I/O-Systeme Flexibles I/O-Rangiersystem erfüllt alle Anforderungen

Im Vergleich zu klassischen I/O-Systemen bieten Universal-I/O-Systeme eine Vielzahl von Vorteilen. Doch ohne ein geeignetes I/O-Rangiersystem bleiben zahlreiche Anforderungen unerfüllt. Lernen Sie eine passende Lösung für die Prozessindustrie kennen.

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Der Grundaufbau von Messketten in prozesstechnischen Anlagen hat sich etabliert und wird seit Jahren in ähnlicher Form angewendet. In der Regel sind viele verschiedene Sensoren und Aktoren notwendig, um sämtliche Prozesse zu erfassen, zu überwachen und zu automatisieren. Die unterschiedlichen Feldsignale werden zunächst in dezentralen Feldboxen gesammelt, danach über Stammkabel zu einer zentralen Marshalling-Ebene geführt und von dort gemäß ihrer Signalart sortiert und zusammengefasst. Darauf folgt die Signalaufbereitung über analoge und digitale Interface-Bausteine in einer gesonderten Ebene.

Klassisch kommen hier Trennverstärker und Messumformer zum Einsatz, welche die Feldsignale galvanisch zur Steuerung trennen, Messsignale umwandeln und verstärken sowie ungewünschte Störsignale herausfiltern. Des Weiteren findet dort die Ex-Trennung statt, also die Separierung von explosionsgeschützten Messkreisen nach der Zündschutzart Eigensicherheit und nicht-eigensicheren Messkreisen. Die so aufbereiteten Signale werden über Systemverkabelungen an DCS-Systeme und signalspezifische I/O-Karten angebunden.

Auflösung starrer Strukturen

Der beschriebene Grundaufbau hat sich zwar durchgesetzt, führt aber aufgrund fehlender Flexibilität, starrer Strukturen und eines erheblichen Installations- und Inbetriebnahmeaufwands immer wieder zu Verzögerungen und wachsenden Kosten im Gesamtprojekt. Betroffen sind Erweiterungs- und Modernisierungsmaßnahmen in Bestandsanlagen – sogenannte Brownfield-Projekte – ebenso wie neue Anlagen (Greenfield-Projekte). Deshalb formulieren Anlagenbetreiber konkrete Anforderungen an die Planer und Lieferanten: Systeme sollen flexibler werden und sich an veränderte Anforderungen adaptieren lassen. Ein solch hohes Maß an Flexibilität muss vom initialen Projekt über den gesamten Lebenszyklus sichergestellt sein.

Zur Realisierung der Betreiberwünsche haben die ersten Hersteller von Prozessleitsystemen Universal-I/O-Lösungen vorgestellt. Der Unterschied zu klassischen I/O-Systemen basiert auf einer flexiblen Parametrierung, die individuell für jeden Kanal durchgeführt werden kann. Bei einem System mit 16 Kanälen lassen sich auf diese Weise z. B. von den ersten vier Kanälen analoge Eingangssignale und den nächsten zwölf Kanälen digitale Eingangssignale verarbeiten. Ändern sich die Rahmenbedingungen, können die Kanäle einzeln über eine geeignete Software angepasst werden, die Hardware bleibt unberührt.

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Klassische I/O-Systeme sind hingegen so aufgebaut, dass die I/O-Karten stets einem spezifischen Signaltyp entsprechen. Eine achtkanalige analoge Eingangskarte kann somit nur Signale von einem Typ erfassen. Das Umparametrieren einzelner Kanäle ist nicht möglich. Gründet sich das Design der Prozessanlage auf klassischen I/O-Systemen, geht eine Änderung der Anforderungen in der Regel mit einer aufwändigen Adaption der Hardware einher.

Zunächst wirken die Unterschiede zwischen klassischen und Universal-I/O-Systemen überschaubar. Wenn es um die Planung und Umsetzung von Signalrangierungen geht, entfalten Universal-I/O- Systeme allerdings ihren vollen Nutzen. Da sich die I/Os zu jeder Zeit kanalweise umparametrieren lassen, entfällt die Notwendigkeit einer langwierigen Planung hinsichtlich der Signalrangierung. Des Weiteren ist es in der Planungsphase unerheblich, welche Signalarten später in der Anlage benötigt werden: Die Konzeption erfolgt ausschließlich auf der Grundlage der Gesamtzahl der I/Os. Als zusätzlicher Vorteil erweist sich, dass sich die aufwändige Rangierung von Signalen erübrigt.

