Was ist Remote I/O und wie reduziert es die Verdrahtungskosten in großen Industriesystemen?

Der Remote-I/O-Modul wird in der Nähe von Feldgeräten platziert, anstatt jedes Signal zu einer zentralen Stelle zu leiten. SPS Schaltschrank. Diese Konfiguration reduziert die Verkabelungskosten, indem lange Kabel durch kurze lokale Leitungen und eine einzige Netzwerkverbindung zum Controller ersetzt werden.

In einer herkömmlichen Konfiguration werden Sensoren und Aktoren direkt an die SPS-Klemmen im Schaltschrank angeschlossen. In einer Remote-I/O-Modul, Die Module werden im Außenbereich in der Nähe von Pumpen, Ventilen, Motoren, Förderbändern oder Instrumenten montiert. Sie werden über Protokolle wie PROFINET, EtherNet/IP, PROFIBUS und Modbus TCP mit der SPS verbunden. 

Dieser Artikel analysiert Remote-I/O versus lokale I/O und deren Anwendung zur Reduzierung der Verkabelungskosten.

Warum Remote-I/O verwenden? 

Stellen Sie sich einen Anlageningenieur vor, der über 500 Signalpunkte in einer 10.000 Quadratfuß großen Anlage verwaltet. Jeder Sensor, jedes Ventil und jeder Motor ist über ein eigenes Kabel mit einem zentralen Bedienfeld verbunden.

Mit zunehmender Anzahl an Geräten füllt sich der Verteilerkasten schnell. Die Kabelwege werden länger. Die Installationskosten steigen. Tritt ein Fehler auf, dauert die Fehlersuche im Kabelgewirr Stunden oder sogar Tage.

Die herkömmliche Verkabelung verursacht drei sich gegenseitig verstärkende Kostenprobleme:

1. Lange Kabelstrecken erhöhen sowohl die Materialkosten als auch den Installationsaufwand.
2. Komplexe Bedienfelder verlangsamen die Fehlersuche und erhöhen die Wahrscheinlichkeit für Probleme. Instandhaltungskosten.
3. Jede Layoutänderung erfordert eine Neuverkabelung, was ein teurer und zeitaufwändiger Prozess ist.

A Remote-I/O-Modul Dies wird dadurch gelöst, dass die E/A-Einheiten in der Nähe der Feldgeräte platziert werden. Nur ein oder zwei Kommunikationskabel führen zurück zum Controller.

Das Ergebnis sind kürzere Feldverdrahtungen, einfachere Schaltschränke und eine schnellere Inbetriebnahme. Projekte, die … verteilte E/A Durch die Architektur konnten die Kosten für Kabelmaterial im Vergleich zur zentralen Verkabelung routinemäßig um 30 bis 50% gesenkt werden.

Was ist ein Remote-IO-Modul? 

A Remote-I/O-Modul Es handelt sich um eine kompakte Einheit, die in der Nähe von Feldgeräten installiert wird. Sie erfasst Sensoreingaben und steuert Aktorausgaben vor Ort an und überträgt anschließend alle Daten über ein einziges Netzwerkkabel an die SPS.

Schneider Modicon TM3 Erweiterungs-E/A-Module

Hersteller: Schneider Electric
ModellModicon TM3 Erweiterungs-E/A-Module
Digitale Eingänge: 4 ms (ein/aus)
Stromversorgung: 24 V DC; max. Leistungsaufnahme 3,6 W für Sicherheitsmodule

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Dies ist die Kernidee dahinter verteilte E/A: die E/A-Einheiten über die gesamte Anlage zu verteilen und sie alle in einem einzigen Netzwerk zu verbinden. 

Nachfolgend finden Sie eine Vergleichstabelle zum Vergleich von Remote-I/O- und Local-I/O-Modulen:

Die Entscheidung zwischen Remote-E/A vs. lokale E/A Das wird deutlich, wenn man mehr als 100 E/A-Punkte über eine große Anlage verteilt hat. In diesem Umfang, verteilte E/A Die Architektur ist zentralisierter Verkabelung hinsichtlich Kosten und Wartungsfreundlichkeit durchweg überlegen.

Welche Kommunikationsprotokolle sind für Remote-IO-Module am weitesten verbreitet?

Jeder Remote-I/O-Modul Es verwendet ein Industrieprotokoll zur Kommunikation mit der Steuerung. Die drei gängigsten Optionen eignen sich jeweils für unterschiedliche Umgebungen und SPS-Hersteller.

Modbus TCP / Modbus RTU

Modbus ist das am weitesten verbreitete Protokoll für industrielle E/A und arbeitet nach dem Anfrage-Antwort-Prinzip. Modbus RTU nutzt die serielle Schnittstelle RS-485, die störungsresistent und für lange Kabelstrecken geeignet ist.

Der Modbus TCP Es läuft über Standard-Ethernet. Dadurch ist die Integration in Werksnetzwerke schneller und einfacher. Beide Varianten werden von den meisten SPS-Herstellern unterstützt.

Diese Konfiguration eignet sich am besten für die Integration bestehender Systeme, schrittweise Modernisierungen und kostensensible Projekte.

PROFINET (Fieldbus Remote IO)

Feldbus-Fern-E/A Die Verwendung von PROFINET unterstützt Echtzeit-Zykluszeiten unter 1 ms. Dadurch eignet es sich ideal für Bewegungssteuerung und Hochgeschwindigkeitsautomatisierung.

PROFINET unterstützt Daisy-Chain-, Stern- und Ringtopologien. Diese Flexibilität reduziert die Hardwarekosten für Switches in großen Installationen mit mehreren Zonen.

