23.07.2014

Zukunftssicheres E/A-System Axioline

Jedes Netzwerk, jede Umgebung

In modernen automatisierungstechnischen Anwendungen steigen die Anforderungen an die Qualität, Geschwindigkeit und Synchronität der Signalübertragung kontinuierlich. Durch ausgeklügelte Konzepte soll zudem der Aufwand bei der Installation, Inbetriebnahme und Fehlersuche reduziert werden. Mit Axioline hat Phoenix Contact deshalb ein E/A-System entwickelt, um Signale dezentral sowohl im Schaltschrank als auch im Feld über alle Bussysteme zu erfassen (Aufmacher).


Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

In den Anfängen der Automatisierungstechnik lag die Herausforderung in der Reaktionszeit und Zuverlässigkeit der Bauteile. Im Gegensatz dazu lassen sich mit der aktuellen Steuerungstechnik Anlagen projektieren, die hunderte von Signalen in einer Zykluszeit von wenigen Millisekunden verarbeiten und ausgeben. Heute gestaltet sich die Vielfalt der Steuerungen mit den jeweiligen Bus- und Engineering-Systemen schwierig für den Maschinen- und Anlagenbauer, wenn es um die Installation und Inbetriebnahme geht. Während ein Anlagenbetreiber beispielsweise Profinet und die entsprechende SPS vorgibt, bevorzugt der nächste Ethernet/IP in seiner Lösung. Installateure, Inbetriebnehmer und der Support müssen folglich für jedes Remote-I/O-System Spannungsversorgungs- und Fehlerdiagnose-Konzepte, Installationsvorschriften, das Lokalbus-Verhalten, Netzwerk-Mechanismen und vieles mehr beherrschen. Beruht ein Anlagen-Layout auf IP20- und IP67-Komponenten, können in der Applikation Geräte weiterer Hersteller verbaut sein, die ebenfalls unterstützt werden müssen. Zu beachten ist ferner die unterschiedliche Darstellung innerhalb des jeweiligen Engineering. Vor dem Hintergrund dieser Entwicklung verfolgt Phoenix Contact mit dem E/A-System Axioline einen Komponentenansatz. Wenn der Anlagenbetreiber eine Steuerung vorschreibt, lässt er dem Maschinen- und Anlagenbauer meist freie Wahl beim Remote-E/A-System. Mit dem IP67-geschützten Axioline E in Blockbauweise sowie dem modular aufgebauten Axioline F in Schutzart IP20 steht nun eine Lösung zur Verfügung, die durch einfache Handhabung, robustes Design und schnelle Datenübertragung überzeugt (Bild 2).

Einfache Einbindung über die jeweils zertifizierte Gerätebeschreibungsdatei

Die im privaten Bereich häufig genutzte Ethernet-Kommunikation findet in immer mehr Maschinen und Anlagen Anwendung. Daher ermöglicht Axioline die Anbindung an die führenden Netzwerke Profinet, Modbus TCP, Ethercat, Ethernet/IP und sercos III. Darüber hinaus lässt sich das am weitesten verbreitete serielle Feldbussystem Profibus ankoppeln. Die Integration in das überlagerte Netzwerk erfolgt sowohl für die Axioline-E-Geräte in Schutzart IP67 als auch die Axioline-F-Komponenten in Schutzart IP20 gemäß den jeweils aktuellsten Spezifikationen. Innerhalb einer Installationsebene - IP20 oder IP67 - führt dies unter anderem zu einer konsistenten Handhabung der Installation sowie Anzeige von Diagnosemöglichkeiten. Außerdem greifen Synergien, wenn der Anwender innerhalb einer Automatisierungslösung nur eine Produktfamilie verwendet. Bei Axioline E und Axioline F wird beispielsweise das Diagnose- und LED-Anzeigeverhalten gleich dargestellt. Zudem lässt sich das Netzwerk nativ über die nach den Bestimmungen der entsprechenden Nutzergruppe zertifizierte Gerätebeschreibungsdatei in das übergeordnete System einbinden. Unbegrenzt durch die Topologie kann der Anwender somit ein System nutzen, das in der Abbildung und Handhabung identisch ist. Aufgrund des breiten Produkt-Portfolios bietet Axioline unabhängig vom Steuerungshersteller für jedes Netzwerk und jede Umgebung die passende Lösung.

