Beckhoff-Busklemmen: Das umfangreiche E/A-System

Vor mittlerweile 14 Jahren hat Beckhoff auf der Hannover Messe die Technologie der Feldbusklemme vorgestellt. Diese damals neue Bauform der Automatisierungstechnik wurde 1995 von vielen Anwendern, aber auch Wettbewerbern, als technologische Revolution begrüßt, da es einen vergleichbaren Ansatz zuvor nicht gab. Das Prinzip der Busklemme war überzeugend und erfolgreich, sodass heute praktisch jeder Automatisierungshersteller das Prinzip aufgegriffen und eigene Produktreihen auf den Markt gebracht hat. \“Besonders interessant in der Geburtsstunde der Busklemme war der konzeptionelle Ansatz\“, erinnert sich Uwe Prüßmeier, Produktmanager Busklemmen bei Beckhoff und schon von Beginn an mit dabei. Von Beginn an, heißt hier 1994, als die Idee in ihren Grundzügen entstand. Bereits ein Jahr darauf, also vor genau 14 Jahren, erblickten dann die ersten Produkte das \“Licht der Automatisierungswelt\“. Damals gab es viele Mitstreiter, die mithilfe von Blockmodulen den Verkabelungsaufwand im Feld reduzieren wollten. Und auch Beckhoff bot, basierend auf dem eigenen Lightbus, entsprechende Blocklösungen an. \“Das neue Konzept\“, so Uwe Prüßmeier, \“ging aber noch weiter: Wir wollten nicht nur die Kabel reduzieren, sondern vielmehr die traditionelle Reihenklemme durch eine elektronische Version ersetzen und damit die Elektronik so weit wie nie zuvor ins Feld rücken. Auf Grund der zu integrierenden Elektronik konnten wir die typische Reihenklemmenbreite von 6mm nicht beibehalten, sodass wir uns, um im gleichen Rastermaß zu bleiben, für die doppelte Breite entschieden.\“ Offene Steuerungstechnik von Anfang an Weiteres Ziel des Konzepts war, ein feldbusunabhängiges I/O-System zu kreieren, das sich letztendlich in der Vielfalt der Buskoppler manifestierte. Dass diese Offenheit auch tatsächlich gewollt und gelebt wurde, verdeutlicht Uwe Prüßmeier: \“Wir haben in sehr kurzer Zeit die ersten Buskoppler umgesetzt. Innerhalb der ersten anderthalb Jahre gab es, neben dem Buskoppler für unseren eigenen Lightbus, auch Varianten für CAN, Interbus, Profibus sowie serielle Koppelstationen.\“ Modular und flexibel Die Bedeutung der Modularität bestätigt auch Michael Jost, Produktmanager Busklemmen und Ethercat: \“Gerade in der Anfangszeit war das modulare Konzept aufgrund der damals sehr kostbaren Busadressen von besonderer Bedeutung, da nur eine Adresse pro Buskoppler benötigt wurde. Bei den Blockmodulen war oft nur deshalb ein zweiter Master bzw. ein Repeater erforderlich, weil keine Busadressen mehr zur Verfügung standen.\“ Heute ist allerdings durchaus auch das Blockkonzept, wie bei den KM-Modulen sinnvoll, da die I/O-Anzahl an der Maschine mittlerweile viel höher geworden ist. So setzen die frühen Busklemmenkunden aktuell mehr als doppelt so viele Sensoren ein. Uwe Prüßmeier ergänzt: \“Nun profitiert der Anwender von der Granularität, wenn beispielsweise ein neuer Sensor hinzukommt.\“ Am Anfang umfasste das Busklemmensystem lediglich die \’normalen\‘ Signale, das heißt digitale und analoge Standard-Ein- und -Ausgänge. Das System wurde technologisch kontinuierlich weiterentwickelt. So hat sich die Auflösung der Analog-Ausgänge von anfänglich 12Bit, über 16Bit, bis auf 24Bit erhöht. Die absolute Genauigkeit erreicht bei speziellen Klemmen mittlerweile 0,01%, damit genügt sie auch hohen messtechnischen Anforderungen. Mithilfe der Busklemmen lassen sich nicht nur SPS- und Motion-Control-Funktionen an der Maschine realisieren, sondern auch messtechnische Funktionen. Weiterentwicklung Das Busklemmensystem wird kontinuierlich durch Klemmen und Buskoppler erweitert. Beispielsweise werden neue Technologien wie bessere Prozessoren und kleinere Chips berücksichtigt, um auch kostengünstigere Designs an den Kunden weiterzugeben. Modernste Techniken konnten zudem neue Anwendungsfelder erschließen. Beispiele sind hier die Sicherheitstechnik, Klemmen für die \’kleine\‘ Antriebstechnik sowie eine Reihe von I/O-Bausteinen für die Messtechnik. Busklemmeninnovation Die Busklemmen sind mittlerweile millionenfach