Diese Konfiguration ist am besten geeignet für Siemens SPS-Umgebungen, komplexe Automatisierungszellen und Hochgeschwindigkeitsproduktionslinien.

EtherNet/IP-E/A

EtherNet/IP I/O Es nutzt die Standardprotokolle TCP/UDP/IP und lässt sich daher nahtlos in bestehende IT-Netzwerke integrieren. Es unterstützt sowohl implizite Nachrichtenübermittlung für Echtzeit-E/A als auch explizite Nachrichtenübermittlung für Diagnosezwecke.

Dieses Protokoll ist der vorherrschende Standard in der nordamerikanischen Fertigungsindustrie. SPSen von Allen-Bradley und Rockwell Automation nutzen es nativ.

Diese Konfiguration eignet sich am besten für die Fertigung großer Einzelteile, Automobilproduktionslinien und die Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung.

Ein praktischer Tipp ist, das Protokoll an die Marke Ihrer SPS anzupassen, wenn Sie eine SPS spezifizieren. Remote-IO-Modul. Fehlkonfigurationen erhöhen die Integrationskosten und verzögern die Inbetriebnahme um Tage.

Anwendungsszenarien von Remote-I/O

In diesem Abschnitt erfahren Sie mehr über Szenarien, in denen Remote-I/O-Modul Die Implementierung erweist sich als budgetfreundlicher.

Szenario 1: Automobilmontagelinie

Ein 300 Meter langes Förderband transportiert 8 Produktionszonen. Jede Zone verfügt über Näherungssensoren, Motorantriebe und Sicherheitsverriegelungen. Alle Signale führten einst über einzelne Kabel zu einem Bedienfeld.

• Lösung: IP67 Remote-I/O Auf der Leitungsstruktur montierte Module, in Reihe geschaltet über EtherNet/IP-E/A.
• Ergebnis: Pro Zone wurden über 200 Meter Kabel eingespart. Die Inbetriebnahmezeit verkürzt sich auf 401 TP4T. Störungen werden nun innerhalb weniger Minuten am betroffenen Knotenpunkt lokalisiert.

Szenario 2: Wasseraufbereitungsanlage im Freien

Pumpen, Durchflusssensoren und Ventilantriebe sind im Freien im Einsatz. Die Temperaturschwankungen reichen von -25 °C bis +75 °C. Regen und Staub sind allgegenwärtig.

• Lösung: Verwenden IP67 Remote-I/O Module mit Überspannungsschutz nach IEC 61000-4-5 und ESD-Schutz nach IEC 61000-4-2, die auf Modbus TCP.
• Ergebnis: Stabiler Betrieb das ganze Jahr über. Die Panelgröße wird durch 60% reduziert. Die Sensorerweiterung erfordert nun keine Neuverkabelung des Panels mehr.

Szenario 3: Großes Logistikzentrum

In einem 50.000 Quadratfuß großen Lagerhaus sind Förderbänder, Barcode-Scanner und Magnetventile über eine breite Fläche verteilt. Die Anordnung der Anlagen wird vierteljährlich geändert.

• Lösung: Anwenden verteilte E/A An jedem Förderbandknotenpunkt befinden sich Knoten, die über ein einziges PROFINET-Backbone miteinander verbunden sind.
• Ergebnis: Die Umkonfigurationszeit wird von 3 Tagen auf 4 Stunden verkürzt. Für Layoutänderungen ist keine Neuverkabelung der Schalttafel erforderlich.

Sechs Kaufkriterien für ein Remote-IO-Modul

Die Wahl des richtigen Remote-I/O-Modul Eine sorgfältige Beschaffung verhindert Nacharbeiten, Verzögerungen und Budgetüberschreitungen. Berücksichtigen Sie diese sechs Faktoren, bevor Sie eine Bestellung aufgeben:

1. Protokollkompatibilität: Bestätigen Sie die Unterstützung für Modbus TCP, PROFINET oder EtherNet/IP I/O um zu Ihrer bestehenden SPS zu passen.
2. Umweltbewertung: Verwenden IP67 Remote-I/O Für feuchte, staubige oder Außenumgebungen. Die Standard-Schutzart IP20 ist nur für trockene Innenpaneele geeignet.
3. I/O-Mix: Prüfen Sie, ob die digitalen (DI/DO), analogen (AI/AO) und speziellen Eingänge (RTD, Thermoelement, Relais) zu Ihren Feldgeräten passen.
4. Überspannungs-/ESD-Schutz: Die Einhaltung der Normen IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) und IEC 61000-4-5 (Überspannungsschutz) gewährleistet einen stabilen Betrieb auch unter rauen Umgebungsbedingungen.
5. Topologieunterstützung: Modelle mit zwei LAN-Anschlüssen unterstützen die Reihenschaltung von Kabeln, wodurch die Hardwarekosten für den Switch deutlich reduziert werden.
6. Anbieter-Ökosystem: Prüfen Sie vor der Festlegung auf eine Plattform die Verfügbarkeit von Ersatzmodulen, Firmware-Unterstützung und Integrationsdokumentation.

Abschluss

A Remote-I/O-Modul Die Signalverarbeitung wird näher an das Feld verlagert. Dadurch werden Kabelwege verkürzt, das Bedienfeld vereinfacht und große Systeme schneller aufgebaut und einfacher gewartet.

Wählen Sie Ihr Protokoll entsprechend Ihrer vorhandenen SPS und dem Projektumfang. Sie können Modbus TCP, PROFINET oder … auswählen. EtherNet/IP I/O. angeben IP67 Remote-I/O für alle Außenbereiche oder Umgebungen, die abgespült werden.

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