IO-Baugruppen Baugruppen für Signalbearbeitung bekommen Zuwachs

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Norbert Brousek / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Spezielle Baugruppen übernehmen besondere Aufgaben in der Automatisierung. Wo und warum sie Einsatz finden, zeigt Siemens anhand konkreter Produkteigenschaften.

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In Wasserkraftwerken werden die neuen IO Baugruppen zur direkten Erfassung von Signalen an den Turbinen bzw. zur Steuerung der Turbinen eingesetzt.
In Wasserkraftwerken werden die neuen IO Baugruppen zur direkten Erfassung von Signalen an den Turbinen bzw. zur Steuerung der Turbinen eingesetzt.
(Bild: Siemens)

Um das Gros der Automatisierungsaufgaben bedienen zu können, reichen für die Signalbearbeitung oft schon wenige Baugruppentypen aus. Um den weltweiten und breiten Einsatz in allen Applikationen einer Steuerung zu ermöglichen, werden zusätzlich spezielle Baugruppen benötigt. Die Siemens AG hat zwei derartige Baugruppen neu im Portfolio. Der Artikel zeigt anhand konkreter Produkteigenschaften, für welche Art von Einsatzfällen diese sich besonders eignen.

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Bei den beiden S7-1500-IO-Baugruppen handelt es sich um sogenannte UC-Baugruppen. Das Baugruppenpaar besteht aus einer jeweils 16-kanaligen Digitaleingabebaugruppe mit der Bezeichnung DI 16×24…125VUC HF und einer Digitalausgabebaugruppe DQ 16×24…48VUC/125VDC/0.5A ST. Das Kürzel „UC“ steht dabei für „Universal Current“. Dies bedeutet, dass diese Baugruppen sowohl für den Einsatz an Gleichstrom-(DC-) als auch an Wechselstromnetzen (AC) geeignet sind. Zusätzlich können sie Ein- und Ausgangssignale im Bereich von 24 V bis 125 V verarbeiten. Die Baugruppen können kanalweise parametriert und diagnostiziert werden. Je Kanal werden anstehende Peripheriefehler, wie zum Beispiel Drahtbruch oder Kurzschluss, an der Baugruppe direkt angezeigt. Dies ermöglicht, Fehler eindeutig und schnell zu lokalisieren und zu beheben. Die Kanäle der Baugruppen sind untereinander potentialgetrennt. So können die gleichen Kanäle einer Baugruppe auch Verbraucher unterschiedlicher Phasen bzw. Potentiale schalten.

Welche dieser Eigenschaften für welche Praxisanwendung besonders geeignet sind, soll im Folgenden anhand einiger typischer Applikationen aufgezeigt werden.

Weitbereichstechnik im Bahnbereich

Im Bahnbereich finden sich unterschiedliche Spannungsebenen. Typische Nennspannungen sind 24 VDC, 48 VDC, 72 VDC, 96 VDC oder 110 VDC. Außerdem lassen die einschlägigen Bahnnormen deutlich größere Schwankungen in Bezug auf die Nennspannung zu. Der Bereich geht von 0,7 mal Nennspannung bis 1,25 mal Nennspannung. Die Spannungsebenen sind abhängig von der Applikation. Grundsätzlich wird hier unterschieden zwischen den Zügen („Rolling Stock“) und den streckenseitigen Infrastrukturanlagen („Railway“, „Trackside“, „On Track“). Typische Infrastrukturanlagen sind zum Beispiel Stellwerke, Bahnsteigtüren, Signalanlagen. Hier ist aus historischen Gründen und auf Grund der langen Leitungslängen die 48-V-Technik Standard. Grund für die gegenüber klassischen 24-VDC-Signalen der allgemeinen Automatisierungstechnik höhere Spannung von 48 VDC sind die oft sehr langen Leitungslängen, auf denen mögliche Spannungsabfälle klein gehalten werden sollen. Ferner werden die Baugruppen oft in kleinen, nicht beheizten Häuschen oder Schaltkästen vor Ort an den Weichen installiert.

Einsatz im Wasserkraftwerk

Eine weitere Applikation, für die diese Baugruppen besonders geeignet sind, sind Wasserkraftwerke. Wichtig ist hier vor allem die schnelle Erfassung von Ereignissen direkt an der Turbine, um auf diese sofort reagieren zu können. Hierzu kann die Eingangsverzögerung der Baugruppe kanalweise parametriert werden. Für zeitkritische Signale wird diese auf 50 Mikrosekunden gesetzt, während andere Signale, die zeitunkritisch sind, aber auf denen Störungen unterdrückt werden sollen, mit einer Eingangsverzögerung von 3,2 Millisekunden oder 20 Millisekunden parametriert werden.

