Universal I/O-Systeme haben sich in den vergangenen Jahren als wesentlicher Bestandteil aktueller Automatisierungsarchitekturen etabliert. Im Gegensatz zu klassischen I/O-Systemen erfolgt die Zuordnung der Signaltypen nicht mehr über spezifische Ein- und Ausgangskarten oder über Gruppen gleichartiger Signale. Dies geschieht nun softwareseitig auf der Kanalebene für sämtliche Signalarten wie Analog IN (AI), Analog Out (AO), Digital IN (DI) und Digital Out (DO). Im Vergleich zu klassischen I/O-Systemen verringert der Universal I/O-Ansatz somit die Anzahl spezieller Hardware-Komponenten und es kann auf Rangierebenen verzichtet werden. Auf diese Weise lassen sich modulare Schaltschränke mit einer hohen Kanaldichte realisieren. Die Lager- und Instandhaltung können durch den hohen Grad an Standardisierung bei Universal I/O-Systemen ebenfalls vereinfacht werden. Nutzt ein Anwender ein Universal I/O-System, benötigt er lediglich das UIO-Gerät mit jeweils acht, 16 oder 32 Kanälen. Das UIO-Gerät ist für jedes Universal I/O-System standardisiert, elektromechanisch aber immer gleich. Die Lösung erweist sich als viel kompakter als der Aufbau mit einem vergleichbaren Standard-I/O-Ansatz mit acht, 16 oder 32 Signalkarten pro Kanal in einem I/O-Karten-Racksystem.
Einsparpotenzial von bis zu 30 Prozent
Bei VIP I/O-Marshalling von Phoenix Contact handelt es sich um ein kompaktes Übergabe- und Signalaufbereitungssystem zwischen den Feldsignalen und einem Universal I/O-System. VIP I/O-Marshalling wurde für Anwendungen in der Prozessautomation konzipiert. Die modulare Struktur erleichtert die Planungs-, Installations- und Änderungsprozesse. Mit der Lösung wird das kanalorientierte Konzept des Universal I/O-Systems bis zum Feldanschluss weitergeführt. Abhängig von der Systemarchitektur und dem Projektumfang können sich die Aufwände in den Projektphasen vom Front-End Engineering Design (FEED) bis zum Site Acceptance Test (SAT) reduzieren. In einer Gegenüberstellung typischer Projektabläufe wurde ein Einsparpotenzial von bis zu 30 Prozent ermittelt. Diese Kostensenkung wird von Universal I/O-Herstellern allgemein beworben.
Späteres Stecken der IOA-Funktionsmodule
Das VIP I/O-Marshalling-System setzt sich aus den folgenden Bestandteilen zusammen: Termination Board, IOA-Funktionsmodulen (Input-Output-Accessory), Systemkabel und optional Überspannungsschutz-Steckmodulen. Das Termination Board bildet das Basiselement des Systems. Es wird auf der Standard-Hutschiene angebracht und verfügt über Anschlüsse für die Feldverdrahtung und die Spannungsversorgung der IOA. Hinzu kommen Steckplätze für die IOA sowie ein Anschluss für das Systemkabel zur Steuerungsseite. Um den Überspannungsschutz zu verwenden, gibt es ein eigenes Overvoltage Protection Termination Board. Es umfasst pro Kanal zusätzliche Steckplätze für die modularen Überspannungsschutzmodule und bietet in Summe bis zu 40 kA Überspannungsschutz je Termination Board.
Das Termination Board kann bereits in der frühen Planungsphase verbaut und verdrahtet werden. Die für die Applikation passenden IOA-Funktionsmodule lassen sich zu einem späteren Zeitpunkt werkzeugfrei stecken. Es müssen keine Signalleitungen mehr neu angeschlossen werden. Ein Sensor oder Aktor im Feld wird direkt mit dem Termination Board von VIP I/O-Marshalling verbunden. Werkzeugfreie Push-In-Kontakte auf der Feldseite des Termination Boards beschleunigen die Installation und Änderungen. Bei einer Modifikation der Signalfunktion bleiben die feldseitigen Anschlüsse aufgrund der stehenden Verdrahtung bestehen. Das gilt in jedem Fall, wenn es sich um Zweileiteranschlüsse handelt. Sind weitere Anschlüsse erforderlich, werden sie entsprechend ergänzt oder angepasst.
