E/A-Systeme Durchgängige Kommunikation

Die Kombination von E/A-Stationen in den Schutzarten IP20 und IP67 in einem Profinet-System sowie ihre Einbindung in zukunftsweisende Technologien wie Bluetooth und IO-Link bietet den Herstellern und Anwendern von Automatisierungstechnik eine Vielzahl neuer Möglichkeiten.

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Mit Feldbussystemen wie Interbus begann vor 20 Jahren die dezentrale Automation. Im Vergleich zur parallelen Verkabelung reduzierten die seriellen Bussysteme nicht nur den Verdrahtungsaufwand. Erstmals konnten neben den Prozess- auch Parameter- und Diagnosedaten zwischen der Steuerung und den E/A-Geräten im Schaltschrank und im Feld ausgetauscht werden.

Nicht nur die Automatisierungstechnik verändert sich, sondern auch die Anforderungen an moderne Fertigungsanlagen. Da Endkunden immer häufiger etwas Neues möchten, ist insbesondere die Konsumgüter-Industrie durch kurze Produktzyklen sowie durch Fertigung in Losgröße 1 gekennzeichnet.

Einfache Integration der E/A-Komponenten erhöht Produktivität

Um hier eine hohe Produktivität zu ermöglichen, müssen sich alle Komponenten und Funktionseinheiten einfach in die jeweilige Maschine oder Anlage integrieren lassen. Darüber hinaus ist ein durchgängiger und schneller Informationsfluss über alle Unternehmensebenen erforderlich.

Profinet hat sich in der Fertigungsautomation etabliert

Ethernet-basierte Netzwerke tragen dazu bei, dass die benötigten Daten nahtlos zwischen der Feld- und der Unternehmensleitebene ausgetauscht werden. Aufgrund der Anpassung der aus dem Bürobereich bekannten Ethernet-Technik sowie der Übernahme der Infrastruktur überlagerter MES-Systeme hat sich Profinet in der Fertigungsautomation etabliert.

Mit seinen IEEE-Standards bietet Profinet eine maximale Durchgängigkeit zu kommerziellen Systemen. Neben der Realtime-Variante (Profinet RT), die mit Standard-Ethernet-Technik implementiert werden kann und die der Leistungsfähigkeit heutiger Feldbussysteme entspricht, gibt es hoch performante Motion-Control-Anwendungen auf Basis des IRT-Protokolls (Isochronous Realtime) sowie entsprechender Schnittstellen-Asics (Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung).

Verteilte Systeme lassen sich mit Profinet CBA (Component Based Automation) umsetzen, während die Daten sicherheitsgerichteter Teilnehmer über das Profisafe-Protokoll parallel zu den Standard-Daten übertragen werden.

E/A-Stationen im Schaltschrank an Steuerung anbinden

Über Profinet lassen sich dezentrale E/A-Stationen an die überlagerte Steuerung anbinden. Im Schaltschrank werden dabei modulare E/A-Systeme wie Inline eingesetzt, die flexibel an die jeweiligen Applikationen angepasst werden können.

Das IP20-Installationssystem von Phoenix Contact umfasst Standard-E/A- und Funktionsklemmen, die alle automatisierungstechnische Aufgaben abdecken. Die Klemmen werden einfach über einen Buskoppler an das jeweilige Netzwerk angeschlossen.

Einbau eines Switches spart weitere Ethernet-Komponenten

Die Einbindung des Buskopplers in das Profinet-System erfolgt mit dem aus der Bürowelt bekannten RJ45-Anschluss. Durch die Integration eines Switches in das Gerät kann bei der Vernetzung verschiedener E/A-Stationen auf zusätzliche Ethernet-Infrastrukturkomponenten verzichtet werden. Das spart Materialkosten und Installationszeit.

Die E/A-Stationen werden entweder direkt über das Web-based Management oder eine komfortable Software konfiguriert. Standard-Protokolle wie SNMP, BootP und HTTP werden unterstützt.

E/A-Geräte im Feld installieren

Zusätzlich zu den Schaltschrank-Komponenten müssen einzelne E/A-Geräte direkt im Feld installiert werden. Zur Erfassung digitaler und analoger Signale bieten sich die E/A-Module der Produktlinie Fieldline von Phoenix Contact an, die in Schutzart IP67 ausgeführt sind.

