Ventilinseln mit Feldbus-Anschluss ermöglichen auf einfache Weise die Durchführung wesentlicher Funktionen, indem sie die Kommunikationsschnittstellen für die Eingänge und Ausgänge in die pneumatischen Ventilinseln integ-rieren. Speicherprogrammierte Steuerungen können damit nicht nur Ventile effizienter auf- und zusteuern, sondern auch die E/A-Daten von Sensoren, Leuchtdioden, Relais, Einzelventilen oder anderen E/A-Geräten über verschiedene industrielle Netzwerke weiterleiten. Nicht zuletzt ist die dafür erforderliche Steuersoftware dahingehend optimierbar, dass sie zusätzliche Diagnosemöglichkeiten bietet. Doch auf welche Faktoren kommt es bei der Auswahl von pneumatischen Ventilinseln mit Feldbus-Anschluss im Einzelnen an?

Faktor 1: Die Inbetriebnahme

Nach dem Kauf der Feldbus-Ventilinsel muss das Team des Maschinen- oder Anlagenherstellers die Ventilinsel in Betrieb nehmen. Das heißt: Die Ventil-insel muss auf die vorgesehene Maschine oder Anlage montiert werden, der Feldbus und die E/A-Kabel müssen angeschlossen werden, es gilt die Strom- und Druckluftversorgung herzustellen und nach erfolgter Konfiguration der Parameter ist schließlich ein vollständiger Funktionstest durchzuführen.

Einstecken – 180° drehen – fest: So schnell lassen sich die Kabel mit Speedcon-Verriegelung ins Modul stecken und zuverlässig verbinden

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Bei der Installation, wo es um Hunderte oder Tausende von Anschlüssen geht, summieren sich sehr schnell Zeit, Schwierigkeiten und damit Kosten. Um diese in Grenzen zu halten, bieten einige Her­steller so genannte Speedcon-M12-Steckverbinder an, die nur eine 180°-Drehung statt der üblichen fünf oder sechs Um­drehungen benötigen, um einen sicheren Anschluss zu gewährleisten. Die Kompatibilität mit den herkömmlichen M12-Steckergewinden bleibt dabei voll er­halten. Zudem sollten Anwender auf E/A-Anordnungen Wert legen, bei denen die elektrischen Steckverbinder nicht zu nahe beieinander positioniert sind, sodass eine durchschnittliche Erwachsenenhand bei der Montage der E/A-Steckverbinder nicht behindert wird.

Das Kontaktieren ist schon mühsam genug – das Konfigurieren der Einstellungen für das Kommunikationsprotokoll (Devicenet, Ethernet, Profibus DP & Co.), für das E/A-Mapping und die Konfiguration der vielen anderen Parameter kann noch schlimmer sein! Ein wesentlicher Grund dafür sind die winzigen, oft schwer zugänglichen DIP-Schalter. Der Nutzer muss ständig kryptische Anweisungen in Handbüchern nachschlagen, um die Funktion und Einstellung jedes einzelnen Schalters zu ermitteln. Eine korrekte visuelle Rückmeldung ist auf das geschickte Positionieren des Schalters selbst beschränkt. Bei vielen Projekten wiederholt sich diese umständliche Prozedur mit den zahlreichen Schaltern auf den verschiedensten Modulen. Eine Konfiguration mittels Software kann gelegentlich eine Option sein, wofür aber in der Regel eine angepasste Soft- und Hardware erforderlich ist. Die Devise muss demnach lauten: Weg mit den DIP-Schaltern!

Die Alternative hierzu sind pneumatische Feldbus-Ventilinseln, bei denen in jedem Modul ein kleines Grafikdisplay integriert ist. Dies ermöglicht Informa-tionen „im Klartext“ mit eindeutiger Angabe von Netzwerk-Adresse, Baudrate und weiteren Parametern. Ergänzend zum Display sind Tasten angeordnet, die ein Navigieren durch die intuitiven Menüs ermöglichen. Der Nutzer erhält so eine unmittelbare visuelle Rückmeldung über die eingestellten Werte, die gleichzeitig einer Plausibilitätskontrolle unterzogen werden – nicht verwendbare Einstellungen lassen sich erst gar nicht eingeben.

