Die im Rahmen der Prozessautomatisierung erforderliche Signalrangierung – also das Sortieren und Zusammenfassen von Feldsignalen und deren Anbindung an das I/O-System – hat sich in ihrem Grundaufbau seit vielen Jahren nicht verändert. Die starren Systemstrukturen, der dadurch entstehende große Planungs- sowie erhebliche Installations- und Inbetriebnahmeaufwand führen regelmäßig zu Projektverzögerungen und somit zu steigenden Gesamtkosten. Dies gilt sowohl für Greenfield- wie auch für Brownfield-Projekte.
Seit einiger Zeit stellen Anlagenbetreiber deshalb konkrete Anforderungen an Planer und Lieferanten. So müssen Systeme über die Fähigkeit verfügen, flexibel auf Änderungen reagieren zu können. Darüber hinaus sollen Designabhängigkeiten eliminiert werden. Schließlich ist es wichtig, dass die Systeme eine stärkere Fokussierung auf wesentliche Designentscheidungen ermöglichen. Planer und Lieferanten haben sich der bestehenden Probleme und Anfoderderungen angenommen. Die ersten Hersteller von Prozessleitsystemen haben bereits vor einigen Jahren Universal-I/O-Systeme vorgestellt. Inzwischen hat sich das Konzept unter verschiedenen Markennamen etabliert. Das flexible I/O-Rangiersystem VIP I/O-Marshalling von Phoenix Contact sorgt, wie unten im Detail ausgeführt, für weitere Vorteile.
Konzept der Universal-I/O-Systeme
Wie ihre Bezeichnung bereits impliziert, lassen sich Universal-I/O-Systeme vielseitig einsetzen. Konkret bedeutet dies, dass die einzelnen I/O-Kanäle per Software an die notwendige Funktion adaptiert werden können. Bisher sind hier Lösungen bekannt, die jeweils Signalblöcke von zwei, vier, acht, 16 oder 32 Kanälen bilden, zum Beispiel 16-kanalige Eingangskarten für Analogsignale oder 32-kanalige Ausgangskarten für Digitalsignale. Im Gegensatz dazu eröffnen Universal-I/O-Karten die Option, jeden Kanal individuell anzupassen. An einer 32-kanaligen Karte können etwa die ersten drei Kanäle als Analogeingang, die folgenden fünf Kanäle als Digitalausgang, der nächste Kanal als Digitaleingang et cetera konfiguriert werden.
Auf den ersten Blick erscheint dies als kleine Maßnahme, die jedoch insbesondere bei der Planung und Realisierung der Signalrangierung deutlichen Nutzen stiftet. Werden konventionelle I/O-Systeme verwendet, müssen die in beliebiger Reihenfolge vorliegenden Feldsignale der Sensorik und Aktorik so vorsortiert und in Blöcken zusammengefasst werden, dass sie zu den genutzten Karten passen. Außerdem lassen sich die erforderlichen Arten der I/O-Karten in einem solchen klassischen Aufbau erst dann bestimmen, wenn feststeht, welche Signale in welcher Menge in der Anlage vorhanden sind. Universal-I/O-Systeme erlauben hingegen eine Planung lediglich auf Basis der Gesamtzahl der I/Os. Einzelne Funktionen spielen zunächst keine Rolle, weil sich die I/Os im späteren Projektverlauf per Software adaptieren lassen. Diese vermeintlich simple Maßnahme beseitigt damit ebenfalls die Notwendigkeit einer aufwendigen Signalrangierung, da jeder Signalkreis physisch identisch aufgebaut ist.
Ein Manko bleibt bestehen
Erfüllen Universal-I/O-Systeme damit die oben aufgelisteten Forderungen der Anlagenbetreiber? Die Antwort lautet: Jein! Die universellen Lösungen bieten eine nie dagewesene Flexibilität, weil sich Kanäle beliebig umkonfigurieren lassen. Ferner beseitigen sie auch Designabhängigkeiten im Projektverlauf. Beispielsweise muss keine detaillierte Aufschlüsselung der in jedem Anlagenteil benötigten Signalarten vorliegen, um die Elektrokonstruktion einschließlich der erforderlichen Hardware abzuschließen. Der letzten Forderung kommen Universal-I/O-Systeme ebenso nach, denn das Detail-Engineering kann in dieser Konstellation sehr spät erfolgen.
Dennoch entsprechen Universal-I/O-Systeme nicht vollständig den Betreiberansprüchen. Einschränkungen ergeben sich bei der Berücksichtigung der benötigten Interfacetechnik. Sie wurde bisher gar nicht betrachtet, obwohl sie elementarer Bestandteil jeder Anlage ist. So sind zum Beispiel Relais zur Signalanpassung an die als digitaler Ausgang konfigurierten I/Os erforderlich, damit Aktorik mit einer Nennspannung von 230 V betrieben werden kann. Zudem verlangen Anlagenteile, in denen explosive Atmosphären existieren oder entstehen können, häufig Interfacebausteine mit der Zündschutzart Eigensicherheit. Als andere Beispiele seien Signaltrenner zur Separierung von Erdschleifen und Unterbindung von Signalverfälschungen sowie zahlreiche weitere Funktionen genannt.
Das passende I/O-Marshalling-System
Setzt der Betreiber konventionelle Interfacetechnik ein – etwa auf der Hutschiene montierte Interfacebausteine -, ginge der aus dem Universalansatz resultierende Nutzen nahezu komplett verloren. Der Grund liegt auf der Hand: Die Auswahl der Interfacekomponenten bedingt, dass die genaue Signalart frühzeitig bekannt sein muss. Darüber hinaus müsste erneut eine Signalrangierung stattfinden, um die Feldsignale auf die einzelnen Funktionsbausteine zu verdrahten, beispielsweise digitale Ausgangssignale auf Relais. Es sind somit Lösungen gefordert, die auf der Interface- und Rangierebene die gleiche Flexibilität bieten, wie es Universal-I/O-Systeme auf der I/O-Ebene tun. Mit dem System VIP I/O-Marshalling bietet Phoenix Contact eine solche Lösung an.
VIP I/O-Marshalling ist für den Einsatz an universellen I/O-Systemen ausgelegt. Es besteht im Wesentlichen aus drei Bausteinen:
- Das auf der Standardhutschiene angebrachte Basiselement nimmt die Feldverdrahtung auf und sorgt über Steckverbinder für den Anschluss an das I/O-System.
- Das Input-Output-Accessory (IOA) erfüllt die eigentliche Interfacefunktion.
- Ein Systemkabel verbindet das Basiselement mit dem universellen I/O-System.
Durch diesen Aufbau können die Anforderungen der Endanwender auch auf der Interface- und Rangierebene realisiert werden. Das zum I/O-System passende Basiselement lässt sich schon früh im Projekt installieren, ohne dass die Signalarten genau feststehen müssen. Die später definierte Funktion erfolgt einfach durch das Stecken des jeweiligen Funktionsmoduls (IOA). An der Verdrahtung ist nichts zu ändern. Folglich entfallen auch erneute Verdrahtungsprüfungen.
Das Portfolio von VIP I/O-Marshalling umfasst sowohl acht- wie auch 16-kanalige Basiselemente für verschiedene I/O-Systeme. Eine große Bandbreite an Funktionsmodulen – zum Beispiel Durchgangsklemmen, Sicherungsmodule, auch für Ex-Bereiche nutzbare Analogtrenner, Relaismodule oder Sicherheitsrelais – bieten für fast jede Anforderung das passende Interface.
Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont
Autor: Felix Schulte
Global Program Manager,
Phoenix Contact Electronics
Hier finden Sie mehr über:
