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Wissenswertes zu I/O-Modulen

Die Industrie 4.0 verlangt nach einer flexiblen und zuverlässigen Kommunikation. Feldbussysteme nehmen eine Schlüsselrolle bei der Vernetzung von Sensoren und Maschinen ein. Erfahren Sie in unserem Ratgeber, welche Vorteile in diesem Zusammenhang I/O-Module bieten und wie einige der gebräuchlichsten Bussysteme funktionieren.

I/O-Module im Detail

I/O-Module werden in der Mess- und Regeltechnik eingesetzt, um Messsignale auf einen Bus (Binary Unit System) übertragen zu können. Es werden also alle eingehenden Signale umgewandelt und an einen Bus wie beispielsweise CAN oder Profibus übertragen. Dazu verfügen viele Module über gleich mehrere analoge und digitale Eingänge sowie über analoge und digitale Ausgänge. Der grosse Vorteil liegt in der deutlich weniger aufwendigen Verkabelung: Ohne entsprechende Module müssten am Ausgang jedes Sensors mindestens zwei Kabel zu einer Steuerung oder einem technischen Gerät verlegt werden. Bei einem einzelnen Sensor ist der Aufwand bei der Verkabelung noch übersichtlich, wirklich sichtbar wird der Nutzen solcher Module erst, wenn 50 oder 100 Sensoren an einen Bus angeschlossen werden sollen. Dank eines I/O-Moduls führt lediglich der Bus selbst zur Steuerung, während die einzelnen Sensoren nur noch mit zwei kurzen Drähten an das Modul angeschlossen werden müssen. Darüber hinaus übernimmt das Modul die Steuerung auf Bus-Ebene, was die Ausgabe analoger Signale oder die Schaltung von Relais ermöglicht.

Verbreitete Feldbussysteme im Überblick

Der von Bosch entwickelte CAN-Bus (Controller Area Network) wurde speziell für die Vernetzung einer grossen Anzahl von Steuergeräten konzipiert. Es handelt sich dabei um eine serielle Linien-Topologie, bei der ein Twisted-Pair-Kabel mit einer Impedanz von 120 Ohm als Übertragungsmedium verwendet wird. Hinsichtlich der Übertragungsgeschwindigkeit unterscheidet man zwischen Highspeed (1 MBit/s) und Lowspeed (125 kBit/s). Die maximale Geschwindigkeit ist von der Leitungslänge abhängig: Um eine Geschwindigkeit von 1 Mbit/s zu erreichen, darf die Leitung nicht länger als 40 Meter sein. 250 kBit/s sind bis zu einer Länge von 130 Metern möglich, während es bei einer Übertragungsgeschwindigkeit von 125 kbit/s bereits 530 Meter sein dürfen. In Verbindung mit CAN ist häufig auch von CANopen die Rede: Dabei handelt es sich um ein auf CAN aufsetzendes Kommunikationsprotokoll, das überwiegend im Bereich der Automatisierung zum Einsatz kommt.

Das von der Firma Beckhoff entwickelte EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ist ein auf Ethernet basierendes Feldbussystem. Die Vorteile dieses Standards sind die besonders kurzen Durchlaufzeiten, weswegen sich EtherCAT auch für zeitkritische und Echtzeit-Anwendungen eignet. Profibus (Process Field Bus) wurde mit Unterstützung von Siemens entwickelt und bietet den Vorteil, dass Geräte verschiedener Hersteller ohne vorherige Anpassung der Schnittstellen miteinander kommunizieren können. Das System eignet sich auch und insbesondere für zeitkritische Aufgaben. Profibus ist in den Bereichen der Fertigungs- und Prozessautomatisierung weit verbreitet.

Das 1979 entwickelte Modbus-Protokoll hat schon einige Jahre auf dem Buckel, ist aber nach wie vor der Standard in der Industrie schlechthin. Das offene Protokoll verwendet bei der Datenübertragung drei mögliche Betriebsarten: Bei Modbus RTU (Remote Terminal Unit) wird eine serielle Master-Slave-Kommunikation über RS232 oder RS485 etabliert. Bei Modbus TCP (Transmission Control Protocol) erfolgt die Kommunikation dagegen über eine Client-Server-Struktur. Wie bei einem normalen Computer-Netzwerk, müssen sich auch bei Modbus TCP alle Teilnehmer im gleichen IP-Bereich befinden. Zu guter Letzt gibt es noch Modbus ASCII, das statt eines Binärcodes eine ASCII-Zeichenfolge überträgt, die vom Menschen direkt gelesen werden kann. Der Datendurchsatz fällt im Allgemeinen geringer aus als bei Modbus RTU.

Was gilt es beim Kauf von I/O-Modulen zu beachten?

Es gibt viele Faktoren, die bei der Auswahl von IO-Modulen zu beachten sind und die den Ausgang der Entscheidungsfindung beeinflussen: Damit ein Modul Ihre Anforderungen auch wirklich erfüllt, sollten Sie sichergehen, dass die Kompatibilität zu dem von Ihnen eingesetzten Feldbussystem gegeben ist. Stellen Sie darüber hinaus sicher, dass sowohl digitale und analoge Eingänge als auch digitale und analoge Ausgänge in ausreichender Anzahl vorhanden sind. Falls Sie ein Modell auswählen, das an der Hutschiene im Schaltschrank verbaut werden soll, muss natürlich ausreichend Platz vorhanden sein. Ausserdem eine wichtige Frage: Werden Relais-Ausgänge benötigt und wenn ja wie viele? Soll das Modul vielleicht über zusätzliche Schnittstellen wie USB oder Ethernet verfügen? Auch solche Modelle sind in unserem umfangreichen Sortiment erhältlich.

Unser Praxistipp: LEDs vereinfachen die Kontrolle von Ein- und Ausgang

Greifen Sie, wenn möglich, zu einem I/O-Modul mit integrierten Status-LEDs. So kann der Zustand von jedem Ein- und Ausgang visuell dargestellt werden und Fehler bei der Verkabelung sowie anliegende Signale lassen sich direkt erkennen.

FAQ – häufig gestellte Fragen zu I/O-Modulen

Was ist ein Remote-I/O-System?

Über ein Remote-I/O-Modul ist eine Fernabfrage oder eine Schaltung auch über weite Entfernungen hinweg möglich. Die Anbindung erfolgt dabei über Ethernet oder eine Internetverbindung.

Was versteht man unter einem Gateway?

Mit einem Gateway können Netzwerke, die mit unterschiedlichen Transport- und Kommunikationsprotokollen arbeiten, miteinander verbunden werden. Mithilfe eines solchen Gateways ist auch eine Signalübertragung zwischen verschiedenen Feldbussystemen möglich. 

Warum ist bei einem I/O-Modul ein integrierter Optokoppler sinnvoll?

Durch den integrierten Optokoppler erfolgt eine galvanische Trennung des Moduls zu den angeschlossenen Geräten. Zudem wird effektiv eine Beschädigung des Moduls verhindert, falls im Stromkreis Spannungsspitzen auftreten sollten.

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