Optimierung von Remote-I/O für Effizienz, Wartungsfreundlichkeit und Anpassungsfähigkeit

Bei dezentralen Eingabe-/Ausgabesystemen (I/O) ist der Wirkungsgrad das A und O. Die Idee der dezentralen I/O (Remote-I/O) entstand, weil die Industrie eine effizientere Möglichkeit benötigte, um speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) mit ihren Anlagen zu verbinden. Anstatt lange Kabel zu jedem Sensor und Aktor zu verlegen, wurden diese Verbindungen in dezentralen I/O-Schaltschränken in der Nähe der Geräte zusammengefasst, wobei alle Daten über ein gemeinsames, werksweites Netzwerk an die SPS gesendet werden.

Heute ist die Nachfrage nach mehr Effizienz gestiegen. Um wettbewerbsfähig zu sein, müssen mehr I/Os auf kleinerem Raum untergebracht werden. Es wird nach Möglichkeiten gesucht, die Entwicklung, Installation und Wartung von I/O-Systemen zu optimieren, und nach Lösungen gesucht, die sich an veränderte Anforderungen anpassen lassen.

Die Entwicklung dieser Anforderungen können Sie in der Historie des I/O-Systems IP20 u-remote von Weidmüller verfolgen (Abbildung 1). Das 2013 erstmals vorgestellte u-remote setzt auf Effizienz in jeder Hinsicht, angefangen bei den nur 11,5 Millimeter (mm) breiten I/O-Modulen. Diese bemerkenswert schmalen Module minimieren den für ein dezentrales I/O-System erforderlichen Platz im Schaltschrank.

Abbildung 1: Die u-remote-Module des I/O-Systems IP20 sind außerordentlich schmal, so dass sie nur eine minimale Stellfläche benötigen. (Bildquelle: Weidmüller)

Module, die einfach zu implementieren und zu warten sind

Die Module sind auch im Hinblick auf die Arbeitsproduktivität effizient. Jedes steckbare Modul wird durch einfaches Einrasten mit dem Rest des I/O-Systems verbunden. Es ist keine Busplatine oder externe Verkabelung erforderlich. Stattdessen werden die gesamte Stromversorgung und die Daten über in die Module integrierte Anschlüsse geleitet (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die u-remote-Module des I/O-Systems IP20 verwenden ein steckbares Design, das ohne Busplatine direkt angeschlossen werden kann. (Bildquelle: Weidmüller)

Das steckbare Design vereinfacht außerdem die Wartung und erleichtert die Aufrüstung. Die Module können leicht hinzugefügt oder entfernt werden, um Reparaturen durchzuführen oder die Systemfunktionalität zu ändern. Dank des dreiteiligen Aufbaus des Moduls können viele Wartungsarbeiten durchgeführt werden, ohne dass ein Modul entfernt werden muss:

• Anschlussleiste: Ermöglicht den physischen Anschluss der Drähte von Sensoren und Aktoren
• Elektronikeinheit: Hier sind die Schaltkreise untergebracht, die für die Verarbeitung der Signale von den angeschlossenen Geräten zuständig sind
• Sockel: Ermöglicht die Montage auf einer DIN-Schiene und stellt die elektrische Verbindung zwischen den Modulen her

Diese Modularität ermöglicht einen Hot-Swap-Austausch der Elektronik, ohne dass die Funktionen der anderen Module unterbrochen oder die Verdrahtung des Moduls bei der Wartung gestört wird. Ein im Elektronikteil eingebauter Entnahmehebel ermöglicht dies ohne Werkzeug (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die I/O-Module bestehen aus einer Anschlussleiste, einer Elektronikeinheit und einem Sockelmodul. (Bildquelle: Weidmüller)

2014 führte Weidmüller hochkompakte Module ein, die die Anzahl der Leiter pro Modul auf 32 verdoppeln. Der kompakte Anschlussstecker UR20-PG0.35 ermöglicht beispielsweise den Anschluss von bis zu acht vieradrigen Sensoreingängen pro Modul.

Seitdem hat das Unternehmen eine breite Palette von Modulen eingeführt. Ein bemerkenswertes Beispiel ist das UR20-PF-O-2DI-DELAY-SIL, ein 2015 eingeführtes Sicherheitsmodul. Dieses SIL-3-konforme Modul bietet Not-Aus-Schaltungen und Kurzschlusserkennungsfunktionen. Andere Arten von Modulen sind:

• UR20-4AI-UI-12, mit vier analogen Sensoreingängen und einer Genauigkeit von 0,1 % des vollen Messbereichs (FSR)
• UR20-4AO-UI-16, mit vier Analogausgängen zur Steuerung von bis zu vier Aktoren mit einer Genauigkeit von 0,05 % des Messbereichsendwerts
• UR20-16DI-P, mit bis zu 16 digitalen Eingängen für eine maximale Frequenz von 1 Kilohertz (kHz)
• UR20-8DO-P, das bis zu acht digitale Ausgangskanäle mit jeweils bis zu 500 Milliampere (mA) ansteuern kann

Zu den spezialisierten I/O-Optionen gehören das UR20-2CNT-100 mit zwei unabhängigen 32-Bit-100-kHz-Zählern und das UR20-2PWM-PN-0.5A, das zwei PWM-Ausgänge (Pulsweitenmodulation) mit bis zu 40 kHz ansteuert.

Feldbus-Vernetzung und Software-Intelligenz

Neben der I/O-Konsolidierung besteht eine wesentliche Funktion der dezentralen I/O-Systeme in der Anbindung an das Anlagennetz. Bei u-remote geschieht dies mit einem Feldbuskoppler. Diese Koppler sind für die meisten gängigen Feldbusprotokolle erhältlich. So unterstützt das UR20-FBC-PN-ECO beispielsweise PROFINET RT, während das UR20-FBC-EC Ethernet- und EtherCAT-Vernetzung bietet.

Jeder Feldbuskoppler verfügt zudem über einen integrierten Webserver. Dieser integrierte Server ermöglicht eine schnelle Fehlererkennung mit Klartext-Diagnose, was zu einer schnelleren Inbetriebnahme und kürzeren Ausfallzeiten führt. Die Server ermöglichen auch die Überwachung und Wartung des Systems während seiner gesamten Lebensdauer. Die Webserver können zum Beispiel Eingaben und Ausgaben simulieren. Diese Funktion ist praktisch für Tests, da sie es ermöglicht, das Verhalten der Station zu überprüfen, ohne das physisch mit den angeschlossenen Geräten interagiert werden muss.

Wie die Module hat Weidmüller auch das Feldbuskoppler-Programm über die Jahre kontinuierlich ausgebaut. Heute werden elf der gängigsten Protokolle unterstützt.

Fazit

Da die industriellen Abläufe immer effizienter werden, müssen sich Remote-I/O-Systeme anpassen. Das Weidmüller u-remote-System IP20 ist ein Beispiel für diese Entwicklung. Ausgehend von einer Basis aus ultraschlanken I/O-Modulen hat das System im Laufe der Jahre seine Möglichkeiten erweitert und unterstützt nun auch neue I/O- und Feldbusoptionen. Das modulare Design erfordert nur wenige Werkzeuge und sorgt für Effizienz bei der Entwicklung, Bereitstellung, Wartung und Aufrüstung von Remote-I/O-Systemen.