Die Frage, die jedem Automatisierungsingenieur gestellt wird

Wie wählt man das richtige digitale/analoge SPS-E/A-Modul aus? Diese Frage taucht in jedem Automatisierungsforum, in den FAQs jedes Distributors und im E-Mail-Postfach jedes Anwendungstechnikers auf, der jemals ans Telefon gegangen ist. Die Fragesteller haben meist bereits eine SPS-Plattform ausgewählt (oder glauben es zumindest) und müssen nun die passenden E/A-Karten für die Steckplätze finden. Sie kennen den Unterschied zwischen digital und analog. Die Begriffe „Sinking“ und „Sourcing“ sind ihnen bekannt, aber sie können sich die beiden Definitionen nicht gleichzeitig merken. Sie befürchten, das falsche Modul zu bestellen und dass es dann nicht mit ihrem System kompatibel ist.

Dieser Leitfaden löst dieses Problem. Er erläutert die eigentliche Funktion eines E/A-Moduls, geht dann auf den Unterschied zwischen digitaler und analoger Technik ein, erklärt anschließend das Einspeisen und Ausspeisen von Daten in einfacher Sprache anhand praktischer Beispiele, behandelt dann die Dimensionierung von Modulen und fasst schließlich alles mit plattformspezifischen Hinweisen für Siemens-, Allen-Bradley- und ABB-Systeme zusammen.

Was genau macht ein SPS-E/A-Modul?

Ein SPS-E/A-Modul bildet die Schnittstelle zwischen der physischen Welt und dem Prozessor. Eingänge führen Signale in die SPS ein – beispielsweise den Zustand eines Tasters, einen Messwert eines Druckmessumformers oder die Auslösung eines Endschalters. Ausgänge senden Signale an die physische Welt – beispielsweise die Ansteuerung eines Magnetventils, das Einrücken einer Motorstarterspule oder die Bewegung eines Ventilantriebs.

Das E/A-Modul übernimmt die Signalumwandlung. Es empfängt ein 24-V-Gleichstromsignal von einem Feldgerät und wandelt es in ein Logiksignal um, das der SPS-Prozessor verarbeiten kann. Es wandelt einen Prozessor-Ausgangsbefehl in die Spannung und den Strom um, die zum Ansteuern eines Feldaktors erforderlich sind. Ohne das passende E/A-Modul reagiert der Prozessor nicht.

Die Module sind in Standardformfaktoren erhältlich und lassen sich in ein SPS-Rack einbauen. Die Wahl des passenden Moduls hängt von drei Faktoren ab: dem Signaltyp (digital oder analog), der Stromrichtung (Stromsenke oder -quelle) und der Anzahl der benötigten Anschlüsse.

Digital vs. Analog: Die grundlegende Trennung

Digitale E/A-Module

Digitale Module verarbeiten Ein-/Aus-Signale. Das Feldgerät ist entweder bestromt oder nicht bestromt, geöffnet oder geschlossen, vorhanden oder nicht vorhanden. Ein digitaler Eingang erfasst das Vorhandensein einer Spannung (typischerweise 24 V DC für industrielle Anwendungen). Ein digitaler Ausgang schaltet eine Last ein oder aus.

Gängige digitale Eingabegeräte:

· Drucktaster und Wahlschalter

· Endschalter

· Näherungssensoren (PNP/NPN)

· Druckschalter

· Relaiskontakte

Gängige digitale Ausgabegeräte:

· Magnetventile

· Schützspulen

· Kontrollleuchten

· Hörner und Leuchtfeuer

· Anlasserspulen

Digitale Module werden spezifiziert durch die Spannung (24V DC, 120V AC, 230V AC sind üblich), die Anzahl der Punkte (8, 16, 32 sind Standard) und die Senk-/Quellencharakteristik.

Analoge I/O-Module

Analoge Module verarbeiten kontinuierliche Signale – Werte, die innerhalb eines Bereichs variieren und nicht einfach nur ein oder aus sind. Während ein digitaler Eingang anzeigt, ob ein Tank voll ist (ein Bit: voll/nicht voll), gibt ein analoger Eingang den Füllstand des Tanks in Prozent an (mehrere Bits innerhalb eines Bereichs: 0–100 % des Messbereichs).

