Einer der Automatisierungshersteller, die in Nürnberg Neues im I/O-Bereich zu vermelden hatten, war Omron mit seiner modularen E/A-Plattform inklusive Safety für die Sysmac-Steuerungsfamilie. Zur Erinnerung: Exakt vor einem Jahr stellte der japanische Automatisierungstechnik-Hersteller mit dem „System for Machine Automation Control“ ein All-in-One-Konzept für die gesamte Maschine oder Produktionszelle vor, basierend auf nur einer Steuerung für SPS-Aufgaben und Motion Control sowie Ethercat als durchgängigem Maschinen-Netzwerk. Im Fokus der Markteinführung vor einem Jahr stand zunächst der NJ5-Controller mit diversen CPUs für die Ansteuerung von 16, 32 und 64 Achsen.

Was bislang noch fehlte, war ein auf das neue Controller-Konzept zugeschnittenes E/A-System. Zwar hat Omron mit dem so genannten „Slice“-I/O-System seit 2005 eine Remote-E/A-Lösung für den Anschluss an sechs unterschiedliche Bussysteme im Programm; dessen interne Busgeschwindigkeit ist allerdings geringer als die von Ethercat und auch eine Synchronisation von internem und externem I/O-Bus – eine wesentliche Voraussetzung für eine deterministische E/A-Kommunikation und Safety – war damit nicht gegeben. Darüber hinaus sollten innerhalb der Sysmac-Welt sowohl bei den lokalen E/As der NJ-Controller als auch bei den Remote-Stationen die gleichen Module verwendbar sein. Vor diesem Hintergrund war laut Josep Marti, Motion-Spezialist bei Omron, die Entwicklung einer neuen Technologie unabdingbar. Das Resultat – die E/A-Plattform „NX-I/O series“ – zeigte der japanische Automatisierungstechnik-Anbieter nun erstmals auf der SPS IPC Drives 2012.

Ein Kern-Feature der E/A-Plattform „NX-I/O series“ ist die Nutzung der „Distributed Clock“-Funktion von Ethercat, um das deterministische Verhalten zu erreichen. Ebenfalls komplett neu entwickelt wurde der interne I/O-Bus mit einer Performance im Gigabit-Bereich. Die ultraschnelle Kommunikation innerhalb der Sysmac-E/A-Sta­tionen erlaubt es Marti zufolge, Daten weit unterhalb des Ethercat-Zyklus zu erfassen und mit Zeitstempeln zu versehen. Mit Hilfe der Distributed Clocks von Ethercat sind diese Zeitstempel im gesamten Netzwerk synchronisiert und weisen einen Jitter kleiner einer Mikrosekunde auf. „Damit sind deutlich höhere Positioniergenauigkeiten und wesentlich präzisere Zeitabläufe in Maschinen und Anlagen erreichbar als mit konventionellen Automatisierungslösungen“, stellt Marti den Nutzen der geplanten High-Speed-I/Os heraus, welche im Laufe des kommenden Jahres zusätzlich zu den Standard-Digital-I/Os für nicht zeitkritische Anwendungen verfügbar sein sollen. Ebenfalls in der Planung sind diverse Analogeingänge, Positionier-I/Os und auch spezielle Eingänge zum Anschluss von Temperatursensoren. Generell lassen sich pro E/A-Station bis zu 64 der 12 beziehungsweise 24 mm breiten Module aneinanderreihen.

Theo Mattaar, Product Marketing Manager bei Omron Europe: "Die physische Trennung von Standard- und Safety-Controller hat gute Gründe."