produziert und weltweit in allen Branchen etabliert. Aufgrund des universellen Konzeptes wird das Beckhoff I/O-System in den verschiedensten Anwendungen eingesetzt: von der Serienmaschine bis hin zur Ethernet-basierten Gebäudeautomatisierung. Das Busklemmensystem von Beckhoff bietet, insbesondere durch das umfassende und langjährige Know-how, viele Vorteile. So können bei Bedarf sehr schnell Koppler für neue Bussysteme entwickelt werden, für die dann sofort das komplette I/O-Spektrum zur Verfügung steht. Stand Mitte 2009 gibt es mehr als 70 Buskoppler und Controller sowie über 400 verschiedene Busklemmen. Neue Anwendungsfelder erschließt sich die Busklemmentechnik zudem in einem anderen Gewand: dem Feldbus-Box-System, das sich, dank Schutzart IP67, direkt an der Maschine montieren lässt. Die Vorteile der Busklemmen wie Offenheit, große Signalvielfalt und ein hohes Maß an Flexibilität, wurden hier in das Konzept des IP67-Systems übertragen. Mit den Beckhoff Ethercat-Klemmen wurde das Grundkonzept der modularen Reihenklemme übernommen und durch modernste Ethernet-Technologie erweitert. Im Unterschied zu den feldbusneutralen Busklemmen, wird bei der Ethercat-Klemme das Bussignal bis in jede einzelne Klemme durchgereicht. D.h. jede I/O-Klemme kommuniziert mit 100-MB-Ethernet mit dem überlagerten System. Diese hohe Performance in der I/O-Klemme ermöglicht neue Steuerungsgenerationen und neue Funktionen wie High-Speed-Automation (XFC) oder die Advanced Messtechnik, Condition Monitoring (Scientific Automation). Kasten 1: Der Hersteller – Beckhoff Automation GmbH Beckhoff realisiert moderne Automatisierungssysteme auf Basis PC-basierter Steuerungstechnik. Das Produktspektrum beinhaltet die Hauptbereiche Industrie-PC, Feldbuskomponenten, Antriebstechnik und Automatisierungssoftware. Seit der Gründung des Unternehmens im Jahr 1980 bildet die konsequente Entwicklung innovativer Produkte und Lösungen, auf Basis der PC-basierten Steuerungstechnik, die Grundlage des anhaltenden Erfolges. Viele heute selbstverständliche Standards in der Automatisierungstechnik wurden von Beckhoff früh erkannt und als Neuerungen erfolgreich in den Markt gebracht. Kasten 2: Offene Steuerungstechnik und Busklemmen-SPS Für das Busklemmensystem sind Buskoppler für alle gängigen Feldbus- und Ethernetsysteme verfügbar. Mit µC-basierten Busklemmen Controllern stehen Kleinsteuerungen, als autarke SPS oder als Slaves in einem überlagerten Feldbussystem, zur Verfügung. Kasten 3: Die Anwendung – Vollständiger E/A-Baukasten Das Busklemmensystem hat die Automatisierungstechnik der letzten Jahre maßgeblich mit geprägt. Es ist zu einem Standard geworden, der kontinuierlich weiter entwickelt wird und durch Ethercat neue Maßstäbe hinsichtlich Leistung und Kosten setzt. Aus den, im Jahr 1995 noch auf Standardsignale beschränkten, Busklemmen ist inzwischen ein vollständiger I/O-Baukasten geworden. Kasten 4: Antriebstechnik in der Busklemme Das Busklemmensystem ermöglicht auch kompakte und preiswerte Antriebslösungen mittels Busklemmen. Es sind diverse Klemmen für Integration von Schrittmotoren oder DC-Motoren verfügbar. Die Busklemme KL2791 ermöglicht den direkten Anschluss von Einphasen-Wechselstrommotoren bis 100W. Kondensator-, Universal- oder Spaltpolmotor können so einfach in ihrer Drehzahl reduziert werden. Der Drehzahlsteller baut extrem kompakt und ist in einer Standard-Busklemme mit 12mm Breite untergebracht. Kasten 5: PC-Control für die Busklemme Mit einem Beckhoff-Embedded-PC steht eine PC-basierte Steuerung mit direktem Busklemmen-Interface zur Verfügung, das den Einsatz der Busklemme um ein breites Anwendungsspektrum erweitert. Mit den Embedded-PCs der Serie CX bringt Beckhoff-PC-Technik und modulare I/O-Ebene als Einheit auf die Hutschiene im Schaltschrank. Die Geräteserie CX vereint die Welten Industrie-PC und Hardware-SPS und umfasst mehrere CPU-Grundmodule mit unterschiedlichen Prozessoren zur optimalen Anpassung an die jeweilige Steuerungsaufgabe. Kasten 6: Drahtlos – Wireless-Datenaustausch Die Datenaustauschklemme KM6551 für das Beckhoff-Busklemmensystem