Jede Station des modular aufgebauten Systems besteht aus einem Ethernet-Buskoppler, an dessen Lokalbus die jeweils benötigten E/A-Module angeschlossen werden. Diagnose-Informationen über einen Kurzschluss oder Überlast werden über den Buskoppler an das Profinet-Netzwerk weitergeleitet. Die ortsgenaue Diagnose des E/A-Systems trägt zur Reduzierung von Stillstandszeiten bei.

Für die E/A-Geräte steht ein breites Spektrum digitaler und analoger Ein- und Ausgabefunktionen zur Verfügung. Sensoren und Aktoren werden über M12-Rundsteckverbinder mit der Schnellverriegelung Speedcon angeschlossen, was die Installationszeit minimiert.

In Applikationen mit beengten Platzverhältnissen sind die M8-Geräte des Fieldline-Modular-Systems die beste Wahl. Mit einer Baubreite von weniger als 30 mm können sie ohne Überstand auf Standardprofilen montiert werden.

Müssen E/A-Geräte in Schutzart IP67 in der Nähe einer Inline-Modular-Station installiert werden, lassen sich über eine spezielle Abzweigklemme sowohl Fieldline-M12- als auch schmale M8-Geräte anschließen. So kann auf einen Ethernet-Buskoppler für die IP67-Komponenten verzichtet werden, da sie im Lokalbus des IP20-Buskopplers arbeiten.

Signale auch per Funk übertragen

Um Signale auch kabellos übertragen zu können, hat Phoenix Contact ein IO-System auf Funkbasis entwickelt. Damit lassen sich temporäre Installationen wie Wechselwerkzeuge einfach in das E/A-System integrieren sowie kritische Schleifring- oder Kabelschlepp-Verbindungen ersetzen.

Die Wireless-IO-Geräte in den Schutzarten IP20 und IP67 übertragen die digitalen und analogen Signale über den Funkstandard Bluetooth zuverlässig an die Basisstation. Diese empfängt neben den Prozessdaten Diagnose-Informationen über den Status der E/A-Module sowie über Qualität und Zustand der Funkverbindung. Die Diagnosedaten erhält der Anwender über den Buskoppler im Ethernet-Netzwerk.

I/O-Link vereinfacht die Handhabung deutlich

I/O-Link hat sich als neuer Standard für die Vernetzung in der unteren Feldebene etabliert. In der Installationstopologie von Sensoren und Aktoren finden sich heute zahlreiche I/O-Baugruppen mit unterschiedlichen Leitungsspezifikationen. Die Installation eines einfachen, binär schaltenden Sensors oder Aktors mit einer dreipoligen Sensor-/Aktor-Leitung (SAC) stellt keine Herausforderung dar.

Sobald die Anzahl der von oder zu einem Gerät zu übertragenden Signale steigt, vereinfacht IO-Link die Handhabung deutlich. Müssen bei der Installation eines komplexen Nockenschaltwerks bis zu 32 Einzeladern verdrahtet und im Schadensfall diagnostiziert werden, ist bei IO-Link nur eine dreipolige SAC-Leitung sowie ein einziges Telegramm für den Datenaustausch erforderlich. Dieser Installationsvorteil lässt sich auf die Analogwert-Kommunikation übertragen.

I/O-Link-Technik vermeidet Informationsverluste

Die Messinformation der Sensorphysik liegt meist digital im Sensor vor. Etablierte Übertragungsprinzipien ändern den Messwert in ein normiertes Analog-Signal, das mittels geschirmter Leitungen übertragen und anschließend in der dezentralen Peripherie wieder in einen Digitalwert umgewandelt wird. Durch Wandlungsungenauigkeiten muss dabei ein Informationsverlust in Kauf genommen werden.

Mit der IO-Link-Technik wird der Messwert mit nur einem Telegramm zwischen Sensor und Master ausgetauscht, wobei spezielle Datensicherungs-Mechanismen Übertragungs-Ungenauigkeiten eliminieren. Damit liegt der von der Messphysik erzeugte Wert direkt und unverfälscht in der Steuerung vor.

Durch die einfache Integration der E/A-Komponenten in das Netzwerk sowie einen durchgängigen Informationsfluss über alle Unternehmensebenen lässt sich die Produktivität der Maschinen und Anlagen erheblich steigern.

*Dipl.-Ing. Christian Gemke ist Gruppenleiter Produktmanagement IP 67 IO, Business Unit Automation Systems bei der Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont.

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