© Omron Europe

Untrennbar verbunden mit dem E/A-System ist die ebenfalls komplett neu entwickelte Safety-Lösung. Letztere besteht aus dem programmierbaren Safety-Controller ‚Sysmac NX‘ und den dazugehörigen sicheren E/A-Modulen, die sich an beliebiger Stelle im E/A-System platzieren lassen. Während der Safety-Controller die Sicherheitslogik übernimmt und gleichzeitig als Ethercat-Slave fungiert, bearbeitet der Standardcontroller die nicht-sicheren Steuerungsaufgaben sowie die Masterfunktion für das Ethercat-Netzwerk. Sichere Signale werden über das Protokoll FSoE (Fail Safe over Ethercat) ausgetauscht, nicht-sichere Signale über Standard-Ethercat. „Dabei sind keinerlei zusätzliche Anforderungen an Koppler und an die Netzwerk-Infrastruktur nötig“, betont Marti.

Auf die Frage, warum Omron den Safety-Controller nicht direkt in den Standard-Controller mit integriert hat, sondern stattdessen als Subsystem innerhalb der E/A-Plattform platziert, entgegnet Theo Mattaar, der für Europa zuständige Product Marketing Manager: „Nicht alle Anwender wollen Safety im Standard-Controller. Daher haben wir beide Welten physisch getrennt, in der Software aber trotzdem voll integriert. Vorteil ist, dass Standard und Safety hardwaremäßig separat voneinander skalierbar sind.“

Nur 65 mm² pro Kanal

„Schaltschrankplatz ist Geld“ – mit diesen wenigen Worten bringt Andreas Melkus die Motivation für die Entwicklung des ebenfalls neuen E/A-Systems „S-Dias“auf den Punkt. Mit dessen Abmessungen von nur 12,5 mm × 103,5 mm × 72 mm (B×H×T) und bis zum 20 Kanälen pro Modul ist der Geschäftsführer Entwicklung und Vertrieb des österreichischen Automatisierungstechnik-Anbieters überzeugt, eine weltweit bis dato unerreichte Packungsdichte realisiert zu haben.

Andreas Melkus: "Die mechanische Querverriegelung der Module ist einzigartig."

© Sigmatek

Bei der S-Dias-Serie handelt es sich um eine Komplettmodullösung, das heißt Hutschienenbefestigung, Elektronik und Bus sind in einem Gehäuse vereint. Dies ermöglicht Melkus zufolge eine schnelle und werkzeuglose Montage der Module, die einzeln oder blockweise vormontiert werden können. Da Standardstecker mit Push-in-Verdrahtung zum Einsatz kommen, lassen sich diese in der Serie vorkonfektionieren und im Servicefall unkompliziert lösen. LEDs direkt neben den einzelnen Kanälen ermöglichen eine rasche und eindeutige Zuordnung und Diagnose. Nicht zuletzt braucht der Anwender künftig nur noch ein Modul anstelle von zwei bis drei Einzelteilen bestellen.

Die I/Os sind untereinander formschlüssig verbunden und mechanisch querverriegelt. Zudem wurde die Modul-Versorgung und Busverbindung mit Mehrfachkontakten realisiert. Standard- und Safety-Baugruppen – letztere erfüllen die Anforderungen nach SIL 3 gemäß IEC 62061 und EN ISO 13849-1, Kategorie 4, PL e – lassen sich im System beliebig kombinieren. Als externer wie interner Bus fungiert die von Sigmatek entwickelte, ethernetbasierte Varan-Lösung, welche eine Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Mbit pro Sekunde ermöglicht.

Doch warum ein neues I/O-System, wo Sigmatek doch mit Dias und C-Dias bereits zwei unterschiedliche E/A-Konzepte im Portfolio hat? Neben dem Argument der höheren Packungsdichte und Schnelligkeit vereint S-Dias Melkus zufolge die Vorteile der beiden vorgenannten Konzepte in idealer Weise. Während beispielsweise Dias ausschließlich 3-Leitertechnik bietet und C-Dias lediglich Einleiter-Technik, eröffnet S-Dias künftig die Möglichkeit zur 1-, 2- oder 3-Leitertechnik – ohne Zwischenklemmung für Versorgung und Ground. Als weiteren Vorteil des neuen Systems nennt der Sigmatek-Geschäftsführer die Hutschienenmontage mit einfacher Schnapptechnik.

