Herkömmliche Ein-/Ausgangsarchitekturen schränken die technische Flexibilität häufig ein und erhöhen die langfristigen Lagerkosten. Heute verändern Flexible Input/Output Modules (FIOM) die Art und Weise, wie Steuerungssystemingenieure Automatisierungsinfrastrukturen entwickeln, in Betrieb nehmen und warten. Durch die softwarebasierte Konfiguration einzelner Kanäle überbrückt die FIOM-Technologie die Lücke zwischen starrer Hardwareauslegung und dynamischen Anlagenanforderungen.

Herkömmliche und flexible E/A-Architekturen im Vergleich

Herkömmliche Steuerungssysteme verwenden dedizierte E/A-Karten zur Verarbeitung von Analogeingängen (AI), Analogausgängen (AO), Digitaleingängen (DI) und Digitalausgängen (DO). In einem standardmäßigen 16-Kanal-DI-Modul akzeptiert jeder Anschluss ausschließlich digitale Eingänge. Wenn in einer späten Projektphase ein zusätzlicher analoger Sensor erforderlich wird, müssen Ingenieure eine komplette neue AI-Karte installieren. Dieses starre Modell vergrößert den Platzbedarf im Schaltschrank, erschwert die Verdrahtungsplanung und zwingt Anlagenbetreiber, zahlreiche Ersatzteile vorzuhalten.

Flexible E/A-Module lösen diesen Engpass, indem jeder Kanal softwarekonfigurierbar oder modular anpassbar ist. Ein einzelner universeller Kanal kann mit einem Temperaturmessumformer, einem Magnetventil oder einem Endschalter verbunden werden.

Technische Herausforderungen mit softwarekonfigurierbarer Hardware bewältigen

Späte Designänderungen beeinträchtigen in der industriellen Automatisierung häufig die Projekttermine und erhöhen die Ausführungskosten. Änderungen vor Ort erfordern während später Inbetriebnahmephasen oft eine unerwartete Anpassung des E/A-Mixes. Flexible E/A-Module ermöglichen es Ingenieuren jedoch, die Softwareentwicklung von der Hardwareinstallation zu entkoppeln.

Projektteams können standardisierte Schaltschränke frühzeitig an den Einsatzort bauen und liefern. Techniker können Signaltypen spontan anpassen, ohne Klemmenleisten neu zu verdrahten oder unterschiedliche Hardwarekarten zu bestellen. Dadurch bleiben Projekttermine auch bei umfangreichen Änderungen des Leistungsumfangs in einer späten Projektphase unverändert.

Wichtige Automatisierungsanbieter und technologische Umsetzungen

Führende DCS- und SPS-Hersteller bieten unterschiedliche Umsetzungen der Technologie für konfigurierbare Kanäle an. Das Verständnis dieser Architekturdetails hilft Ingenieuren, die passende Plattform für die spezifischen Anforderungen ihrer Anlage auszuwählen.

• Honeywell Universal I/O (UIO): Bietet vollständig softwarekonfigurierbare Kanäle, ohne dass physische Module auf der Basisplatine ausgetauscht werden müssen.
• Yokogawa Network I/O (N-IO): Kombiniert Softwarekonfiguration mit vor Ort austauschbaren Signalaufbereitungsmodulen für eine spezialisierte Signaltrennung.
• Emerson CHARMs (I/O CHARacterization Modules): Verwendet modulare Einkanal-Charakterisierungskomponenten, die auf einer gemeinsamen Rückwandplatine montiert sind, und ermöglicht dadurch eine äußerst feine Granularität.
• Rockwell Automation FLEX I/O / Universal I/O: Kombiniert flexible industrielle E/A-Montage mit anpassbaren Kanalkonfigurationen für hybride Steuerungsumgebungen.
• ABB Select I/O: Verwendet Einkanal-Signalaufbereitungsmodule, die eine unabhängige Feldverdrahtung und Hardwarekonfiguration ermöglichen.

