Aufbau und Funktion von I/O-Modulen der Steuerungstechnik

Prof. Dr.-Ing. Thomas Schmertosch (schmertosch.de/automatisierung) betreut seit 2014 an der HTWK Leipzig als Honorarprofessor die Fachgebiete ‚Komponenten der Automatisierung‘ sowie ‚Modulare Automatisierungssysteme‘. 1952 in Leipzig geboren, studierte und promovierte er als Kybernetiker und arbeitete bis zu seinem Ruhestand als Automatisierungsingenieur. Seit 2016 ist er freiberuflich als Fachautor und beratender Ingenieur rund um das Thema Automatisierungstechnik und Industrie 4.0 tätig.

Zu den Grundlagen der Automatisierungstechnik sind von Prof. Schmertosch erschienen:

• Industrielle Kommunikation in der Automatisierungstechnik
• Wozu dienen Feldbus und Industrial Ethernet?
• Was ist eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) und ist sie noch zeitgemäß?
• Welche Funktion haben I/O-Module und was können sie leisten?
• Für jede Aufgabe die richtige Antriebstechnik – ein Überblick
• Wozu dienen HMI-Systeme und welche Varianten gibt es?

Inhaltsverzeichnis

1. Welche Aufgaben müssen I/O-Module erfüllen?
2. Einfache, intelligente oder programmierbare I/O-Module für vielfältige Anwendungen
3. Grundsätzlicher Aufbau im Überblick
4. Intelligente I/O-Module mit vielfältigen Funktionen
5. I/O-Module: Multitalente der Steuerungstechnik

Welche Aufgaben müssen I/O-Module erfüllen?

Die grundsätzliche Aufgabe von Eingangskomponenten ist das Einlesen der von der Sensorik der Feld- und Schaltgeräte erfassten Prozesssignale und deren Aufbereitung für die Verwendung in der CPU. Ausgangskomponenten steuern mit den von der CPU bereitgestellten und aufbereiteten Daten die Aktorik an. I/O-Module bilden somit die Brücke zwischen den Feldgeräten und der CPU. Sie können in ihrer konstruktiven Ausführung von Hersteller zu Hersteller und je nach Systemausführung zwar sehr unterschiedlich gestaltet sein, grundsätzlich haben sie jedoch die alleinige Aufgabe der Kopplung von Feld- und Steuerungsebene.

Dazu müssen I/O-Module über geeignete Klemmstellen für die Verdrahtung und die EMV-Schutzbeschaltung verfügen und mit einer Vielzahl von Signalformen zurechtkommen, von denen zwar die meisten, aber längst nicht alle standardisiert sind. Letzteres gilt besonders für Automatisierungssysteme in der Gerätetechnik, worunter Waschmaschinen, Laserdrucker, medizinische und viele andere Geräte aus dem nichtindustriellen Bereich zählen. Bei der Automatisierung von Produktionssystemen existieren jedoch Standards, die eine Komponenten­auswahl und vor allem deren Kombination mit Feldgeräten vereinfachen. Typische digitale Signale haben beispielsweise einen Spannungspegel von 24 V_DC, typische analoge Signal­formen sind dagegen 0(4)-20 mA oder 0- bzw. +10 V_DC. Dazu kommen vielfältige Funktionen, wie z.B. zur Analog/Digitalwandlung und Normierung sowie diverse Filter oder auch Zähler.

Einfache, intelligente oder programmierbare I/O-Module für vielfältige Anwendungen

Wie in Bild 1 und 2 ersichtlich, werden I/O-Module entweder auf der zentralen oder einer dezen­tralen Backplane montiert. Während die zentralen Baugruppen von der CPU direkt über den Rückwand­bus bedient werden, erfolgt dies bei einem dezentralen Aufbau via Buscontroller und Feldbus (Bild 4). Prinzipiell können I/O-Module in die folgenden drei Klassen eingeteilt werden:

Einfache Module

• sind über singuläre Verdrahtung mit den Feld- und Schaltgeräten verbunden
• sorgen durch ihren elektrischen Aufbau für die erforderliche Potentialtrennung (optional)
• verfügen über Basisfunktionalitäten, wie z.B. die analog-digital- bzw. digital-analog-Wandlung sowie diverse Filterungsarten mit entsprechender Parametrierung
• Beispiele: einfache digitale und analoge Ein- und Ausgangsbaugruppen