Neben dem Varan-Interface gibt es Module mit 4/8/20 digitalen Eingängen, eines mit 12 digitalen 2-A-Ausgängen, eines für bis zu 20 Potenzialverteiler-Klemmen sowie eines für 20 Leistungsverteiler-Klemmen. Auf der „sicheren Seite“ wird es neben einer Safety-CPU ein Modul mit zehn zweikanaligen digitalen Eingängen geben. Weiterhin ein Modul mit vier zweikanaligen Ausgängen und eines mit zwei zweikanaligen Relais-Ausgängen. Die Markteinführung und damit Verfügbarkeit aller Module stellt Melkus im zweiten Quartal 2013 in Aussicht.

Aktuell ist S-Dias also als Erweiterung der I/O-Welt von Sigmatek zu sehen. Mittel- und langfristig soll es gleichwohl sowohl die Dias-Serie als auch C-Dias ersetzen. Worauf Melkus in diesem Zusammenhang jedoch Wert legt: „Wir werden keinen Kunden zum Umstieg zwingen.“

Ein Modul für (fast) alles

Geringer Platzbedarf stand auch bei der Entwicklung des flexiblen I/O-Moduls GIO212 von Bachmann Electronic im Vordergrund. Das Besondere an diesem Modul: Jeder der 12 Kanäle ist als digitaler oder analoger Ein- beziehungsweise Ausgang konfigurierbar. Somit reicht künftig eine einzige Baugruppe für den Einsatz unterschiedlichster Sensoren und Aktoren.

Gunnar Vogel, Bachmann Electronic: "In einem einzigen Modul sind erstmals alle üblicherweise genutzten I/O-Funktionen einer Automati­sierung gelöst. Und trotzdem ist es nicht teurer als ein Standard-Analog-Modul."

© Bachmann Electronic

Der Hintergrund für diese Neuentwicklung: Aufgrund der Verschiedenheit der im Maschinen- und Anlagenbau zu verarbeitenden Signale ist laut Gunnar Vogel, Produktmanager bei Bachmann Electronic, heute eine Vielzahl unterschiedlicher E/A-Baugruppen nötig. Werden nur wenige externe Signale eingebunden – beispielsweise bei kleinen Anlagen –, gelinge deshalb nur selten die optimale Auslegung der Automatisierung. „Die meisten Module sind daher mit deutlich weniger Signalen belegt, als ihrer eigentlichen Kapazität entspricht“, merkt Vogel an und ergänzt: „Dies führt zu höheren Kosten, benötigt mehr Platz im Schaltschrank und erfordert aufgrund der Unterschiedlichkeit der Module eine umfangreiche Ersatzteilbewirtschaftung.“

Das GIO212 soll dieses Dilemma lösen: Alle Kanäle des universellen I/O-Moduls sind wahlweise als analoge oder digitale Eingänge oder Ausgänge, als Zähler oder Eingang zur Temperatur- beziehungsweise Widerstandsmessung konfigurierbar. Je nach gewählter Funktion kann ein Kanal mit bis zu zwei Funktionen belegt werden (Mischmodus-Betrieb).

Die digitalen Eingänge beispielsweise lassen sich als Typ 1, 2 oder 3 nach DIN61131-2 (Sink) oder in Source-Funktion betreiben. Auch die digitalen Ausgänge warten mit einer Besonderheit auf: Jeder Kanal stellt einen Ausgangstrom von 100  mA bereit und ist neben der Schaltung von Masse oder Plus auch als Pushpull-Treiber konfigurierbar. Zudem können die Kanäle auch in Pulsweitenmodulation betrieben werden, wobei Periodendauer und Pulsweite der PWM getrennt einstellbar sind. Die integrierten Zähler (zwölf mit einem Zählsignal, sechs bei A/B-Spur) haben eine Auflösung von 32 bit.

