Stecker und Steckverbinder für Sensorleitungen

Stecker, Steckverbinder und Sensorkabel beeinflussen die Zuverlässigkeit und Effizienz von Systemen in der modernen Industrieautomation. Doch welche Arten von Sensoren gibt es und wie wählt man das passende Sensorkabel? Wie wird die Verbindung von Sensorsteckverbindern optimal umgesetzt, um eine sichere Datenübertragung zu gewährleisten? In diesem Blogbeitrag gehen wir auf die verschiedenen Steckverbindertypen ein, beleuchten häufig verwendete Stecker und erläutern einige Varianten der Codierung von M12-Sensorsteckern - alles, was Sie wissen müssen, um die richtige Verbindung für Ihre Anwendungen zu wählen.

Was sind Sensorleitungen bzw. Sensorkabel?

Ein Sensorkabel ist eine elektrische Verbindung zwischen einem Sensor und einer Steuerung oder einem anderen Auswertesystem. Es überträgt Messsignale und Versorgungsspannung und muss dabei je nach Anwendung gegen äußere Störeinflüsse wie elektromagnetische Felder, mechanische Belastung oder chemische Einwirkungen geschützt sein. Sensorkabel gibt es in verschiedenen Ausführungen, z.B. geschirmt für störsichere Analogsignale, mehradrig für digitale Bussysteme oder hochflexibel für bewegte Anwendungen. Sie sind oft mit standardisierten Steckverbindern wie M8 oder M12 ausgestattet, um eine einfache und sichere Installation zu ermöglichen. Die richtige Wahl eines Sensorkabels hängt von der Anzahl der benötigten Adern, der Signalart, den Umgebungsbedingungen und den mechanischen Anforderungen ab. Wie Sensorkabel mit weiteren mechanischen Komponenten in einem Gesamtsystem zusammenspielen, zeigt unser Blogbeitrag über mechanische Komponenten in der Automatisierung.

Arten von Sensoren nach Ausgabesignal

Sensoren lassen sich anhand ihrer Ausgabeart in verschiedene Kategorien einteilen.

Analoge Sensoren liefern ein kontinuierliches Ausgangssignal, das direkt proportional zur gemessenen physikalischen Größe ist. Das Signal kann in Form von Spannung (0-10 V) oder Strom (4-20 mA) ausgegeben werden. Beispiele hierfür sind Drucksensoren, Temperatursensoren oder Abstandssensoren.

Digitale Sensoren hingegen geben ihre Messwerte als Datenpakete über serielle Schnittstellen oder Feldbussysteme aus. Dadurch können sie nicht nur Messwerte übermitteln, sondern auch Statusinformationen und Diagnosedaten senden. Hierzu gehören u.a. CAN-Bus-Sensoren oder Ethernet-basierte Sensoren.

Binäre Sensoren wiederum liefern ein Ein/Aus-Signal (0 oder 1), das üblicherweise plusschaltend als PNP-Schaltausgang oder negativschaltend (Masse geschaltet) als NPN-Schaltausgang realisiert ist. Sie reagieren auf eine bestimmte physikalische Größe und schalten entweder ein oder aus, ohne Zwischenwerte zu liefern. Dazu zählen beispielsweise induktive Näherungssensoren oder kapazitive Sensoren.

Unser Artikel über Sensorik - Auswahl und Bedeutung für die Automatisierungstechnik vertieft das Thema Sensorauswahl in der Automatisierung und bietet eine ideale Ergänzung zu den hier vorgestellten Sensortypen.

Richtige Auswahl von Sensorkabeln

Sensoren liefern wertvolle Messdaten, die für die Steuerung und Überwachung industrieller Prozesse unerlässlich sind. Doch damit diese Signale zuverlässig und störungsfrei an Steuerungen, Displays oder Netzwerke übertragen werden, ist die Wahl des passenden Sensorkabels ebenso wichtig wie der Sensor selbst. Je nach Anwendung variieren Sensorkabel in ihrer Aderanzahl, Isolierung und Abschirmung, um den spezifischen Anforderungen gerecht zu werden.