Anforderungen bislang nicht vollständig umsetzbar

Stellt sich die Frage, ob Universal-I/O-Systeme sämtliche Ansprüche der Anlagenbetreiber an die Systemhardware erfüllen. Die Antwort lautet: Jein. Zwar bieten diese Systeme eine bisher unbekannte Flexibilität bei der Projektierung sowie im laufenden Betrieb. Außerdem werden Designabhängigkeiten beseitigt, sodass eine detaillierte Aufschlüsselung jedes Anlagenteils in Bezug auf die erforderlichen Signalarten obsolet ist. Lediglich die Frage, welches System eingesetzt werden soll, verbleibt beim Betreiber.

Bei Universal-I/O-Systemen ergeben sich dennoch Einschränkungen, denn sie können die wichtigen Aufgaben der Interfaceebene nicht vollständig leisten. Als Beispiel sei die Limitierung auf 24 V DC und einen maximalen Strom von weniger als 1 A genannt. Das schließt die Nutzung von Aktoren mit beispielsweise 230 V Nennspannung aus. Ferner gilt es Anlagenteile zu betrachten, in denen explosionsfähige Atmosphären vorherrschen. Im klassischen Aufbau werden hier häufig eigensichere Interfacebausteine verwendet, etwa Trennverstärker, Schaltverstärker oder Messumformer. Diese Bausteine dienen zudem der galvanischen Trennung von Ein- und Ausgangskreisen, um Erdschleifen zu verhindern, sowie zur Wandlung und Filterung von Signalen.

Funktionen durch Steckmodule anpassbar

Wie lassen sich diese Grenzen der Universal-I/O-Systeme nun überwinden? Das flexible I/O-Rangiersystem VIP I/O-Marshalling von Phoenix Contact bietet sich als Lösung an. Dabei handelt es sich um ein System, das aus einem Basiselement, Steckmodulen und Systemverkabelungs-Lösungen besteht. Die Basiselemente, die in acht- und 16-kanaliger Ausführung erhältlich sind, werden auf Standardhutschienen aufgerastet. Pro Kanal stehen dem Basiselement Steckplätze zur Verfügung, die von sogenannten Input-Output-Accessories (IOA) belegt sind. Diese Funktionsbausteine ermöglichen weitere Anpassungen am Signal, wenn dies gefordert wird. Das Programm reicht von einfachen Durchgangsklemmen bis zu Trennverstärkern und Messumformern, die wahlweise Zulassungen für den Betrieb in eigensicheren und funktional sicheren Messkreisen aufweisen.

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An dieser Stelle wird ein anderer Vorteil von VIP I/O-Marshalling sichtbar: Da sich die Funktionen kanalweise durch die Steckmodule adaptieren lassen, muss an der Feldverdrahtung nichts geändert werden. Folglich entfallen auch erneute Verdrahtungsprüfungen. Diese Programmabrundungen komplettieren das Portfolio von VIP I/O-Marshalling, weshalb die Anforderungen aus der Prozessindustrie jetzt abgedeckt werden. Als dritter Baustein sind die Systemverkabelungs-Lösungen anzuführen, welche die Basiselemente mit den Universal-I/O-Systemen verbinden. Die Kombination aus Universal-I/O-System und flexiblem I/O-Rangiersystem wird somit ebenfalls den Ansprüchen der End­anwender gerecht, die hinsichtlich der Interface- und Rangierebene gestellt werden.

Fazit: Das flexible I/O-Rangier- system VIP I/O-Marshalling bietet ein umfangreiches Produktsortiment, das die Einsatzmöglichkeiten von Universal-I/O-Systemen erweitert und zur attraktiven Alternative für Greenfield- und Brownfield-Projekte macht. Betreiber können ihre Anlagen nun mit einem dezentralen Ansatz realisieren, ohne dass der Hardware­bedarf steigt. Planer profitieren von einem ungekannten Maß an Flexibilität, das sich ebenso in einer deutlichen Reduzierung des Projektrisikos abbildet.

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