bezahlten Mitarbeitern oder einem Auftragnehmer statt von einem Elektriker montiert werden, was ebenfalls Kosten spart. Bei der Installation benötigen die Kabelbäume kaum oder gar keine starren oder halbstarren Leitungen, die die Punkt-zu-Punkt-Verkabelung vor Beschädigungen schützen. Da der Strom- und Signalbedarf innerhalb einer Maschine häufig variiert, kann ein einzelner Anschluss so konfiguriert werden, dass er unterschiedliche Gleichspannungen oder sowohl Wechsel- als auch Gleichstrom unterstützt. Die Alternativen, wie die Montage mehrerer Reihenklemmen innerhalb eines Schaltschranks, erfordern zusätzlichen Arbeits- und Materialaufwand und nehmen mehr Platz ein.

Ein weiteres Beispiel dafür, wie Steckverbinder Geld sparen können, ist unser neuer Han-Yellock-Stecker, der nur männliche Crimpkontakte benötigt. Die Leitung zwischen Kontakten erfolgt durch Multiplikatoren. Eine elektrische Einspeisung kann bis zu fünf Kontakte versorgen. Dadurch kann der Steckverbinder die Multiplikatorfunktion übernehmen, die zuvor von Klemmenblöcken im Inneren der Maschine übernommen wurde. Das Steckergehäuse kann von beiden Seiten bestückt werden, sodass die gesamte Steckerschnittstelle – Haube und Gehäuse – nach dem vollständigen Zusammenbau der Maschine von außen montiert werden kann. Das bedeutet, dass der Steckverbinder von einem Installateur statt von einem Elektriker montiert werden kann, was Kosten spart.

Durch den modularen Aufbau und die steckerbasierte Verkabelung kann die Maschine in kleineren Teilen an den Kunden geliefert werden, was die Transportkosten und das Risiko von Beschädigungen reduziert. Eine schnellere Montage vor Ort mit deutlich geringerem Risiko von Verdrahtungsfehlern führt zu erheblichen Kosteneinsparungen für den OEM. Fehlerbehebung und Wartung werden gleichermaßen beschleunigt. Während der Garantiezeit bedeutet dies einen Kostenvorteil für den OEM und einen Vorteil für den Endbenutzer in Form reduzierter Ausfallzeiten bei geplanten und außerplanmäßigen Wartungsarbeiten.

Warum verwenden einige OEMs angesichts dieser Vorteile immer noch festverdrahtete Verbindungen? Für manche ist der Gedanke, ihren Herstellungsprozess zu ändern, entmutigend. Andere können die Kosten für die Montage eines festverdrahteten Systems vor Ort möglicherweise nicht vollständig einschätzen. Sie sagen, dass Steckverbinder ein zusätzlicher Artikel auf der Materialliste seien und ihre Kunden ausschließlich auf der Grundlage des niedrigsten Preises auf dem Aufkleber kaufen.

Doch die meisten OEMs, die den Einsatz von Festverdrahtung und Steckverbindern vergleichen, stellen fest, dass Steckverbinder ihnen Zeit und Geld sparen, insbesondere wenn die vollen Kosten für die Herstellung festverdrahteter Verbindungen berücksichtigt werden. Im Gegensatz zur steckerbasierten Verkabelung, bei der die meisten Kosten im Voraus anfallen, fallen die mit der Festverkabelung verbundenen Kosten aufgrund der Möglichkeit von Verkabelungsfehlern immer wieder an und sind oft unvorhersehbar.

Jeder Hersteller hat unterschiedliche Arbeits- und Gemeinkosten, aber eine Zeitstudie, die von einem Unternehmen durchgeführt wurde, ergab, dass sich die vollständig zugewiesenen Kosten für die Festverdrahtung jedes Paars von Verbindungspunkten an einem komplexen Gerät auf etwa 80 US-Dollar beliefen, wenn dies intern durchgeführt wurde. Die Erfahrung zeigt, dass unabhängig von den Kosten, die einem Unternehmen für die Festverkabelung im eigenen Haus entstehen, für die Herstellung solcher Verbindungen vor Ort, für Installationen oder für Garantieleistungen und Reparaturen ein Aufpreis von etwa 30 Prozent anfällt.

Viele OEMs wiederholen, was diese nordamerikanischen Unternehmen nach der Umstellung auf Steckverbinder festgestellt haben:

Ein Hersteller von Papierförderern für kommerzielle Druckmaschinen hatte vor der Endprüfung mehr als 200 Drähte fest mit dem Steuerkasten jeder Einheit verbunden. Dieser Vorgang kann bis zu vier Arbeitstage pro Einheit dauern. Durch die Umstellung auf sechs modulare Steckverbinderbaugruppen in einer Plug-and-Play-Lösung konnte diese Zeit um bis zu 2,5 Tage verkürzt werden. Die Steckverbinder kosteten 1.400 US-Dollar pro Einheit, aber die Einsparungen von 3.500 US-Dollar an Arbeits- und Zeitkosten ermöglichten es dem Unternehmen, seine Produktionsrate zu steigern.