Die Anzahl der Adern in einem Sensorkabel hängt von der Art des Sensors und dessen Ausgangssignal ab, wobei einfache binäre Sensoren weniger Adern benötigen als digitale oder analoge Messsysteme. Die Isolierung spielt eine wichtige Rolle für die mechanische Belastbarkeit und Temperaturbeständigkeit, insbesondere in anspruchsvollen Industrieumgebungen. Um eine störungsfreie Signalübertragung zu gewährleisten, sind viele Sensorkabel zusätzlich abgeschirmt. So sollen elektromagnetische Störeinflüsse minimiert werden. Je nach Anwendungsbereich werden Sensorkabel speziell konstruiert, um den Anforderungen an Flexibilität, chemische Beständigkeit und mechanische Belastung gerecht zu werden. So stellen sie eine zuverlässige und langlebige Verbindung zwischen Sensoren und Steuerungssystemen sicher.

Verbindung von Sensorsteckverbindern und Sensorkabeln

Sensorsteckverbinder dienen der Verbindung von Sensorkabeln sowie der sicheren Verbindung des Sensorkabels mit dem Sensor oder der Steuerung. Sie ermöglichen eine schnelle und sichere Verbindung sowie Trennung der Kabel ohne Gefahr von Beschädigungen oder unsachgemäßer Verdrahtung. Sensorsteckverbinder werden je nach Anwendung in verschiedenen Ausführungen angeboten, z.B. für die Schraub- oder Schnellverschluss-Technik. Sie sind oft geschützt gegen Feuchtigkeit, Staub oder andere Umwelteinflüsse. In vielen Fällen ermöglichen Sensorsteckverbinder eine vereinfachte Einbindung der Bauteile, was besonders in der Wartung oder beim Austausch von Komponenten wichtig ist.

Grundsätzlich werden zwei wesentliche Verbindungstypen unterschieden: Wire-to-Wire und Wire-to-Board. Bei einer Wire-to-Wire-Verbindung handelt es sich um die Verbindung zweier Kabel über einen Steckverbinder - häufig in modularen Verkabelungssystemen eingesetzt, bei denen Kabelstränge zwischen verschiedenen Geräten oder Komponenten verlust- und störungsfrei verbunden werden müssen. Hier kommen in der Praxis insbesondere Crimpverbindungen zum Einsatz, bei denen die Leiter des Kabels mit Kontakten verpresst und anschließend in ein Steckergehäuse eingesetzt werden. Diese Methode ermöglicht eine steckbare, mechanisch belastbare Verbindung, wie sie bei M8- und M12-Steckverbindern weit verbreitet ist. Alternativ werden auch Schraubklemmen genutzt, die insbesondere bei Wire-to-Wire-Lösungen als wieder lösbare Verbindung geschätzt werden.

Bei einer Wire-to-Board-Verbindung hingegen wird ein Sensorkabel direkt mit einer Leiterplatte (PCB) verbunden - entweder durch einen passenden Steckverbinder oder durch direkte Kontaktierung der Adern mit Lötpads oder Klemmen auf der Platine. In diesen Anwendungen kommen vor allem Klemmanschlüsse zum Einsatz, die eine schnelle und werkzeuglose Montage ermöglichen. Für besonders kompakte oder dauerhaft stabile Verbindungen wird in diesem Kontext häufig auch gelötet, etwa wenn Platzmangel oder mechanische Ruhe eine fest verlötete Lösung erfordern.

Häufig verwendete Typen von Sensorsteckern

Rundsteckverbinder sind die am häufigsten verwendeten Steckertypen für industrielle Sensoren, da sie eine kompakte, robuste und standardisierte Lösung bieten. Besonders die M8-Sensorstecker und M12-Sensorstecker haben sich als Industriestandards etabliert, da sie für verschiedene Signalarten geeignet sind und hohe Schutzklassen für raue Umgebungen bieten.