Gängige analoge Eingangssignale:

· 4–20 mA (Stromschleife – am häufigsten in der industriellen Messtechnik)

· 0–10 V DC (Spannungssignal – üblich für einige Sender und Positionssensoren)

· 0–5 V DC (Niederspannungsinstrumente)

· Widerstandsthermometer (RTD) zur Temperaturmessung

· Thermoelement (Temperaturmessung mit Kaltstellenkompensation)

Gängige analoge Ausgangssignale:

· 4–20 mA (am häufigsten verwendet – treibt Stellglieder wie Frequenzumrichter und Regelventile an)

· 0–10 V DC (wird für einige Frequenzumrichter und Stellungsregler verwendet)

Analoge Module werden nach Signalart (Strom vs. Spannung), Auflösung (12 Bit, 16 Bit – höher ist präziser) und danach spezifiziert, ob sie mehrere Eingangstypen auf demselben Modul unterstützen.

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Sinking und Sourcing: Was sie bedeuten und warum sie wichtig sind

Hier liegt das Problem, das die meisten Käufer verunsichert. Stromflussrichtung und -senke beschreiben die Richtung des Stromflusses in einem Gleichstromkreis. Wird dies falsch verstanden, liefert der digitale Eingang entweder kein Signal oder das Gegenteil des erwarteten Wertes.

Beschaffung

Ein Stromversorgungsausgang versorgt das Modul mit Strom zum Feldgerät. Man kann sich das Modul als Elektronenquelle vorstellen. Wenn der Ausgang aktiv ist, verbindet er den Pluspol seiner internen Stromversorgung mit dem Ausgangsanschluss.

Ein Eingangssignal erwartet Stromfluss von einer externen Quelle. Der Eingangskreis ist geschlossen, sobald das Eingangssignalgerät (z. B. ein Sensor oder ein Schalter) Strom liefert.

Sinken

Ein Stromsenkenausgang nimmt Strom vom Feldgerät auf. Im aktiven Zustand verbindet er den Ausgangsanschluss mit der negativen (Masse-)Seite des Stromkreises.

Ein Eingang mit negativer Spannung erwartet, dass Strom gegen Masse fließt. Das externe Gerät stellt einen Pfad zur Masse bereit, und der Eingang misst den resultierenden Stromfluss.

Die praktische Regel

Der Ausgangstyp des Feldgeräts muss mit dem Eingangstyp des SPS-Moduls übereinstimmen, andernfalls benötigen Sie ein Zwischenrelais oder eine Schnittstelle.

· PNP-Sensoren (Quellensensoren) → Anschluss an Senkeneingänge oder an Quelleneingänge mit umgekehrter Polarität

· NPN-Sensoren (senkend) → Anschluss an Quell- oder Senkeneingänge mit umgekehrter Polarität

Am einfachsten lässt sich das überprüfen: Schauen Sie sich den Schaltplan des Sensors an. Wenn der Ausgangsdraht des Sensors mit dem SPS-Eingang verbunden ist und der andere Draht des Sensors mit Masse, ist der Sensor stromsenkend und Ihr Eingang muss stromführend sein. Wenn der Ausgangsdraht des Sensors mit dem SPS-Eingang verbunden ist und der andere Draht des Sensors mit Plus verbunden ist, ist der Sensor stromführend und Ihr Eingang muss stromsenkend sein.

Mischung von Senken- und Quelleneingängen

Man kann einen Sourcing-Sensor nicht einfach an einen Sourcing-Eingang anschließen und erwarten, dass er funktioniert – die beiden Quellen behindern sich gegenseitig. Es gibt jedoch Eingangsmodule, die speziell als „universell“ konzipiert sind oder über isolierte Kanäle verfügen. Dadurch lassen sich verschiedene Gerätetypen mit der richtigen Verdrahtung kombinieren. Prüfen Sie vor der Bestellung immer das Datenblatt des Moduls.

Modulgröße: Wie viele Punkte benötigen Sie tatsächlich?

Zählen Sie Ihre Punkte – und addieren Sie dann 20 %.

Bevor Sie ein Modul auswählen, zählen Sie die tatsächlichen Feldgeräte in Ihrem Projekt. Bei einem kleinen Einzelgerät könnten Sie beispielsweise 8 digitale Eingänge und 6 digitale Ausgänge haben. Bei einer komplexeren Anlage könnten es 32 digitale Eingänge, 16 analoge Eingänge und 8 analoge Ausgänge sein.

Regeln zur Moduldimensionierung:

· Digitale Eingänge: Bestellen Sie ein Modul mit mindestens so vielen Punkten, wie Sie Eingänge haben. Ein 16-Punkt-Modul ist für 12 Eingänge geeignet. Die maximale Punktanzahl des Moduls darf nicht überschritten werden.

