Ratgeber
Input-/Output-Module verbinden Sensoren und Aktoren mit Steuerungssystemen und ermöglichen eine Kommunikation über analoge oder digitale Signale. Sie nehmen im Zusammenhang mit Feldbussystemen eine Schlüsselposition ein und spielen in der industriellen Automatisierung eine wichtige Rolle. In unserem Ratgeber erfahren Sie, welche Feldbussysteme am gebräuchlichsten sind, was I/O-Module leisten und worauf bei der Auswahl zu achten ist.
Die Industrie 4.0 verlangt nach einer flexiblen und zuverlässigen Kommunikation. Um diese zu ermöglichen, kommen Feldbussysteme zum Einsatz. Erste Versionen davon wurden schon in den 1980er Jahren entwickelt, um den steigenden Anforderungen, die sich durch die fortschreitende industrielle Automatisierung ergaben, gerecht zu werden. Ein Feldbus dient dazu, einen Datenaustausch zwischen Systemkomponenten zu ermöglichen. Dazu verbindet er externe Sensoren und Aktoren wie Motoren, Antriebe, Instrumente oder Schalter, die auch unter dem Begriff Feldgeräte zusammengefasst werden, mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Rechnern. Im Gegensatz zur Parallelverdrahtung, die zu früherer Zeit üblich war, um Kommunikationsteilnehmer mit der Regel- und Steuerebene zu verknüpfen, und einen erheblichen Verkabelungsaufwand verursachte, kommen Feldbussysteme mit nur einem Kabel aus.
Eine Schlüsselposition in dem Zusammenhang nehmen Input-/Output-Module (kurz: I/O-Module oder auch IO-Module) ein, denn sie sind es, die komplexe Verkabelungen überflüssig machen. Eingesetzt werden I/O-Module, um Messsignale umzuwandeln und auf einen Bus (Binary Unit System) zu übertragen. Dazu verfügen sie im Regelfall über mehrere analoge und/oder digitale Eingänge sowie mehrere analoge und/oder digitale Ausgänge. Ohne I/O-Module müssten am Ausgang jedes Sensors mindestens zwei Kabel zu einer Steuerung oder einem Rechner verlegt werden. Beim Anschluss eines einzelnen Sensors wäre der Aufwand bei der Verkabelung noch übersichtlich, anders verhält es sich jedoch, wenn 50 oder 100 Sensoren an einen Bus angeschlossen werden sollen. In solchen Situationen macht sich die Architektur von Feldbussystemen bezahlt. Durch den Einsatz von I/O-Modulen führt allein der Bus zur Steuerung, während die Sensoren lediglich mit zwei kurzen Drähten an das Modul angeschlossen werden.
Feldbussysteme sind im Bereich der Automatisierungstechnik kaum wegzudenken und Bestandteil zahlreicher industrieller Anlagen. Grund dafür ist, dass sie erheblich zur Prozessoptimierung und Effizienzsteigerung beitragen. Ein Feldbus ist ein serielles Bussystem, das den Informationsaustausch von Sensoren und Aktoren untereinander sowie mit Steuerungssystemen oder Rechnern ermöglicht. Dazu wird über eine Busleitung eine Datenverbindung von einem Rechner oder einer Steuerung zu unterschiedlichen Teilnehmern hergestellt. Die meisten Feldbussysteme arbeiten nach dem Master-Slave-Verfahren. Während der Master die Prozesssteuerung übernimmt, sind die Slaves dafür zuständig, die ihnen zugewiesenen Kommunikationsaufgaben zu erfüllen. Da Feldbussysteme nicht nur analoge, sondern auch digitale Signale übertragen, können die Teilnehmer über große Distanzen hinweg Daten austauschen.
Die Eigenschaften eines Feldbussystems werden maßgeblich von dessen physischen Ebene, also der zugrundeliegenden Hardware (CAN, Ethernet, RS-485 etc.), und der Protokollebene bestimmt. So hängen von der Hardware unter anderem die Länge der Busleitung und die Übertragungskapazität ab. Das verwendete Protokoll gibt vor, welche Nachrichten und Funktionen Master und Slaves zur Verfügung stehen. Feldbussysteme unterscheiden sich im Hinblick auf die zugrundeliegende Hardware- und Protokollebene. Zu den gebräuchlichsten Varianten gehören CAN, EtherCAT und Profibus.