Damit nicht nur die Erfassung der Signale praktisch ohne Verzögerung erfolgt, sondern diese auch umgehend an den Controller gemeldet werden, wird jedem Signal ein Hardware-Interrupt zugeordnet. Dieser bewirkt, dass die zyklische Programmbearbeitung auf der CPU unterbrochen wird und das auslösende Ereignis asynchron zur regulären Bearbeitung behandelt werden kann.

Auf mögliche Prozessfehler rasch reagieren

Entsprechendes gilt auch für Diagnoseereignisse. Die Digitaleingabebaugruppe überwacht jeden Kanal einzeln auf Drahtbruch. Wurde die Diagnose im Anwenderprogramm durch den Anwender aktiviert, so wird ein erkannter Drahtbruch sofort an den Controller gemeldet. So kann der Anwender auf mögliche Prozessfehler rasch reagieren. Beispielsweise über das Display der CPU kann dieser Fehler auch angezeigt und der Fehlerort ermittelt werden. Auf der Baugruppe selbst wird eine eindeutig dem Kanal zugeordnete, rote LED eingeschaltet. Ein Elektriker vor Ort kann schnell und eindeutig die Fehlerstelle finden und beheben. Anlagenstillstände, die vor allem im Kraftwerksbereich sehr kostspielig sind, können so auf ein Minimum reduziert werden.

Stromnetze mit 100 V bis 130 V sind vor allem in Nord- und Südamerika gebräuchlich. Hier können die Baugruppen genutzt werden, um Signale direkt an diesen Netzen zu erfassen bzw. Verbraucher wie Einphasenmotoren, Lüfter und Beleuchtungskörper direkt zu schalten. Der direkte Anschluss vereinfacht die Verdrahtungstechnik und den Aufbau.

125-Volt-Technik für regionale Märkte

Besonderes Augenmerk gilt Brasilien. Hier kommen sowohl das Thema 125-Volt-Technik als auch das Thema Wasserkraftwerke zum Tragen. Immerhin nutzt Brasilien laut der Bundeszentrale für politische Bildung für 64 % seiner Stromerzeugung die Wasserkraft. Ein reibungsloser Anlagenbetrieb ist daher unabdingbar. Hierzu trägt die Potentialtrennung der Kanäle untereinander bei. Ein Fehler auf einem Kanal setzt sich so nicht auf den anderen Kanälen fort.

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Die Robustheit der Baugruppen beruht auf dem Leiterplattendesign, der Auswahl geeigneter Bauteile sowie umfangreichen Tests und Qualitätssicherungsmaßnahmen. Dazu wird jede Baugruppe, bevor sie das Werk verlässt, einer Stückprüfung unterzogen, bei der eine Spannung von 1200 VDC angelegt wird. Nur wenn die Baugruppe auch diesen Stresstest besteht, wird sie geliefert.

Die Potentialtrennung zwischen den Kanälen ist wichtig für die Migration und Erweiterung bestehender Anlagen. Diese technische Maßnahme macht die Baugruppe robuster gegenüber Störungen. Störungen eines Kanals wirken sich nicht auf andere Kanäle aus. Oft laufen Anlagen über mehrere Jahrzehnte. Die ursprünglichen Stromlaufpläne sind dann ungültig oder nicht mehr vorhanden. Potentialverhältnisse in der Anlage haben sich aufgrund äußerer Einflüsse, zum Beispiel der Erhöhung von Übergangswiderständen durch Korrosion, verändert. Dann sind robuste Baugruppen gefordert, die einwandfrei funktionieren.

Baugruppenspektrum deutlich gestrafft

Betrachtet man beispielsweise die Migration solcher Anlagen von Simatic S7-300 auf Simatic S7-1500, so fällt auf, dass mit der Simatic S7-1500 das Baugruppenspektrum deutlich gestrafft wurde. Anstelle von fünf Baugruppen werden die gleichen Funktionen mit nur zwei Baugruppen erreicht. Diese Funktionsverdichtung vereinfacht die Ersatzteilhaltung, was indirekt eine Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit darstellt, und erleichtert Bestellprozess und Logistik.

Ergänzt werden diese Änderungen durch das Tool Proneta. Damit können Schaltschrankbauer ohne angeschlossenen Controller und ohne TIA Portal die Verdrahtung auf komfortable Weise überprüfen. Um die Baugruppen beim Hardware-Engineering in CAx-Tools einzubinden, stellt Siemens entsprechende Dateien zum Download zur Verfügung. Dabei handelt es sich um DXF-Files mit Maßzeichnungen, STP-Dateien für 3D-Modelle und EDZ-Files für Eplan-Makros. Der Anwender erspart sich so das zeitraubende Erstellen von Makros und Dateien. Damit ist eine nahtlose Integration deser Baugruppen in die digitale Welt möglich. Zudem sind die beiden Baugruppen fest im TIA Portal integriert. (sh)

Hannover Messe 2016: Halle 9, Stand D35

* Norbert Brousek ist Product Manager Digital Factory bei der Siemens AG, Nürnberg-Moorenbrunn

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