Intelligente Module

• Eigenschaften wie einfache I/O-Module, jedoch mit Zusatzfunktionen
• Die konkreten Funktionen intelligenter Module können über Parameter eingestellt werden. Dazu verfügen sie über einen Vorrat an vorgefertigten Funktionen, welche direkt im I/O-Modul abgearbeitet, jedoch durch den Anwender nicht verändert werden können.
• Entlastung der CPU durch ausgelagerte Vor- und/oder Nachverarbeitung meist hoch­dynami­scher Funktionen
• Beispiele: digitale und analoge Ein- und Ausgangsbaugruppen mit Zähl- und Auswerte­funk­tionen, etwa für Antriebsaufgaben oder Condition Monitoring, Ansteuerbaugruppen für Kleinantriebe, Interfacemodule für die serielle Kopplung mit Feldgeräten z.B. via IO-Link

Programmierbare Module

• Eigenschaften wie intelligente I/O-Module – mit der Möglichkeit der Programmierung durch den Anwender
• Realisierung komplexer sensor- bzw. aktornaher Funktionen unabhängig vom Kompo­nenten­­hersteller
• Beispiele: Programmierbare Interfacecontroller für spezielle serielle Protokolle, I/O-Mo­dule für hochdynamische Signalverarbeitung in dezentralen Automatisierungssys­temen

Des Weiteren werden I/O-Module sowohl für die Montage in einem Schaltschrank oder -kasten in der Schutzart IP20 oder für die direkte Integration in das Produktionsumfeld in Schutzarten angeboten, die das Modul vor Schmutz, Wasser oder Öl schützen.

Zu I/O-Modulen gehören noch viele weitere Komponenten, so dass i.d.R. von einem I/O-System gesprochen wird. Das sind neben den eigentlichen Elektronik­komponenten zur Signalein- und -ausgabe auch Feld- und Busklemmen, Leitungen und Steckver­binder, System­gehäuse, Komponenten für die Kabelschirmung, Beschriftungsmaterial u.v.a.m.

Grundsätzlicher Aufbau im Überblick

Die Darstellung in Bild 3 zeigt das Funktionsprinzip von einfachen I/O-Modulen. Das digitale Eingangsmodul verfügt neben der Potentialtrennung lediglich über verschiedene Filter, wie z.B. ein Zeitglied zur Signalentprellung, während das analoge Modul zusätzlich noch eine digital/analog-Wandlung benötigt. Danach kommt die signalformabhängige Filterung sowie die Übergabe der Daten an die Zentraleinheit via Rückwandbus.

Des Weiteren können i.d.R. auch bei einfachen I/O-Modulen die Filter- und Wandlungsparameter über die CPU parametriert werden. Die dargestellten Varianten der Potentialtrennung zwischen Feld- und der Steuerungsebene sind beispielhaft und können auch ganz anders aussehen. Während im Bild das Eingangsmodul über eine Trennung jedes einzelnen Kanals erfolgt, wird das beim dargestellten analogen Modul nur einmal nach dem D/A-Wandler realisiert. Diese Variante ist besonders bei analogen Modulen interessant, da eine Kanal-Kanal-Trennung sehr aufwändig und zudem nur in wenigen Applikationen erforderlich ist.

Die Abarbeitung der Zusatzfunktionen intelligenter I/O-Module erfolgt durch den (in jedem Modul vorhandenen) internen Prozessor, der jedoch i.d.R. und im Gegensatz zu einfachen Modulen mit höherer Leistung ausgestattet wird. Wie am Beispiel eines Ausgangsmoduls in Bild 4 dargestellt, können intelligente Varianten sowohl über den Rückwandbus mit der CPU kommunizieren (siehe Bild 3) als auch via Feldbus in das Automatisierungssystem eingebunden werden. Dazu kommt, dass auch Diagnosefunktionen ausgeführt und die Ergebnisse an die CPU übermittelt werden können. Das kann beispielsweise die Überwachung der Laserdiode einer intelligenten Lichtschranke sein, deren Leistung und Funktionsfähigkeit überwacht wird. Aber auch eine überhöhte Temperatur, eine nicht ausreichende Stromversorgung, Verdrahtungsfehler oder die Verschmutzung des Schutzglases können diagnostiziert und überwacht werden.

Bild 5 zeigt das Prinzipschema eines programmierbaren Mischmoduls mit einem digitalen Ein- und Ausgang, welches auch über ein Feldbusinterface verfügt. Zusätzlich kann hier der lokale Prozessor im Unterschied zu den intelligenten Modulen auch ein Anwenderprogramm abarbeiten.

Erwähnenswert sind noch die konstruktiven Besonderheiten hinsichtlich einer sparsamen bzw. montagefreundlichen Verkabelung. So können die I/O-Kanäle innerhalb der Module auf sehr unterschiedliche Weise verschaltet werden. Das hängt nicht nur von der Signalform ab, sondern u.a. auch von der Packungsdichte (Granularität) oder der Hilfsenergieversorgung.