Der von Bosch entwickelte CAN-Bus (Controller Area Network) wurde speziell für die Vernetzung einer großen Anzahl von Steuergeräten konzipiert. Es handelt sich dabei um eine serielle Linien-Topologie, bei der ein Twisted-Pair-Kabel mit einer Impedanz von 120 Ohm als Übertragungsmedium verwendet wird. Hinsichtlich der Übertragungsgeschwindigkeit unterscheidet man zwischen Highspeed (1 Mbit/s) und Lowspeed (125 kbit/s). Die maximale Geschwindigkeit ist von der Leitungslänge abhängig: Um eine Geschwindigkeit von 1 MBit/s zu erreichen, darf die Leitung nicht länger als 40 Meter sein. 250 kbit/s sind bis zu einer Länge von 130 Metern möglich, während es bei einer Übertragungsgeschwindigkeit von 125 kbit/s bereits 530 Meter sein dürfen. In Verbindung mit CAN ist häufig von CANopen die Rede: Dabei handelt es sich um ein auf CAN aufbauendes Kommunikationsprotokoll, das überwiegend im Bereich der Automatisierung und für industrielle Zwecke zum Einsatz kommt.
Das von der Firma Beckhoff entwickelte EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ist ein auf Ethernet basierendes Feldbussystem. Die Vorteile dieses Standards sind die besonders kurzen Durchlaufzeiten, weswegen sich EtherCAT auch für zeitkritische und Echtzeit-Anwendungen eignet. Profibus (Process Field Bus) wurde mit Unterstützung von Siemens entwickelt und bietet den Vorteil, dass Geräte verschiedener Hersteller ohne vorherige Anpassung der Schnittstellen miteinander kommunizieren können. Das System ist ähnlich wie EtherCAT insbesondere für zeitkritische Aufgaben geeignet. Profibus ist in den Bereichen der Fertigungs- und Prozessautomatisierung weit verbreitet.
Hardware- und Protokollebene schließen einander nicht aus. So arbeiten beispielsweise die Feldbussysteme CANopen und DeviceNet, das hauptsächlich im US-amerikanischen und asiatischen Raum verwendet wird, mit dem gleichen physikalischen Medium (CAN), aber mit verschiedenen Protokollen. Umgekehrt gibt es Protokolle, die in Feldbussysteme mit unterschiedlicher Hardware implementiert werden können. Ein Beispiel dafür ist das Modbus-Protokoll. Es wurde bereits 1979 entwickelt, ist aber nach wie vor Standard in der Industrie. Das offene Protokoll verwendet bei der Datenübertragung drei mögliche Betriebsarten: Bei Modbus RTU (Remote Terminal Unit) wird eine serielle Master-Slave-Kommunikation über RS-232 oder RS-485 etabliert. Bei Modbus TCP (Transmission Control Protocol) erfolgt die Kommunikation dagegen über eine Client-Server-Struktur. Wie bei einem lokalen Computer-Netzwerk müssen sich bei Modbus TCP alle Teilnehmer im gleichen IP-Bereich befinden. Zu guter Letzt gibt es noch Modbus ASCII, das statt eines Binärcodes eine ASCII-Zeichenfolge überträgt, die direkt gelesen werden kann. Der Datendurchsatz fällt im Allgemeinen geringer aus als bei Modbus RTU.
Bei der Auswahl von I/O-Modulen sind einige Faktoren zu beachten. Zunächst einmal muss die Kompatibilität zum vorliegenden Feldbussystem gegeben sein. In dem Zusammenhang spielen die vorhandenen Schnittstellen und die unterstützten Protokolle eine Rolle. Des Weiteren ist wichtig zu wissen, ob das Modul für die Aufputz- oder Unterputzmontage vorgesehen ist, innerhalb einer Maschine oder auf der Hutschiene im Schaltschrank verbaut wird. Darüber hinaus ist sicherzustellen, dass ausreichend viele digitale und/oder analoge Eingänge sowie digitale und/oder analoge Ausgänge vorhanden sind. Relevant ist auch, ob mit dem Modul ein oder mehrere Relais geschaltet werden sollen, denn nicht jedes ist von Hause aus mit Relais-Ausgängen ausgestattet.