· Digitale Ausgänge: Gleiche Regel. Bei 10 Ausgängen reicht ein einzelnes 8-Punkt-Modul nicht aus – Sie benötigen ein 16-Punkt-Modul oder zwei Module.

· Analogeingänge: Jeder analoge Eingangskanal ist unabhängig. Ein 4-Kanal-Analogeingangsmodul kann 4 Geräte ansteuern. Bei 7 analogen Sendern benötigen Sie zwei 4-Kanal-Module (oder ein einzelnes 8-Kanal-Modul, abhängig von der Plattform).

· Analoge Ausgänge: Gleiches gilt für jeden Kanal, der ein einzelnes Steuerelement ansteuert. Ein 2-Kanal-Modul steuert zwei Ventile an.

Planen Sie 20 % Reservekapazität ein. Projekte ändern sich. Das nachträgliche Hinzufügen eines neuen Schalters oder Senders ist aufwendig und teuer. Die Spezifikation eines Moduls mit einigen zusätzlichen Kanälen kostet fast nichts und erspart später erhebliche Nacharbeiten.

Gängige Modulgrößen nach Plattform

Plattform | Typische Größen digitaler Module | Typische Größen analoger Module

Siemens S7-1500 | 16, 32, 64 Punkte | 4, 8, 16 Kanäle

Allen Bradley ControlLogix | 8, 16, 32 Punkte | 4, 8 Kanäle

ABB AC500 | 8, 16, 32 Punkte | 4, 8 Kanäle

Plattformkompatibilität: Welches Modul passt zu welcher SPS?

Siemens S7-1500 und TIA Portal

Siemens verwendet die verteilten E/A-Systeme ET 200SP und ET 200MP zusammen mit Onboard-E/A auf einigen CPUs. Das System S7-1500 nutzt systemmontierte E/A-Module (SM-Module), die auf die CPU oder Erweiterungsrahmen aufgesteckt werden.

Wichtige Modulfamilien:

· SM 521 — Digitale Eingangsmodule (Varianten: 24 V DC, 120 V AC)

· SM 522 — Digitale Ausgangsmodule (24V DC Relais, Halbleiter)

· SM 523 — Kombimodule für digitale Ein-/Ausgabe

· SM 531 — Analoge Eingangsmodule (4–20 mA, 0–10 V, RTD, Thermoelement)

· SM 532 — Analogausgangsmodule (4–20 mA, 0–10 V)

Die Konfiguration im TIA Portal erfordert die Auswahl des korrekten Modultyps sowie die Festlegung der Prozessabbildpartition und der Hardware-Interrupts. Siemens-Module sind farblich nach Typ gekennzeichnet (blau für digital, grün für analog), was die physische Identifizierung in der Produktionshalle vereinfacht.

Allen Bradley ControlLogix und Studio 5000

Allen Bradley ControlLogix verwendet I/O-Module der Serie 1756 in einem Gehäuse. Die Plattform ist hochmodular – digitale und analoge Module können in jedem Steckplatz kombiniert werden.

Wichtige Modulfamilien:

· 1756-IB16 — 16-Punkt-Digitaleingang (24 V DC, stromsenkend)

· 1756-OB16 — 16-Punkt-Digitalausgang 24V DC (Stromversorgung)

· 1756-IF8 — 8-Kanal-Analogeingang (mehrere Signalarten)

· 1756-OF8 — 8-Kanal-Analogausgang (4–20 mA, 0–10 V)

Allen Bradley verwendet die Begriffe „Sinking“ und „Sourcing“ einheitlich. Das Modul 1756-IB16 ist ein Sinking-Eingang. Das Modul 1756-OB16 ist ein Sourcing-Ausgang. Überprüfen Sie die Polarität vor dem Anschließen – die Module der Allen Bradley 1756-Serie sind auf der Vorderseite und im Datenblatt eindeutig gekennzeichnet.

Für CompactLogix (Familien 5380 und 5480) sind die Module ähnlich, aber physisch kleiner (Bauform 1769). Gängige Optionen sind der analoge Eingang 1769-IF8 und der analoge Ausgang 1769-OF4.

ABB AC500 und Automatisierungshersteller

ABB AC500 verwendet S500 E/A-Module auf dem CPU-Rack und verteilte E/A (S500 eCo, S500) auf Feldbusnetzwerken.