Faktor 2: Dezentrale Installation

Pneumatische Ventilinseln mit Feldbus-Anschluss und integrierten E/A-Modulen waren in der Vergangenheit mit einer relativ starren Architektur versehen. Spezifische E/A-Feldbus-Module kamen entweder für Magnetventile oder für Ein- beziehungsweise Ausgänge zum Einsatz – jedoch nicht für beides. So musste der Steuerungstechniker den verschiedenen Aufgaben verschiedene Module zuteilen. Es war daneben erforderlich, zahlreiche fest zugeordnete Kommunikationsknoten für das industrielle Netzwerk der Maschine zu installieren – jeder mit hohem Aufwand für Hardware und der damit verbundenen Inbetriebnahme sowie einer Verschlechterung der Netzwerk-Leistung.

Neuere Entwicklungen verfügen über Feldbus-Knoten, die beides handhaben können: sowohl die Ventile und die Ein- und Ausgänge selbst, als auch die wechselseitige Verteilung der Funktionen der auf der Maschine platzierten Ein-/Ausgänge und Ventilinseln. Dies ermöglicht eine größere Anzahl von dezentralen E/A-Optionen, wobei das physische Layout der Maschine durch die Verwendung von nur wenigen multifunktionalen Modulen optimiert wird.
Die Optimierung der dezentralen Installation hat für den Nutzer geringere Investitionen in die Netzwerk-Hardware, eine Zeitersparnis und eine Reduzierung der Anzahl der Knoten im Netzwerk zur Folge. Des Weiteren werden der Datenverkehr und die Möglichkeiten für die Netzwerk-Topologie und die Energieversorgung verbessert.

Moderne Systeme nutzen zudem die Backplane-Technologie, bei der die gleichen Module, die früher Teil einer zentralen Ventilinsel waren, getrennt in einer dezentralen Architektur einsetzbar sind. Die Steuerungsspezialisten können die pneumatischen Feldbus-Ventil-Inseln und Ein-/Ausgänge entsprechend der Auslegung der Maschine konfigurieren, ohne weitere Kommunikationsmodule (Knoten) hinzufügen zu müssen. Da dezentrale Busmodule nicht als Netzwerk-Knoten erscheinen, entfallen die zahlreichen SPS-Scannerkarten, wobei dennoch eine erhebliche E/A-Kapazität ermöglicht wird.

Noch entscheidender für Anwendungen mit Industrial Ethernet: Mit dieser Architektur lässt sich die Anzahl der Ethernet-Switches und Kommunikationsknoten verringern, was unmittelbar sowohl die Gesamtkosten als auch die Systemkomplexität reduziert. So könnte zum Beispiel eine konventionelle Auslegung die Verwendung von vier pneumatischen Feldbus-Ventilinseln verbunden mit vier Ethernet/IP-Netzwerk-Knoten erfordern. Als Alternative hierzu sollte der Anwender daher nach einem System Ausschau halten, das eine optimale dezentrale Installation ermöglicht.

Optimal heißt in diesem Zusammenhang, dass der Anwender nur noch eine einzige pneumatische Ethernet/IP-Ventil-insel spezifizieren müsste sowie drei dezentrale Bus-Inseln. Jedes einzelne dezentrale Busmodul ist kostengünstiger als ein Ethernet/IP-Modul – und benötigt keine kostspielige Inbetrieb­nahme. In diesem Beispiel würden sich die Kosten um bis zu 22 % reduzieren gegenüber einer Lösung, die vier konventionelle Ethernet/IP-Feldbus-Ventilinseln be­nötigt. Darüber hinaus nutzen die Zentraleinheit und die dezentralen Bus-Einheiten dieselben gemeinsamen E/A-Modul-Komponenten, was die Bestellung und Lagerhaltung sowohl für den Hersteller als auch den Betreiber von Maschinen und Anlagen vereinfacht. Schließlich wird nur ein einziger statt vier Ports des Ethernet-Switch belegt.