Schnelle Zykluszeit bei reduziertem Installationsaufwand

Neben der Beschränkung auf ein E/A-System, was die Lager- und Installationskosten reduziert, erfüllt Axioline weitere Anforderungen an ein modernes Automatisierungskonzept. Dazu gehört die schnelle Kommunikation, wobei die Geschwindigkeit in der Automation an zwei Faktoren gemessen wird: der Performance des Systems sowie Aspekten der Installation und Inbetriebnahme. Marktbetrachtungen haben ergeben, dass zeitkritische Signale zumeist mit Antriebsstufen innerhalb eines Schaltschranks über IP20-E/A-Geräte erfasst und ausgegeben werden. IP67-E/A-Komponenten kommen bevorzugt für unkritische Signale zum Einsatz. Aus diesem Grunde hat Phoenix Contact ein Hauptaugenmerk auf den Lokalbus von Axioline F gelegt. Hier wird ein proprietäres Protokoll verwendet, das mit einem 100MBit-Rückwandbus arbeitet und so abhängig von der Zahl der Lokalbus-Teilnehmer Zykluszeiten von bis zu drei Mikrosekunden erreicht. Generell berechnet sich die interne Zykluszeit nach der Anzahl der angeschlossenen Komponenten. In diesem Umfeld wird mit einer Mikrosekunde pro Funktionsmodul plus zwei Mikrosekunden Offset-Zeit kalkuliert. Bei einer theoretischen Zykluszeit eines sercos-III-Systems von minimal 31,25 Mikrosekunden stellt die Nutzung von Axioline zwei Aspekte sicher. Zunächst erweist sich der Einsatz dieser performanten E/A-Lösung als zukunftsgerichtet, da das überlagerte System selbst beim derzeit schnellsten Feldbus den Flaschenhals darstellt. Wegen der schnellen Verarbeitung werden die Signale im Axioline-E/A-System synchron zum Bussystem weitergegeben, sodass zukünftige Bustechnologien ohne ein Re-Design des Backplanes bedient werden können. Darüber hinaus bietet der Rückwandbus von Axioline F bei einer derzeit gängigen Zykluszeit in High-Performance-Systemen von ungefähr einer Millisekunde die Gewissheit, dass das E/A-System eine mehr als ausreichende Update-Zeit zur Verfügung stellt. Damit entfällt die Berechnung der Zykluszeit an das übergeordnete Netzwerk. Bezieht sich die Geschwindigkeit auf den Installationsaufwand, lässt sich die Verdrahtungszeit durch Verwendung der Push-in-Technologie bei den IP20- sowie der Speedcon-Schnellverriegelung bei den IP67-Komponenten erheblich senken. Ferner werden die Axioline-E-Module über die M12-Power-Anschlusstechnik mit Spannung versorgt. IP67-Geräte eröffnen in den meisten Fällen die Möglichkeit einer Einspeisung über M12 zur eigenen Versorgung sowie zur Weiterleitung an die nächste angeschlossene Komponente. Bisher war dies bei herkömmlichen M12-Buchsen auf 4A beschränkt. Mit einer Stromtragfähigkeit des M12-Power-Steckverbinders von jeweils 12A bei zwei Aderpaaren unterstützt Axioline eine leistungsfähigere Spannungsversorgung, weshalb mehr IP67-Teilnehmer angekoppelt werden können und eine separate Nachspeisung überflüssig wird (Bild 3).

