Der Grundaufbau von Messketten in lebensmitteltechnischen Anlagen hat sich etabliert und wird seit Jahren in ähnlicher Form angewendet. Meist sind viele verschiedene Sensoren und Aktoren notwendig, um sämtliche Prozesse zu erfassen, zu überwachen und zu automatisieren. Die unterschiedlichen Feldsignale werden zunächst in dezentralen Feldboxen gesammelt, danach über Stammkabel zu einer zentralen Marshalling-Ebene geführt und von dort gemäß ihrer Signalart sortiert und zusammengefasst. Darauf folgt die Signalaufbereitung über analoge und digitale Interface-Bausteine in einer gesonderten Ebene. Klassisch kommen hier Trennverstärker und Messumformer zum Einsatz, die die Feldsignale galvanisch zur Steuerung trennen, Messsignale umwandeln und verstärken sowie Störsignale herausfiltern. Zudem findet dort die Ex-Trennung statt, also die Separierung von explosionsgeschützten Messkreisen nach der Zündschutzart Eigensicherheit und nicht eigensicheren Messkreisen. Die so aufbereiteten Signale werden über Systemverkabelungen an DCS-Systeme und signalspezifische I/O-Karten angebunden.
Klassische vs. Universal-I/O-Systeme
Der beschriebene Grundaufbau führt wegen fehlender Flexibilität, starrer Strukturen und des großen Installations- und Inbetriebnahmeaufwands aber immer wieder zu Verzögerungen und wachsenden Kosten im Gesamtprojekt. Betroffen sind Maßnahmen in Bestandsanlagen, sogenannte Brownfield-Projekte, ebenso wie neue Anlagen (Greenfield-Projekte). Daher formulieren Anlagenbetreiber konkrete Anforderungen an Planer und Lieferanten: Systeme sollen flexibler werden und sich an veränderte Anforderungen adaptieren lassen. Flexibilität muss vom initialen Projekt über den gesamten Lebenszyklus der Anlage sichergestellt sein.
Zur Realisierung der Betreiberwünsche haben die ersten Hersteller von Prozessleitsystemen Universal-I/O-Systeme vorgestellt. Der Unterschied zu klassischen I/O-Systemen basiert auf einer flexiblen Parametrierung, die individuell für jeden Kanal durchgeführt werden kann. Bei einem System mit 16 Kanälen lassen sich so zum Beispiel von den ersten vier Kanälen analoge Eingangssignale und von den nächsten zwölf Kanälen digitale Eingangssignale verarbeiten. Bei geänderten Rahmenbedingungen können die Kanäle einzeln über eine geeignete Software angepasst werden, die Hardware bleibt unberührt.
Klassische I/O-Systeme dagegen sind so aufgebaut, dass die I/O-Karten stets einem spezifischen Signaltyp entsprechen. Eine achtkanalige analoge Eingangskarte kann also nur Signale von einem Typ erfassen. Das Umparametrieren einzelner Kanäle ist nicht möglich. Basiert das Design der Prozessanlage auf klassischen I/O-Systemen, führt eine Änderung der Anforderungen meist zu einer aufwendigen Adaption der Hardware.
Wenn es um die Planung und Umsetzung von Signalrangierungen geht, entfalten Universal-I/O-Systeme ihren vollen Nutzen. Da sich die I/Os stets kanalweise umparametrieren lassen, entfällt die Notwendigkeit einer langwierigen Planung hinsichtlich der Signalrangierung. Zudem ist es in der Planungsphase unerheblich, welche Signalarten später in der Anlage benötigt werden: Die Konzeption erfolgt ausschließlich auf der Grundlage der Gesamtzahl der I/Os. Auch die Rangierung von Signalen entfällt.