Faktor 3: Modularer Aufbau

Ein Merkmal herkömmlicher Feldbus-Ventilinseln ist deren relativ geringes Maß an Modularität. Dies stellt den Hersteller sowie den Betreiber von Maschinen und Anlagen vor Herausforderungen. Zum Beispiel kann sich beim Testen oder im Betrieb zeigen, dass ein bestimmtes E/A-Modul Mängel aufweist oder dass eine kurzfristig notwendige Steuerungsänderung während der Anlagenmontage Modifikationen erfordert.

Die Module werden untereinander über die Schwalbenschwanzverzahnung gehalten. Ein Clip verriegelt diese und stellt gleichzeitig die elektrische Verbindung her. Das Modul lässt sich jederzeit nach vorne herausziehen und austauschen, ohne dass die Insel demontiert werden muss.

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Konventionelle, nicht-modulare Konzepte zwingen den Nutzer, die komplette Anordnung zu demontieren, um an das bestimmte Modul zu gelangen, das auszutauschen ist. Anschließend muss die gesamte Feldbus-Ventilinsel beziehungsweise das gesamte System wieder zusammengebaut werden. Im Gegensatz dazu sind einige neue Feldbus-Ventilinseln modular ausgelegt und lassen sich mit leicht entfernbaren Clips zusammenstecken. Dies ermöglicht dem Anlagenhersteller eine einfache Montage und außerdem eine mühelose Modifikation im letzten Augenblick.

Ein weiteres Beispiel greift das Problem auf, dass ein vorhandener E/A-Kabelsatz zu kurz konfektioniert ist, um das Modul an der Ventilinsel anzuschließen. Bei einer herkömmlichen Ventilinsel müsste der Betreiber der Anlage einen vollkommen neuen Aufbau bestellen. Bei einem modularen Konzept hingegen entfernt der Betreiber lediglich das E/A-Modul von der pneumatischen Hauptventilinsel, posi-tioniertes auf der Maschine innerhalb der Reichweite der Kabel und schließt es wieder mittels eines Backplane-Kabels an die Hauptventil-Insel an. – Alles, ohne Einfluss auf das E/A-Mapping zu haben!

Faktor 4: Diagnose

Wenn etwas nicht funktioniert, spielen Diagnose-Anzeigen eine Schlüsselrolle bei der Ermittlung und Behebung des Problems. Bei den meisten heutigen Feldbus-Ventilinseln können Diagnose-Daten an ein externes Visualisierungsmodul übertragen werden, das sich oft in einer weiter entfernten Steuerzentrale oder auf einem anderen, vom Ort des Problems entfernten Teil der Maschine befindet. Darüber hinaus ist diese Option bei der Inbetriebnahme zu programmieren.

Das Display zeigt im Klartext Konfigurations- und Diagnosedaten an. Bedienung und Programmierung erfolgen über zwei Drucktasten.

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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die pneumatische Feldbus-Ventilinsel an ein tragbares HMI anzubinden. Das Interface muss dazu lediglich mit dem Modul verbunden, einige Tasten bedient und die Diagnose-Daten von einem kleinen Bildschirm abgelesen werden. Das optionale tragbare HMI resultiert jedoch in zusätzlichen Investitionen. Meist ist zudem eine Schulung erforderlich, um das Gerät richtig bedienen zu können. In der Praxis hat der Einsatz in der Regel eine umfangreiche „blinde“ Suche zur Folge: Der Betreiber muss das tragbare HMI an viele fehlerverdächtige Module anstecken und Daten auslesen, um schließlich den Fehler zu finden. Und wenn es am dringendsten benötigt wird, scheint das HMI meist im Werkzeugkasten eines Kollegen versteckt zu sein – oder in einer abgeschlossenen Schublade in irgendeinem Büro am anderen Ende des Werks.

