Einführung in moderne Steuerungssysteme und die Grenzen von IO

Die industrielle Automatisierung beruht traditionell in hohem Maße auf dedizierten Ein-/Ausgabemodulen (IO). In einer standardmäßigen Konfiguration mit einem verteilten Steuerungssystem (DCS) oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung (PLC) weisen Konstrukteure bestimmten Signaltypen spezielle Karten zu. Eine herkömmliche Digitaleingangskarte (DI) mit 16 Kanälen verarbeitet beispielsweise ausschließlich digitale Signale. Bei technischen Projekten kommt es jedoch häufig kurzfristig zu Änderungen der Signalanzahl. Wird daher spät in der Entwurfsphase ein fehlender Analogeingangskanal (AI) entdeckt, müssen Ingenieure eine völlig neue, dedizierte AI-Karte kaufen und installieren. Diese Starrheit erhöht folglich die Hardwarekosten, verschwendet Platz im Schaltschrank und verzögert die Inbetriebnahme.

Die technische Herausforderung durch Signaländerungen

Ingenieurteams haben oft Schwierigkeiten mit unvorhersehbaren Signaländerungen während des gesamten Lebenszyklus einer Anlage. In den ersten Engineering-Phasen erzwingen späte Änderungen des Projektumfangs kostspielige Nacharbeiten. Darüber hinaus stehen Instandhaltungsabteilungen vor großen Herausforderungen, wenn sie umfangreiche Bestände an spezialisierten Ersatzteilen verwalten müssen. Die Lagerhaltung von vier verschiedenen Arten von Ersatzkarten – AI, AO, DI und DO – erhöht den Betriebsaufwand und bindet Kapital. Um diese anhaltenden Herausforderungen zu bewältigen, führten führende Hersteller von Steuerungssystemen flexible Ein-/Ausgabemodule (FIOM) ein.

Was sind flexible Ein-/Ausgabemodule?

Flexible Ein-/Ausgabemodule stellen einen bedeutenden technologischen Fortschritt in der Fabrikautomation dar. Anders als bei herkömmlicher Hardware lässt sich ein einzelner FIOM-Kanal per Software als Analogeingang, Analogausgang, Digitaleingang oder Digitalausgang konfigurieren. Fachleute für Automatisierung müssen daher vor der Beschaffung nicht mehr die genauen Kanalverhältnisse berechnen. Stattdessen konzentrieren sich Ingenieure einfach auf die Gesamtzahl der physischen Signale. Ändern sich die Projektanforderungen während der Bauphase, konfigurieren Techniker einfach die Kanalsoftware neu, ohne den Schaltschrank neu zu verdrahten.

Industrielle Implementierungen und Lösungen von Anbietern

Große Anbieter industrieller Automatisierung haben diese Technologie unter proprietären Bezeichnungen erfolgreich vermarktet. Honeywell war mit seiner Universal-IO-Technologie (UIO), die ausschließlich per Software konfiguriert wird, Vorreiter bei der universellen Signalaufbereitung. Andere Branchenführer setzen hingegen modulare Architekturen ein, die Softwarekonfiguration mit geringfügigen Hardwareanpassungen kombinieren:

• Honeywell: Universal IO (UIO) mit reiner Softwarekonfiguration.
• Yokogawa: Netzwerk-IO-Architektur (N-IO).
• Emerson: CHARMs-Technologie (Characterization Modules).
• Rockwell Automation: FLEX IO-Plattformen.
• ABB: Flexible und skalierbare I/O-Lösungen.

Als Experte mit 15 Jahren Erfahrung im Bereich Steuerungssysteme stelle ich fest, dass eine rein softwarebasierte Konfiguration bei der Inbetriebnahme von Anlagen mehr Flexibilität bietet als Lösungen, bei denen physische Änderungen an den Basismodulen erforderlich sind.

Wichtigste Vorteile der flexiblen IO-Technologie

Der Einsatz einer flexiblen IO-Architektur bietet Industrieanlagen erhebliche betriebliche und finanzielle Vorteile:

• Kostensenkung: Verringert den Ersatzteilbestand, indem vier Modultypen auf einer einzigen universellen Hardwareplattform zusammengeführt werden.
• Verkürzung der Projektlaufzeit: Vermeidet Beschaffungsverzögerungen durch die Bestellung seltener oder unerwarteter Signalkarten.
• Platzoptimierung: Verringert den benötigten Platzbedarf in den Verteiler-Schränken des Leitstands.
• Technische Flexibilität: Ermöglicht die nahtlose Anpassung an späte Planungsänderungen, ohne dass eine Neuplanung des Layouts erforderlich ist.

Praktisches Anwendungsszenario: Anlagenmodernisierung

Betrachten wir ein Modernisierungsprojekt in einer bestehenden Ölraffinerie, bei dem im zentralen Leitstand extreme Platzverhältnisse herrschen. Ingenieure müssen ein veraltetes DCS ersetzen und dabei die vorhandene Feldverkabelung nutzen. Durch den Einsatz flexibler IO-Module kann das Projektteam auf Zwischenverteiler verzichten. Als während der Vorinbetriebnahme unerwartete Abschaltsignale auftreten, ordnen Techniker diese Signale außerdem sofort über die Engineering-Workstation vorhandenen Reservekanälen zu. So geht die Anlage termingerecht in Betrieb, während die Kosten für Schrankhardware um 25 Prozent sinken.

Autorenbiografie

Der Autor, Zhang Wei, ist ein weltweit führender Experte für industrielle Automatisierungs- und Steuerungssysteme mit 15 Jahren umfassender Branchenerfahrung. Er war als leitender Systemarchitekt und technischer Berater für mehrere international renommierte Automatisierungsunternehmen tätig und ist auf SPS, DCS, TSI und Architekturen für die industrielle Netzwerksicherheit spezialisiert. Zhang Wei hat seine berufliche Laufbahn der digitalen Transformation und intelligenten Modernisierung herkömmlicher industrieller Steuerungssysteme gewidmet und dabei umfangreiche praktische Erfahrung in der technischen Planung und Inbetriebnahme vor Ort bei Großprojekten in der Petrochemie, Energiewirtschaft und intelligenten Fertigung gesammelt.