Experteneinschätzung: vollständig universelle Software-E/A gegenüber modularen Hardware-Basisplatten

Obwohl Hersteller diese Lösungen unter flexiblen Architekturen zusammenfassen, gibt es deutliche Unterschiede bei der Umsetzung. Echte universelle E/A beruht ausschließlich auf der Softwarekonfiguration zur Umschaltung der Signalverarbeitungsparameter. Honeywell UIO ist ein Beispiel für diesen Ansatz, da physische Komponentenänderungen vollständig entfallen.

Lösungen von Emerson, Yokogawa, ABB und Rockwell verwenden dagegen Hardware-Charakterisierungsmodule oder Tochterkarten, die in eine übergeordnete Basisplatine eingesteckt werden. Daher erfordern diese modularen Systeme trotz ihrer robusten galvanischen Trennung und maßgeschneiderten Signalaufbereitung weiterhin die Handhabung physischer Module bei einer Neukonfiguration. Rein softwarebasierte universelle Module bieten eine unübertroffene Flexibilität, während modulare Basisplattensysteme in rauen industriellen Umgebungen häufig einen besseren Schutz vor starken elektrischen Transienten bieten.

Wesentliche betriebliche und finanzielle Vorteile von FIOM

Die Einführung flexibler E/A-Module führt über den gesamten Lebenszyklus der Anlage zu messbaren betrieblichen Verbesserungen:

1. Terminoptimierung: Entkoppelt die Ausführung der Feldverdrahtung von der Entwicklung der Steuerungssoftware.
2. Reduzierter Platzbedarf: Minimiert den erforderlichen Platz in den Bedienräumen, indem redundante Reserveplätze reduziert werden.
3. Effizientere Lagerhaltung: Senkt das in Ersatzteilen gebundene Kapital drastisch, indem vier unterschiedliche Kartentypen durch ein einziges Standardmodul ersetzt werden.
4. Schnellere Abnahmeprüfung vor Ort (SAT): Vereinfacht die Schleifenprüfung und Vorinbetriebnahme durch automatisierte softwarebasierte Neuzuweisungen von Regelkreisen.
5. Vereinfachte Modernisierung bestehender Anlagen: Passt in Modernisierungsprojekte mit begrenztem Platzangebot, bei denen der Schaltschrankraum weiterhin stark eingeschränkt ist.

Praktisches Anwendungsszenario: Modernisierung einer Offshore-Plattform

Bei der Modernisierung einer Offshore-Öl- und -Gasplattform bestimmen Platzbeschränkungen und enge Abschaltfenster die technischen Prioritäten. Herkömmliche E/A-Nachrüstungen scheitern häufig aufgrund unerwarteter Änderungen an der Feldverdrahtung, die beim Rückbau festgestellt werden.

Durch den Einsatz flexibler E/A-Module bei der Modernisierung einer Offshore-Plattform installierten die Projektingenieure universelle Remote-E/A-Gehäuse direkt in explosionsgefährdeten Bereichen. Als die Techniker während der Umschaltung nicht dokumentierte HART-Temperaturmessumformer und digitale Sicherheitsschalter entdeckten, konfigurierten sie freie universelle Kanäle über die Benutzeroberfläche der Steuerungssoftware neu. Dadurch entfiel die Notwendigkeit, Ersatzkarten für dedizierte E/A per Lufttransport vom Festland zu beschaffen, was Ausfallzeiten auf dem kritischen Pfad einsparte und den Installationsaufwand offshore reduzierte.

Über den Autor

Zhang Wei ist Senior Control Systems Engineer mit mehr als 15 Jahren Erfahrung in der industriellen Automatisierung, der Entwicklung von Prozessleitsystemen und der Instrumentierung von Turbomaschinen. Sein Fachwissen umfasst Distributed Control Systems (DCS), Safety Instrumented Systems (SIS) und fortschrittliche SPS-Architekturen für die Energie-, Chemie- und Fertigungsindustrie weltweit. Regelmäßig verfasst er technische Analysen und Richtlinien zur Systemauslegung für internationale Automatisierungsfachzeitschriften.