Ein Hersteller von großen Materialtransportkranen zerlegt jeden einzelnen Kran, um ihn an den Kunden zu versenden, wo er wieder zusammengebaut wird. Durch den Übergang von Festverdrahtung zu Hybridsteckverbindern verkürzte sich die Installationszeit vor Ort von Wochen auf nur 3 bis 4 Stunden. Bei der Ersteinrichtung vor Ort berechnete der Hersteller, dass die Gesamtkosten für die Verwendung von Steckverbindern durchschnittlich 622 US-Dollar niedriger ausfielen (12.540 US-Dollar für die steckerbasierte Verkabelung, 13.162 US-Dollar für die Festverdrahtung). Wenn jedoch während der Installation Fehler bei der Verdrahtung auftraten, verdoppelten sich die Kosten auf 26.325 US-Dollar, was einer Gesamtersparnis von etwa 13.000 US-Dollar durch den Einsatz von Steckverbindern entspricht.

Ein Hersteller großer automatisierter Schweißmaschinen verdrahtete mehr als 300 Kontakte pro Einheit. Es dauerte eine Woche, eines zu bauen und zu testen, dann mehrere Tage, um es abzubauen und eine weitere Woche, um es beim Kunden wieder zusammenzubauen. Durch die Umstellung auf steckbare Steckverbinder wird die Verkabelungszeit erheblich verkürzt, was zu erheblichen Einsparungen bei den Arbeitskosten führt. Jetzt ist jeder Schritt, der früher eine ganze Woche dauerte, in weniger als einem Tag erledigt.

Ein Hersteller von Förderbändern für die Lebensmittel- und Getränkebranche musste ein IP67-konformes Produkt entwickeln, das rauen Bedingungen wie Abwaschungen standhält. Durch die Einführung einer steckerbasierten Baugruppe konnte das Unternehmen die Installationszeit und Wartungsausfallzeiten reduzieren und den Durchsatz des Förderers um 15 Prozent steigern. Die Kosteneinsparungen wirkten sich direkt auf das Endergebnis aus.

Ein Hersteller von akustischen Mikroskopen zur Analyse der Integrität von Halbleitern plante ein neues Modell, das 120 Anschlüsse mit unterschiedlichen Spannungen erfordert. Das Ziel war eine Maschine mit geringem Platzbedarf, doch den Ingenieuren fehlte der Innenraum für eine so aufwändige Energieverteilung. Durch die Umstellung auf zwei Hochleistungssteckverbinder mit jeweils 60 Pins konnten sie die Innenverkabelung rationalisieren, den gewünschten Platzbedarf erreichen und Geld sparen. Interne Kabelbündel wurden eliminiert und es waren weniger Metallverkleidungen erforderlich.

Das heutige Steckverbinderportfolio bietet Ingenieuren unübertroffene Flexibilität. Steckverbinder sind in verschiedenen Größen erhältlich, bestehen aus einer Reihe beschichteter und unbeschichteter Metalle und Kunststoffe und verfügen über unterschiedliche Kabeleinführungswinkel und Anschlusstechnologien. Es gibt Modelle, die für bestimmte Designziele entwickelt wurden, beispielsweise schlanke Modelle, die in enge Räume passen. Viele rechteckige Steckverbinder bieten einfache Anschlussoptionen, die schnell, einfach und sicher von Installateuren und nicht von Elektrikern mit üblichen Werkzeugen wie einem Schraubendreher durchgeführt werden können.

Normalerweise gibt es für jeden Auftrag mehrere Optionen, sodass der OEM die geeignete Kombination aus Leistungsfähigkeit, Komfort, Preis und sogar Ästhetik bestimmen kann.

Harting hat den rechteckigen Steckverbinder in den 1950er Jahren erfunden und populär gemacht und ist ein weltweit führender Anbieter von robusten Industriesteckverbindern. Rechteckige und quadratische Steckverbinder sind skalierbarer, konfigurierbarer und anpassbarer als runde.

Mit unserem Han-Modular-System können Kunden beispielsweise einen kundenspezifischen Steckverbinder mit Standardkatalogkomponenten bauen. Mit mehr als 40 zur Auswahl stehenden Einsätzen erleichtert der Steckverbinder die Erstellung modularer Maschinendesigns. Diese Einsätze sind für den Transport spezifischer Strom-, Signal- oder Datenlasten sowie anderer Übertragungsmedien, einschließlich Glasfaser-, D-Sub-, Koax- und Luftleitungen, konzipiert. Der Steckverbinder hält auch anspruchsvollen Umgebungsbedingungen wie Schmutz, Staub, Feuchtigkeit, großen Temperaturschwankungen, Sonneneinstrahlung, Spannung und Vibration stand. Module können Ströme von einigen Milliampere bis 200 Ampere, Spannungen bis zu 5.000 Volt und abgeschirmte Bussignale verarbeiten.

Immer mehr Steckverbinder werden für spezielle Situationen konzipiert. Diese basieren auf Standard-Steckverbinderprodukten, sind jedoch für bestimmte Betriebsbedingungen oder Anforderungen optimiert, wie z. B. raues Wetter, extreme Hitze, korrosive Umgebungen, hohe Spannungen oder elektromagnetischer Schutz. Es gibt Modelle, die für hohe Steckzyklen in Prototyping- und Testszenarien optimiert sind, sowie Edelstahlmodelle für hygienische Anwendungen, etwa in der Lebensmittel- oder Pharmaproduktion. Diese und andere Spezialversionen sind in Standardgrößen erhältlich und können im Allgemeinen Standardstecker ersetzen, ohne dass Änderungen am Design der Maschine erforderlich sind.

Cory Jenkins, Senior Product Manager, Harting Inc., Elgin, IL