Universal-I/O-Systeme nur für 24 V DC
Stellt sich die Frage, ob Universal-I/O-Systeme sämtliche Ansprüche der Anlagenbetreiber an die Systemhardware erfüllen. Die Antwort lautet: Jein. Zwar bieten diese Systeme eine bisher ungekannte Flexibilität bei der Projektierung sowie im laufenden Betrieb. Außerdem werden Designabhängigkeiten beseitigt, sodass eine detaillierte Aufschlüsselung jedes Anlagenteils in Bezug auf die erforderlichen Signalarten obsolet ist. Lediglich die Frage, welches System eingesetzt werden soll, verbleibt beim Betreiber.
Universal-I/O-Systeme haben dennoch Einschränkungen, denn sie können die wichtigen Aufgaben der Interface-Ebene nicht vollständig leisten. Als Beispiel sei die Limitierung auf 24 V DC und einen maximalen Strom von weniger als 1 A genannt. Das schließt die Nutzung von Aktoren mit beispielsweise 230 V Nennspannung aus. Ferner gilt es, Anlagenteile zu betrachten, in denen explosionsfähige Atmosphären vorherrschen. Im klassischen Aufbau werden hier häufig eigensichere Interface-Bausteine verwendet, etwa Trennverstärker, Schaltverstärker oder Messumformer. Diese Bausteine dienen zudem der galvanischen Trennung von Ein- und Ausgangskreisen, um Erdschleifen zu verhindern, sowie zur Wandlung und Filterung von Signalen.
Keine neue Feldverdrahtung nötig
Wie lassen sich diese Grenzen der Universal-I/O-Systeme nun überwinden? Das flexible I/O-Rangiersystem VIP I/O-Marshalling von Phoenix Contact bietet sich als Lösung an. Dabei handelt es sich um ein System, das aus einem Basiselement, Steckmodulen und Systemverkabelungslösungen besteht. Die Basiselemente, die in acht- und 16-kanaliger Ausführung erhältlich sind, werden auf Standardhutschienen aufgerastet. Pro Kanal stehen dem Basiselement Steckplätze zur Verfügung, die von sogenannten Input-Output-Accessories (IOA) belegt sind. Diese Funktionsbausteine ermöglichen weitere Anpassungen am Signal, wenn dies gefordert wird. Das Programm reicht von einfachen Durchgangsklemmen bis zu Trennverstärkern und Messumformern, die wahlweise Zulassungen für den Betrieb in eigensicheren und funktional sicheren Messkreisen aufweisen.
An dieser Stelle wird ein anderer Vorteil von VIP I/O-Marshalling sichtbar: Da sich die Funktionen kanalweise durch die Steckmodule adaptieren lassen, muss an der Feldverdrahtung nichts geändert werden. Folglich entfallen auch erneute Verdrahtungsprüfungen. Diese Programmabrundungen komplettieren das Portfolio von VIP I/O-Marshalling, weshalb die Anforderungen aus der Lebensmittelindustrie jetzt abgedeckt werden. Als dritter Baustein sind die Systemverkabelungslösungen anzuführen, die die Basiselemente mit den Universal-I/O-Systemen verbinden. Die Kombination aus Universal-I/O-System und flexiblem I/O-Rangiersystem wird somit ebenfalls den Ansprüchen der Endanwender gerecht, die hinsichtlich der Interface- und Rangierebene gestellt werden.
Gleichbleibender Hardwarebedarf
Das I/O-Rangiersystem VIP I/O-Marshalling bietet ein umfangreiches Produktsortiment, das die Einsatzmöglichkeiten von Universal-I/O-Systemen erweitert und sie zur attraktiven Alternative für Greenfield- und Brownfield-Projekte macht. Betreiber können ihre Anlagen nun mit einem dezentralen Ansatz realisieren, ohne dass der Hardwarebedarf steigt. Planer profitieren von einem ungekannten Maß an Flexibilität, das sich auch in einer deutlichen Reduzierung des Projektrisikos abbildet.
Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg
Halle 11.1, Stand A27
Autor Moritz Jung
Product Portfolio Manager, Phoenix Contact