Die analogen Spannungs- beziehungsweise Stromeingänge hingegen zeichnen sich durch einen mehrfach gestaffelten Messbereich aus. An jedem der zwölf Kanäle ist der Anschluss von Thermoelementen aller Standards oder der Betrieb 24-V-gespeister Sensoren möglich. Die Kanäle können ebenfalls als Temperatureingang für Pt100/Pt1000 in 2-, 3- oder 4-Leitermessung genutzt werden. Für den Einsatz von mit 0 bis 10 V gespeisten Sensoren und DMS mit 4- beziehungsweise 6-Leiteranschluss stehen insgesamt sechs Kanäle zur Verfügung.

Damit nicht genug: Über die so genannte Sekundärfunktion wird Vogel zufolge „eine noch nie da gewesene Diagnose möglich“. Sekundärfunktionen sind die Signalarten, die an einem Kanal frei geblieben und gleichzeitig verwendbar sind. So bleibt beispielsweise bei einem 20-mA-Stromeingang als Primärkanal der digitale Ausgang frei. „Das ist geradezu ideal, da mit dem digitalen Ausgang der Sensor versorgt werden kann“, stellt Vogel den Nutzen heraus und ergänzt: „Dies ist ein einfacher Weg, die Versorgung zu überwachen; etwa dahingehend, ob ein Kurzschluss fest wird, im Bedarf abgeschaltet werden kann, der Leitungsquerschnitt wesentlich reduzierbar ist oder auch der Sensor direkt auf nur einen Stecker verdrahtet werden muss.“ Nicht zuletzt sind die sekundären Kanäle auch für weitere Sensoren und Aktoren verwendbar, um die verfügbare Kanalanzahl zu verdoppeln – „bei gleichbleibenden Kosten“, wie Vogel betont.

Auf mobile Anwendungen zugeschnitten

Die Errungenschaften aus der industriellen Automatisierung in die Welt der Arbeitsmaschinen transferieren will schließlich B&R mit seinem Steuerungs- und I/O-System MA120/MA170. Letzterem liegt der modulare Ansatz zugrunde, den die Anwender bereits vom bisherigen X20-System her kennen und von dem B&R laut Geschäftsführer Hans Wimmer im Jahr 2012 rund 1,35 Mio. „Scheiben“ verkauft hat. Beispielsweise Hersteller von Baggern oder Löschfahrzeugen sollen damit künftig in die Lage versetzt werden, ihre Steuerung und I/Os individuell an ihre Bedürfnisse anzupassen – inklusive der Umsetzung integrierter Sicherheitslösungen. Aufgrund der bisher fehlenden Standard-Technologien seien diese Hersteller bis dato gezwungen, viel Eigenentwicklung zu betreiben. „Bei den oft geringen Stückzahlen der Branche ein teures Unterfangen“, so Wimmer.

Pro MA170 können 44 I/Os frei belegt werden. Sind mehr I/Os erforderlich, lassen sich mehrere Module miteinander kombinieren.

© B&R

Die Module des neuen Automatisierungssystems sind das Ergebnis gemeinsamer Entwicklungsarbeit von B&R und dem auf mobile Automation spezialisierten Unternehmen Mondial, welches vor zwei Jahren von B&R übernommen wurde. Über die Anzahl der benötigten I/Os kann der Anwender beim neuen System ebenso frei bestimmen, wie über die Integration der CPU. Als Kommunikationsprotokoll stehen wahlweise der CAN-Bus und Ethernet Powerlink zur Auswahl. Programmiert wird mit der Software Automation Studio.

Nach Aussage von Wimmer wurden MA120 und MA170 speziell für den Einsatz in unwirtlichen Umgebungen konzipiert. Durch das IP65-dichte Gehäuse und die beschichteten Leiterplatten halten die Module Temperaturunterschieden von –40 °C bis +85 °C stand. Je nach Anforderung des Anwenders verfügen die Geräte über eine Dichtheit bis IP67 beziehungsweise IP69k, was Kurzschlüsse bei Betauung ausschließen soll. Darüber hinaus sind die neuen Module schock- und vibrationsbeständig.