nutzt eine Lösung aus standardisierter Basistechnologie (IEEE802.15.4), welche mit 16 unabhängigen Kanälen und dem DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)-Spreizverfahren, ein Frequenzspreizverfahren für die drahtlose Datenübertragung, gute physikalische Bedingungen bietet. Unabhängig vom überlagerten Feldbus werden Daten ausgetauscht oder zwischen zwei eigenständigen Steuerungen Daten über Funk übertragen. Weiterhin unterstützt das System EnOcean- oder RFID-Lösungen. Kasten 7: Safety – TwinSafe: Sicherheits- und I/O-Technik in einem System Beckhoff bietet mit dem TwinSafe-System die Möglichkeit, das bewährte Busklemmensystem einfach zu erweitern und die gesamte Verkabelung für den Sicherheitskreis mit in das sowieso vorhandene Feldbusnetzwerk zu überführen. Die sicheren Signale lassen sich mit den Standardsignalen beliebig mischen. Das spart an Projektierungsaufwand, Montage und Material. Die Wartung wird durch schnellere Diagnose und leichten Austausch nur weniger Komponenten deutlich vereinfacht. Nur drei Grundfunktionalitäten sind in den TwinSafe-Busklemmen enthalten: digitale Eingänge KL1904, digitale Ausgänge KL2904 und die Logic-Klemme KL6904. Die notwendige, logische Verknüpfung der Eingänge mit den Ausgängen führt der TwinSafe-Controller KL6904 durch. Kasten 8: Individuell – Spezial- und branchenspezifische Module Neben Standardsignalen wurde das Busklemmensystem auch immer wieder um branchenspezifische Lösungen erweitert. Das System enthält beispielsweise zahlreiche Klemmen für die Gebäudeautomatisierung. Von der Dimmerklemme bis 600W bis zu HLK-Klemmen. Über Kommunikationsklemmen wie z.B. EIB, LON, DALI oder MP-Bus können alle Kommunikationsstandards der Gebäudeautomatisierung in das Beckhoff-System eingebunden werden. Kasten 9: Überblick – Busklemmen-Features – Modulares I/O-System in Schutzart IP20, bestehend aus elektronischen Reihenklemmen mit einer Gehäusebreite von 12mm, zur direkten Sensor-/Aktorverdrahtung. – Über 400 verschiedene Busklemmen für alle Signalarten: Digital-I/O, 0 bis10V, ±10V, 0 bis 20mA, 4 bis 20mA, Thermoelement, PT100, DMS, Relais, Zähler, PWM, SSI, Inkremental-Encoder-Interface. – Kommunikationsklemmen ermöglichen die Integration von Subsystemen, wie z.B. AS-Interface, RS232, RS485, DALI, EIB, LON. – Buskoppler für 21 Feldbussysteme: Ethercat, Ethernet, Lightbus, Profibus, Profinet, EtherNet/IP, CANopen, DeviceNet, Interbus, Sercos Interface, ControlNet, CC-Link, Fipio, USB, Modbus, RS232/RS485, AS-Interface, IO-Link, DALI, EIB und LON. – Platzsparend und kostengünstig durch feine Modularität: Busklemmen in 1-, 2-, 4- und 8-Kanalausführung mit Mischung beliebiger Signaltypen. – Klemmenmodule mit steckbarer Verdrahtung kombinieren 16, 32 oder 64 digitale I/Os auf kleinster Fläche bei hoher Packungsdichte. – Potenzialeinspeiseklemmen, optional auch mit Sicherung, Diagnose und Überspannungsschutz, ermöglichen die Einrichtung unterschiedlicher Potenzialgruppen. – Safety integriert: TwinSafe-Busklemmen für den Anschluss aller gängigen Sicherheitssensoren und -aktoren. – Integrierte Motion-Control-Lösung für Gleichstrom- und Schrittmotoren. – Messtechnische Aufgaben können durch Busklemmen mit hoher Genauigkeit und besonders schneller Abtastung gelöst werden. – Skalierbares Steuerungssystem: Mit den Busklemmen Controllern der Serien BC/BX oder den Embedded-PCs stehen Steuerungen verschiedener Leistungsklassen zur Verfügung. Kasten 10: Engineering – Messtechnik im I/O-System Das Busklemmensystem integriert eine Vielzahl von I/O-Bausteinen für Messtechnikanwendungen. Von Standard-Funktionen wie die Temperatur- oder Leistungsmessung bis hin zum Digital-Multimeter im Reihenklemmenformat. Busklemmen mit einer hohe Messgenauigkeit bzw. einer Auflösung bis 24Bit erweitern das Spektrum für die Highend-Messtechnik. Auch nicht elektrische Signale können mit der Busklemme erfasst werden: Mit den Druckmessklemmen der Serie KM37xx können Differenz- und Absolutdrücke direkt im I/O-System – ohne weitere Messgeräte – erfasst werden. Kasten 11: IP67 – Neue Anwendungsfelder