Sollen im Fall einer Schaltschrankmontage beispielsweise sehr viele gleichartige Signale erfasst werden, so bieten sich I/O-Module mit einer Einzelkanalbelegung an (siehe Bild 6 linker Teil). Dabei wird pro Kanal auf dem I/O-Modul nur eine Klemmstelle benötigt, während die weitere Verdrahtung außerhalb des Moduls im Schaltschrank erfolgt. Im Gegensatz dazu kann für den Anschluss von Feldgeräten, die eine zusätzliche Hilfsenergieversorgung benötigen, oder für die Ansteuerung von Schützen und Relais auch die komplette Beschaltung am I/O-Modul erfolgen (siehe Bild 6 rechter Teil).

Was ist eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) und ist sie noch zeitgemäß?

Intelligente I/O-Module mit vielfältigen Funktionen

Üblicherweise werden in I/O-Modulen mehr oder weniger funktionale Erweiterungen angeboten, die beispielsweise die Qualität der Signalein- und -ausgabe verbessern oder durch eine Vorverarbeitung die Echtzeitfähigkeit verbessern, um somit die CPU zu entlasten. Diese Funktio­nalität kann bei einfachen Modulen z.B. allein ein Tiefpassfilter sein, bei intelligenten Modulen dagegen mit Zähl- und Auswerte- sowie Diagnose- und Netzwerkfunktionen sehr umfangreich sein. Beispiele von Funktionen intelligenter I/O-Module sind:

• Zähler und Zeit
  Ereigniszähler, Zeitmessung, Zeitstempel
• Positionserfassung
  Interface für relative/absolute Positionsgeber, AB-Zähler mit Referenzimpuls
  
• Digitale Signalverarbeitung und -aufbereitung
  Oszilloskop-Funktion, gleitender Mittelwert, Berechnung von Wirk-, Blind-, Scheinleistung, Schwingungsmessung und -analyse zum Condition Monitoring
  
• Empfänger und Sender für serielle Schnittstellen
  Feldbusse u.ä. (CAN, Profibus, HART, ASi bzw. IO-Link)
  
• Ansteuerungen für Kleinantriebe
  direkte Ansteuerung von DC- und Schrittmotoren kleiner Leistung inkl. Geberinterface, PWM-Ausgänge zur Ansteuerung von elektromechanischen Lasten
  
• Maschinensicherheit (Safety)
  zertifizierte Komponenten für sichere Automatisierung
  

Dazu kommen die Möglichkeiten der Programmierung von individuellen Funktionen bei den programmierbaren Modulen.

Erwähnenswert ist noch das elektronische Typenschild, mit dem eine individuelle Parametrierung von I/O-Modulen (und anderen Komponenten des Automatisierungssystems) durch das Anwenderprogramm ermöglicht wird. Dazu gehören Informationen wie Modultyp, eindeutige Serien- und Versionsnummer sowie vorhandener Funktionsumfang. Sind diese Informationen von der Programmierumgebung verwertbar, können die Systemkonfiguration automatisiert, flexible Varianten ermöglicht und Fehler sowohl bei der Inbetriebnahme als auch im Servicefall vermieden werden.

Wozu dienen Feldbus und Industrial Ethernet?

Beispielsweise kann das Typenschild nach einem Komponententausch automatisch durch das Anwenderprogramm ausgelesen und mit dem Sollzustand verglichen werden. Wird ein Fehler festgestellt, kann die Programmabarbeitung unterbrochen und dem Techniker eine Fehlermeldung gegeben werden. Wird dagegen das richtige Modul vorgefunden, kann es automatisch parametriert und das entsprechende Anwenderprogramm ohne wertvollen Zeitverlust gestartet werden.

I/O-Module: Multitalente der Steuerungstechnik

Allein die zahlreichen Bauformen, Funktionen und Parametriermöglichkeiten machen aus I/O-Modulen echte Multitalente, die ganz wesentlich zu einem erfolgreichen Automatisierungsprojekt beitragen können. Daher gehört die Auswahl dieser Komponenten zu einer der wesentlichsten Aufgaben bei der Konfiguration eines Steuerungssystems.

Automatisierung 4.0: Objektorientierte Entwicklung modularer Maschinen

Übersicht zu den Beiträgen der Serie Grundlagen der Automatisierungstechnik von Prof. Schmertosch:

• Industrielle Kommunikation in der Automatisierungstechnik
• Wozu dienen Feldbus und Industrial Ethernet?
• Was ist eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) und ist sie noch zeitgemäß?
• Welche Funktion haben I/O-Module und was können sie leisten?
• Für jede Aufgabe die richtige Antriebstechnik – ein Überblick
• Wozu dienen HMI-Systeme und welche Varianten gibt es?

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