Konventionelle E/A-Module und ihre Einschränkungen verstehen

Traditionelle Steuerungssysteme basieren in der industriellen Automatisierung auf dedizierten Eingangs-/Ausgangskarten (E/A). Jedes konventionelle Modul verarbeitet nur einen Signaltyp, beispielsweise Digitaleingang (DI), Digitalausgang (DO), Analogeingang (AI) oder Analogausgang (AO). Eine standardmäßige 16-Kanal-Karte akzeptiert über alle Anschlüsse hinweg nur einen bestimmten Kanaltyp. Dieses unflexible Hardwaredesign führt bei der Projektausführung häufig zu erheblichen technischen Engpässen. Ingenieure müssen oft vollständig neue Karten installieren, um einen einzigen zusätzlichen Sensor unterzubringen. Folglich erhöhen späte Designänderungen den Platzbedarf im Schaltschrank und treiben die Projektkosten in die Höhe.

Was sind flexible Eingangs-/Ausgangsmodule?

Flexible Eingangs-/Ausgangsmodule (FIOM) stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Architektur von Distributed Control Systems (DCS) und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) dar. Diese universellen Kanalkarten ermöglichen es Ingenieuren, einzelne Kanäle softwareseitig oder hardwareseitig als AI, AO, DI oder DO zu konfigurieren. Automatisierungsteams müssen zu Beginn der Entwurfsphase nicht mehr die genaue Anzahl jedes einzelnen Signaltyps berechnen. Stattdessen wählen die Planer einfach die insgesamt erforderliche Kanalkapazität für den Schaltschrank aus. Diese universelle Funktionalität reduziert den Ersatzteilbestand und vereinfacht gleichzeitig die Feldverdrahtung sowie die Systemintegration.

Wichtige Automatisierungsanbieter und ihre Architekturansätze

Führende Automatisierungshersteller bieten einzigartige Hardware- und Softwareimplementierungen für die universelle Kanalkonfiguration:

• Honeywell (Universal IO - UIO): Ermöglicht eine rein softwarebasierte Konfiguration ohne physische Änderungen am Modul.
• Emerson (DeltaV CHARMs): Verwendet Charakterisierungsmodule, um die Signaltypen an der jeweiligen Klemmenleiste festzulegen.
• Yokogawa (N-IO): Kombiniert Softwarekonfigurierbarkeit mit Signaladaptern auf der Basisplatte für eine vielfältige Signalaufbereitung.
• Rockwell Automation (FLEX 5000 IO): Bietet konfigurierbare Kanaloptionen zur Optimierung der Architektur der Fabrikautomatisierung.
• ABB (Select I/O): Verwendet einkanalige Signalaufbereitungsmodule zur Anpassung der Feldanschlüsse.

Während Honeywell rein softwaredefinierte Kanäle bereitstellt, verwenden Anbieter wie Emerson und Yokogawa modulare Hardwareadapter. In meinen 15 Jahren Erfahrung in der Entwicklung bieten hardwarebasierte Adapter wie DeltaV CHARMs eine bessere elektrische Isolation zwischen den Kanälen. Umgekehrt machen rein softwarekonfigurierbare Kanäle die Handhabung physischer Module bei Nachrüstungen im Feld vollständig überflüssig.

Wichtige Vorteile von FIOM in der Fabrikautomatisierung

Die Einführung flexibler E/A-Technologie bietet während des gesamten Lebenszyklus einer Anlage erhebliche betriebliche und finanzielle Vorteile:

• Kürzere Ausführungszeiten: Ingenieure können die Schaltschrankmontage abschließen, bevor die endgültigen Instrumentenlisten feststehen.
• Reduzierter Ersatzteilbestand: Instandhaltungsteams lagern einen universellen Kartentyp statt vier separate Module zu bevorraten.
• Geringere Investitionsausgaben: Kompakte Moduldesigns reduzieren den Platzbedarf der Schaltschränke im Leitstand erheblich.
• Schnellere Inbetriebnahme vor Ort: Außendienstingenieure können Kanaltypen während der Schleifenprüfung sofort per Software neu konfigurieren.

Praxisbeispiel: Erweiterung einer petrochemischen Anlage

Betrachten wir die Erweiterung einer bestehenden Raffinerie, bei der nachträglich Temperaturtransmitter und Ventilendschalter hinzugefügt werden. Bei einem herkömmlichen DCS-Design erfordert das Hinzufügen von zwei zusätzlichen AI-Signalen und einem DO-Signal drei verschiedene Kartentypen. Sind keine Ersatzkanäle verfügbar, müssen Ingenieure zusätzlichen Rackplatz montieren und die Feldverdrahtung erweitern.

Durch die Nutzung einer flexiblen E/A-Architektur weist der Außendienstingenieur einfach drei freie Kanäle in einem vorhandenen universellen Modul neu zu. Anschließend aktualisiert der Ingenieur die Softwarekonfiguration, um 4-20mA-Signale für die Transmitter und 24V DC für die Ventile zu akzeptieren. Diese nahtlose Änderung vermeidet Verzögerungen bei der Hardwarebeschaffung, bewahrt den Platz im Schaltschrank und hält das Projekt im Zeitplan.

Über den Autor

Zhang Wei ist ein leitender Experte für industrielle Automatisierung mit mehr als 15 Jahren praktischer Erfahrung in PLC-, DCS-, TSI- und Stromschutzsystemen. Er hat groß angelegte Automatisierungsprojekte in den Bereichen Petrochemie, Energieerzeugung und Fertigung geleitet. Zhang Wei ist auf die Architekturplanung von Steuerungssystemen, die Feldbusintegration und die Modernisierung veralteter Steuerungssysteme für Industrieanlagen weltweit spezialisiert.