Daher sind die meisten Feldbus-Ventil-Inseln mit Diagnose-LED-Anzeigen in der Ventilinsel selbst ausgestattet – sprich direkt an Ort und Stelle. Doch dies ist die schlechteste Wahl von allen, denn viele Betreiber haben keine guten Erinnerungen an die Suche in Betriebsanleitungen während sie durch ein Wirrwarr von Kabeln und Steckern vorbei auf schummerige winzige LEDs blicken müssen: Sind diese an? Leuchtet die LED rot oder etwa doch grün? Blinken die LEDs nun schnell oder langsam?

Mittlerweile gibt es hierzu funktionellere Alternativen wie zum Beispiel das bereits erwähnte Grafikdisplay mit Klartextanzeige. Es liefert den Betreibern und Herstellern von Maschinen und Anlagen am Einsatzort eine Fülle an Informationen über Status und Diagnose sowie Daten über die Inbetriebnahme und die Version sowohl auf der Ebene des E/A-Moduls als auch des Kommunikationsknotens. Fehlermeldungen werden automatisch generiert und nach Beheben der Störung automatisch gelöscht. Indem die Klartextanzeige blinkt, zieht sie die Aufmerksamkeit des Betreibers unmittelbar auf das fehlerhafte Modul. Einige Module zeichnen sogar aufgetretene Fehler auf, damit diese zu einem späteren Zeitpunkt oder an einem anderen Ort analysiert werden können.

Faktor 5: Datensicherung

Ein mit der Diagnose eng verbundenes Thema ist die Datensicherung. In einer herkömmlichen pneumatischen Feldbus-Ventilinsel ist dies normalerweise schwierig und zeitaufwendig. Wenn der Betreiber einen Fehler endlich einem bestimmten Modul zuordnen kann, muss das gesamte System auseinandergebaut und das fehlerhafte Teil entfernt werden.

Das Datensicherungsmodul (ARM) sichert bei Störfällen die Daten sämtlicher angeschlossener Module und des Feldbus-Knotens. Nach Beendigung des Störfalls liest es die Daten wieder in die Modulspeicher zurück.

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Anschließend beginnt die Suche in der Betriebsanleitung, um zu ermitteln, wie die DIP-Schalter eingestellt werden müssen, damit das ausgetauschte Modul wieder ordnungsgemäß funktioniert. Nachdem endlich alles eingestellt und überprüft ist, kann das neue Modul wieder eingefügt und das Feldbus-Ventilinselsystem zusammengebaut werden. Dies ist keine Aufgabe für einen unerfahrenen Anwender – ganz zu schweigen von den damit verbundenen Maschinenstillstandzeiten.

Die neuesten Weiterentwicklungen bei Feldbus-Ventilinseln beinhalten daher auch die Option eines Datensicherungsmoduls. Tritt ein kritischer Fehler auf, so speichert und sichert dieses Modul alle ursprünglich bei der Inbetriebnahme und Konfiguration eingegebenen Parameter. Wird ein neues Kommunikations- oder E/A-Modul eingesetzt, so erkennt das Datensicherungsmodul dies als eine Austausch-Einheit und lädt alle Einstellungen, Konfigurationsparametern und anderen relevanten Daten.

Die Technologie funktioniert automatisch und transparent, ohne dass der Betreiber eingreifen muss. Sie ist Teil des Systems und steht immer zur Verfügung, wenn sie gebraucht wird – es gibt keine austauschbare Speichereinheit, die verlegt oder verloren gehen kann, und es müssen keine Stützbatterien ausgetauscht werden. Ein Laptop oder ein tragbares Konfigurationsgerät ist ebenfalls nicht erforderlich. Eine Reparatur lässt sich dadurch erheblich schneller durchführen, was eine höhere Verfügbarkeit der Maschine zur Folge hat. Sobald das ausgetauschte Kommunikations- oder E/A-Modul automatisch wieder in Betrieb genommen wurde, trennt sich das Datensicherungsmodul (Auto Recovery Module) selbst elektrisch vom System. Dies stellt sicher, dass die gespeicherten Daten durch externe Spannungsspitzen und andere elektrische Störeinflüsse nicht beschädigt werden.

Autor: Enrico De Carolis ist Leiter der Technologie-Entwicklung bei Asco Numatics.