Robustes Geräte-Design sowie detaillierte Diagnose

Nachdem die Maschine oder Anlage aufgebaut und in Betrieb genommen worden ist, rücken andere Anforderungen in den Mittelpunkt. Jetzt muss die Applikation auch unter Volllast zuverlässig funktionieren, will heißen der Ausfall von Geräten ist möglichst zu vermeiden. Die Nutzung von unterschiedlichen Elektronik-Komponenten auf engstem Raum führt jedoch zu einer gegenseitigen elektromagnetischen Beeinflussung, die schlimmstenfalls eine solche Störung nach sich ziehen kann. Außerdem begünstigt ein nicht ausreichend belüfteter Schaltschrank eine Aufheizung der Geräte über den zulässigen Temperaturbereich hinaus. Daher ist das Design der Axioline-F- und -E-Module besonders robust ausgelegt worden. Beide Produktfamilien erreichen bei der Störaussendung und -festigkeit Werte innerhalb der B-Kategorie. Damit wird ihnen bescheinigt, dass sie selbst die im Wohnbereich installierten Haushaltsgeräte nicht beeinflussen. Aufgrund des erweiterten Temperaturbereichs von minus 25 bis plus 60°C beugen die Axioline-Komponenten zudem einem temperaturbedingten Ausfall vor (Bild 4). Bei der Inbetriebnahme sowie Behebung einer Störung sollte der Monteur die jeweiligen Anlagenteile möglichst fehlerfrei verdrahten. Axioline arbeitet deshalb sowohl bei den IP20- als auch den IP67-Modulen mit einer farbigen Markierung sowie einem Konzept, das eine eindeutige Quellen-Ziel-Adressierung der Leitungen ermöglicht. Darüber hinaus vereinfachen Webserver und Service-Schnittstellen die Parametrierung der Geräte. Tritt dennoch nach der Verdrahtung ein Fehler auf, stellen beide Produktfamilien die gängige Fehlerdiagnose des entsprechenden Busprotokolls zur Verfügung. Durch vielfältige Möglichkeiten innerhalb des Backplanes gibt Axioline F ferner Bus- oder Signalfehler kanalgenau über eine Klartext-Diagnose aus, sodass sich Störungen noch besser eingrenzen lassen.

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Fazit

Mit Axioline E für die Feldinstallation und Axioline F zum Schaltschrank-Einbau hat Phoenix Contact ein durchgängiges E/A-System entwickelt, das alle gängigen Feldbus-Protokolle unterstützt. Indem sie sich auf die Anforderungen der Automatisierungstechnik fokussieren, bieten beide Produktfamilien die Eigenschaften, die sich als vorteilhaft für den Anwender erweisen: jedes Netzwerk, jede Umgebung, einfache Installation, robustes Design, schnelle Datenübertragung.

Vielfältig nutzbarer IO-Link-Master

Das IO-Link-Protokoll, das auf einer bidirektionalen Punkt-zu-Punkt-Verbindung aufsetzt, wird immer häufiger in Anlagen verwendet. Dies vor dem Hintergrund, weil es die Kommunikation und Parametrierung bis in die Feldgeräte-Ebene ermöglicht. So können Datensätze ohne zusätzliche Schnittstelle auf Sensoren und Aktoren geschrieben oder ausgelesen werden. Außerdem lässt sich der IO-Link-Port als digitaler Ein- oder Ausgang parametrieren (Bild 5).

Der IO-Link-Master aus der Produktfamilie Axioline E ist vielfältig einsetzbar. Das in Schutzart IP67 ausgeführte Modul sorgt für die durchgängige Nutzung des E/A-Systems in allen Netzwerken. Ebenfalls erhältliche Analogkonverter erlauben die bedarfsgerechte dezentrale Erfassung von analogen Ein- oder Ausgängen direkt vor Ort am Messpunkt. Durch die Verwendung des IO-Link-Protokolls wird das analoge Messsignal in den digitalen IO-Link-Rahmen eingefügt und störsicher übertragen. Der IO-Link-Master der Produktfamilie Axioline E stellt somit eine Lösung dar, um die gängigen Standardsignale mit nur einem Gerät aufzunehmen und auszugeben.

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