Art und Anzahl der Eingänge und Ausgänge sind nicht die einzigen Kriterien, die im Hinblick auf die Ausstattung eines I/O-Moduls von Bedeutung sind. Je nach Anwendung kann es erforderlich sein, dass zusätzliche Schnittstellen wie USB oder Ethernet zur Verfügung stehen. Manche I/O-Module haben digitale Eingänge mit Zählfunktion, was sich als praktisch erweist, wenn Frequenzen gemessen werden sollen. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Eingänge und Ausgänge individuell parametrierbar sind. Empfehlenswert sind I/O-Module mit integrierten Status-LEDs, die den Zustand von jedem Eingang und Ausgang anzeigen und es erleichtern, Fehler ausfindig zu machen. Das verringert Wartungsaufwand und Stillstandzeiten.
Die meisten I/O-Module erfordern eine Spannungsversorgung von 24 V DC. Manche Ausführungen können aber auch mit unterschiedlich hohen Spannungswerten sowie Gleich- und Wechselspannung arbeiten, was mehr Flexibilität im Hinblick auf die jeweiligen Anwendungen eröffnet. Sicherheitsfeatures wie kurzschlussfeste und galvanisch vom System getrennte Eingänge und Ausgänge sowie ein integrierter Verpolungsschutz, der Schäden am Modul durch eine falsch angelegte Spannungsquelle verhindert, sind in jedem Fall sinnvoll. Zudem ist beim Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen auf eine robuste Bauweise, einen geeigneten IP-Schutz und einen ausreichend dimensionierten Temperaturbereich zu achten, in dem das Modul betrieben werden kann.
Bei der Inbetriebnahme von I/O-Modulen ist darauf zu achten, dass jeder Anschlusspin nur bis zur maximal zulässigen Stromstärke belastet wird. Außerdem müssen der Stromverbrauch der Module sowie der Stromverbrauch der angeschlossenen Sensoren und Aktoren berücksichtigt werden. Auch die Kabellänge ist zu prüfen. Je höher sie ausfällt, desto eher ist mit Leitungsverlusten, Fehlern und Störungen zu rechnen.
Was ist ein Remote-I/O-System?
Über ein Remote-I/O-Modul ist eine Fernabfrage oder eine Schaltung auch über weite Entfernungen hinweg möglich. Die Anbindung erfolgt über Ethernet oder eine Internetverbindung.
Was versteht man unter einem Gateway?
Ein Gateway dient dazu, Netzwerke zu verbinden, die mit unterschiedlichen Transport- und Kommunikationsprotokollen arbeiten. Zudem ermöglicht es eine Signalübertragung zwischen verschiedenen Feldbussystemen.
Kann man mit einem I/O-Modul PWM-Motoren ansteuern?
Ja. Es gibt Module, die mit speziellen digitalen Ausgängen zur Ansteuerung von PWM-Motoren ausgestattet sind.
Was unterscheidet digitale und analoge Signale?
Analoge Signale sind stufenlos und kontinuierlich. Sie können sich im Lauf der Zeit verändern und mehr als nur eine eindeutige, sondern theoretisch sogar unendlich viele Informationen liefern. Digitale Signale stellen dagegen diskrete Werte dar, die eindeutig identifizierbar sind. Das liegt darin begründet, dass es sich um Binärinformationen handelt und jede Binärzahl (0/1) einen bestimmten Zustand bezeichnet. Digitale und analoge Signale entscheiden sich auch im Hinblick auf ihre Störanfälligkeit. Analoge Normsignale (mit Stromstärken von 0 bis 20 mA und 4 bis 20 mA) sind sehr empfindlich gegenüber externen Störgrößen, was gerade in industriellen Umgebungen von Nachteil ist. Digitale Signale sind robuster und können auch über lange Distanzen zuverlässig übertragen werden.