Wichtige Modulfamilien:

· DI524 — 16-Punkt-Digitaleingang (24 V DC)

· DO524 — 16-Punkt-Digitalausgang (24 V DC)

· AI523 — 4-Kanal-Analogeingang (4–20 mA, 0–10 V, RTD)

· AO523 — 4-Kanal-Analogausgang (4–20 mA, 0–10 V)

ABB-Module werden im Automation Builder (der auf CODESYS basierenden ABB-Programmierumgebung) konfiguriert. Das Konfigurationstool erkennt viele Module automatisch, sobald die CPU online ist. Die Kanalskalierung für analoge Module erfolgt in der Hardwarekonfiguration – überprüfen Sie stets, ob die technischen Einheiten (PSI, °C, GPM) mit dem Messbereich des Feldgeräts übereinstimmen.

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Häufig gestellte Fragen

F: Kann ich auf demselben Modul sowohl Senken- als auch Quelleneingänge mischen?

A: Einige Universal-Eingangsmodule ermöglichen die Konfiguration einzelner Kanäle als Senken oder Quellen, Standardmodule erfordern jedoch in der Regel die gleiche Konfiguration für alle Kanäle. Beachten Sie das Datenblatt. Falls Sie verschiedene Gerätetypen kombinieren müssen, empfiehlt sich der Einsatz eines Schnittstellenrelais oder eines isolierten Eingangsmoduls.

F: Was passiert, wenn ich den falschen E/A-Typ verwende – zum Beispiel eine Ausgabe in eine Eingabe einbinde?

A: Nichts funktioniert – oder schlimmer noch, es scheint zu funktionieren, verhält sich aber genau umgekehrt. Wenn Sie einen spannungsausgebenden Ausgang direkt mit einem spannungsabgebenden Eingang verbinden, wirken sich die beiden Spannungsquellen gegenseitig auf. Der Eingang kann je nach interner Schaltung dauerhaft ein- oder ausgeschaltet sein. Die korrekte Kombination ist ein spannungsausgebender Ausgang, der mit einem spannungsabgebenden Eingang verbunden wird (oder umgekehrt), sodass der Strom nur in eine Richtung fließt.

F: Wie viele I/O-Punkte benötige ich für ein kleines Projekt?

A: Ein kleines, eigenständiges Gerät benötigt typischerweise 8–16 digitale Eingänge, 6–12 digitale Ausgänge, 2–4 analoge Eingänge und 1–2 analoge Ausgänge. Zählen Sie zunächst Ihre einzelnen Feldgeräte und Ihre Instrumentenliste und addieren Sie dann 20 % für Reservekapazität. Wenn Sie sich unsicher sind, kann ein Anwendungstechniker Ihres Vertriebspartners Ihre Instrumentenliste prüfen und Ihnen eine Modulkonfiguration empfehlen.

F: Mein Analogeingang zeigt einen Wert an, obwohl kein Sensor angeschlossen ist. Ist das Modul defekt?

A: Nein – nicht angeschlossene analoge Eingangskanäle können Rauschen (typischerweise einen kleinen Wert ungleich Null) messen. Das ist normal. Der Kanal liefert erst dann aussagekräftige Daten, wenn der Sensor (Sender) angeschlossen und die Schleife mit Strom versorgt wird (bei Geräten mit 4–20 mA). Prüfen Sie vor jeder Fehlersuche, ob die 24-V-Gleichstromversorgung der Schleife am Kanalanschluss anliegt.

F: Kann ich ein 24V DC Digitalausgangsmodul durch ein 120V AC Modul im selben System ersetzen?

A: Nur wenn die Feldgeräte ebenfalls für die neue Spannung ausgelegt sind. Ein 24-V-Gleichstrom-Magnetventil kann nicht mit einem 120-V-Wechselstrom-Ausgangsmodul betrieben werden. Der Wechsel der Spannungsklasse erfordert den Austausch der Feldgeräte, der Verkabelung und gegebenenfalls des Moduls. Die Modulspannung muss stets an die Gerätespannung angepasst werden.

F: Was ist Kanalisolierung und warum ist sie wichtig?

A: Isolierte Kanäle verfügen über eine individuelle Schaltungstrennung zwischen jedem Eingangs- oder Ausgangskanal. Nicht isolierte Module teilen sich eine gemeinsame Masse für alle Kanäle. Die Isolation ist wichtig, wenn Feldgeräte an unterschiedlichen Spannungsquellen angeschlossen sind oder wenn das System vor Masseschleifen und Spannungsspitzen auf einzelnen Kanälen geschützt werden muss. Für kritische analoge Messungen (Durchfluss- und Druckmessumformer) liefern isolierte Module sauberere Signale und eine höhere Genauigkeit.

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