Der M8 Stecker ist mit einem Durchmesser von 8 mm kleiner und kompakter und eignet sich daher hervorragend für Anwendungen, bei denen der Platz begrenzt ist, wie etwa bei kleinen, kompakten Sensoren. In der Regel sind M8-Stecker für Sensoren mit weniger Adern (häufig 3 oder 4) und geringeren Leistungsanforderungen konzipiert, wie sie bei einfachen digitalen oder analogen Messungen vorkommen. Der M12 Sensorstecker ist mit einem Durchmesser von 12 mm deutlich robuster und bietet mehr Platz für zusätzliche Adern (Pins), was ihn zu einem universellen Standard für eine Vielzahl von Sensoren macht. M12-Steckverbinder können teils auch für höhere Ströme und Signalstärken eingesetzt werden, da sie abhängig von der Anzahl der Leiter einen größeren Leiterquerschnitt ermöglichen. M12-Steckverbinder sind in vielen Konfigurationen und Kodierungen verfügbar und international vermutlich die am weitesten verbreitete Variante von Steckverbindern. Gleichzeitig überzeugen sie durch eine kompakte Bauform und diverse geschirmte Ausführungen.

M12-Stecker - Belegung, Farben, Normen

Der M12-Stecker ist der Industriestandard für Sensoren, Aktoren und Bussysteme in der Automatisierungstechnik. Er bietet eine kompakte, robuste und zuverlässige Verbindung für analoge und digitale Signale sowie industrielle Netzwerke. Durch seine vielfältige Codierung (A-, B-, D-, X-Codierung) eignet sich der M12-Stecker sowohl für klassische Sensor-Aktor-Verbindungen als auch für Datenkommunikation in Ethernet- und Feldbus-Systemen. Ein wesentlicher Faktor für eine sichere Verdrahtung ist die korrekte Belegung und Farbcodierung der Kontakte, die je nach Signaltyp variiert. Um eine standardisierte und fehlerfreie Installation zu gewährleisten, sind M12-Stecker durch internationale Normen wie DIN EN 61076-2-101 reguliert. Die DIN EN 61076-2-101 definiert insbesondere die mechanischen, elektrischen und umwelttechnischen Anforderungen an Steckverbinder, die in automatisierten Systemen und Maschinen verwendet werden.

Codierung am Beispiel von M12-Steckern

Damit Steckverbinder nicht versehentlich falsch gesteckt werden, sind sie mechanisch kodiert. Die Kodierung bestimmt, für welche Signalart oder Kommunikationsschnittstelle der Stecker geeignet ist.

• M12 A codiert: M12-Steckverbinder mit A-Codierung sind der Standard für Sensoren und Aktoren in der Industrieautomation. Sie werden häufig für analoge und digitale Signale sowie für IO-Link-Kommunikation verwendet. Die A-codierten M12-Stecker sind in unterschiedlichen Varianten erhältlich und bieten eine zuverlässige und robuste Verbindung für industrielle Umgebungen, wie zum Beispiel im Maschinen- und Anlagenbau sowie der Robotertechnik.
• M12 B codiert: M12-Steckverbinder mit B-Codierung werden hauptsächlich für Feldbus-Kommunikation, insbesondere Profibus und serielle Schnittstellen (RS485), genutzt. Sie sind in der Regel 4- oder 5-polig und sorgen für eine sichere, störungsfreie Datenübertragung in vernetzten Automatisierungssystemen. Durch die mechanische Codierung wird sichergestellt, dass sie nicht mit anderen M12-Varianten verwechselt oder falsch gesteckt werden können.
• M12 D codiert: D-codierte M12-Steckverbinder sind speziell für Industrial Ethernet und Profinet konzipiert und ermöglichen eine Datenübertragung von bis zu 100 Mbit/s. Mit vier Polen sind sie ideal für die Netzwerkanbindung von Sensoren, Aktoren und Steuerungen in industriellen Anwendungen. Dank ihrer häufig hohen Schutzklasse sind sie resistent gegen Feuchtigkeit, Staub und mechanische Belastungen.
• M12 X codiert: M12-Stecker mit X-Codierung sind für hochgeschwindige Ethernet-Anwendungen mit Gigabit-Datenübertragung (bis zu 10 Gbit/s) ausgelegt. Durch ihre 8-polige Belegung und optimierte Schirmung eignen sie sich besonders für Industrie 4.0 und Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation. Sie bieten eine sichere und zuverlässige Lösung für moderne Automatisierungs- und Netzwerksysteme in rauen Industrieumgebungen.

Neben diesen häufig verwendeten Codierungen gibt es weitere M12-Steckervarianten wie C-, S-, T-, L- und Y-Codierungen, die speziell für Wechselstrom- und Gleichstromversorgung, Hybridlösungen oder besondere industrielle Anwendungen entwickelt wurden.