Kein Rangieren erforderlich
Die Signalaufbereitung erfolgt mithilfe applikationsspezifischer IOA-Funktionsmodule. Das Termination Board beinhaltet 16 Steckplätze zur Aufnahme der IOA-Funktionsmodule. Aktuell werden IOA mit folgenden Funktionen bereitgestellt: Durchgangsklemme, Sicherungsmodule, Relaismodule, Sicherheitsrelais, Trennverstärker und Messumformer sowie eigensichere Trennverstärker und Messumformer. Die eigensicheren IOA werden benötigt, sofern es um Explosionsschutz mit der Zündschutzart Eigensicherheit geht. Denn UIO-Systeme verfügen in der Regel über keine Ex i-Ein- und Ausgänge. VIP I/O-Marshalling erweitert somit die Anwendbarkeit der Universal I/O-Systeme. Mit den IOA-Funktionsmodulen lassen sich auch Feldsignale wie Thermoelemente oder Zwei-, Drei- und Vierleiter-Widerstandstemperatursensoren für den mA-AI-Eingang des jeweiligen Universal I/O-Systems umwandeln. Die Pinbelegung kann sich zwischen verschiedenen Universal I/O-Systemen unterscheiden, ist aber in dem entsprechenden System immer unverändert.
Von der Feldseite aus gesehen bietet VIP I/O-Marshalling die gleiche Flexibilität wie das Universal I/O-System auf der Kanalebene: Ein Feldsignal wird direkt auf dem Termination Board angeschlossen und läuft durch die zur Signalart passende IOA-Karte und das D-SUB-Kabel zum Universal I/O-System. Das bisherige Rangieren entfällt und der Anwender spart Marshalling-Schaltschränke und die hohen Verbindungsaufwände ein.
Ex-Anwendungen als Sonderdisziplin
Besonders deutlich wird die Bedeutung von Signal Conditioning in explosionsgefährdeten Bereichen. Die Anforderungen an die Zündschutzarten (beispielsweise Eigensicherheit), die galvanische Trennung und Zulassungen bleiben unabhängig von der gewählten I/O-Architektur bestehen. Der Universal I/O-Ansatz erfüllt diese Anforderungen nicht, sondern erfordert weiterhin eine normgerechte Umsetzung auf der Interface-Ebene. Denn die Universal I/O-Systeme umfassen normalerweise keine eigensicheren Ein- und Ausgänge und benötigen daher eine vorgeschaltete Interface-Ebene. Auch Nachhaltigkeitsaspekte müssen differenziert betrachtet werden. Die Vorteile von Universal I/O-Systemen ergeben sich insbesondere durch die reduzierte Variantenvielfalt, standardisierte Architekturen und den geringeren Engineering-Aufwand sowie den Einsatz von digitalen Zwillingen (DT4i).
Flexibilität im Betrieb
Die Flexibilisierung der I/O-Ebene durch den Universal I/O-Ansatz reicht allein nicht aus. Erst die Kombination von Universal I/O-Systemen und VIP I/O-Marshalling macht aufwendige Rangierebenen überflüssig. Sie ermöglicht zum einen zur Feldseite die flexible Aufnahme der jeweiligen Signalart auf der Kanalebene. Zur Steuerungsseite lassen sich andererseits Signalarten anschließen, die ein Universal I/O-System bislang nicht selbst verarbeiten kann. Optional können kanalweise steckbare Module für den Überspannungsschutz integriert werden.
Die Kombination aus dem Universal I/O-System und VIP I/O-Marshalling erweitert die Flexibilität beim Signalanschluss und der -aufbereitung. Dies bringt dem Anwender Vorteile bei der Planung, Installation, im Betrieb und bei Änderungen. Das Konzept lässt sich sowohl in zentralen ebenso wie in dezentralen Architekturen sowie in Greenfield- und Brownfield-Projekten verwenden.
