I O Module

Die Industrie 4.0 verlangt nach einer flexiblen und zuverlässigen Kommunikation. Um diese zu ermöglichen, kommen Feldbussysteme zum Einsatz. Erste Versionen davon wurden schon in den 1980er Jahren entwickelt, um den steigenden Anforderungen, die sich durch die fortschreitende industrielle Automatisierung ergaben, gerecht zu werden. Ein Feldbus dient dazu, einen Datenaustausch zwischen Systemkomponenten zu ermöglichen. Dazu verbindet er externe Sensoren und Aktoren wie Motoren, Antriebe, Instrumente oder Schalter, die auch unter dem Begriff Feldgeräte zusammengefasst werden, mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Rechnern. Im Gegensatz zur Parallelverdrahtung, die zu früherer Zeit üblich war, um Kommunikationsteilnehmer mit der Regel- und Steuerebene zu verknüpfen, und einen erheblichen Verkabelungsaufwand verursachte, kommen Feldbussysteme mit nur einem Kabel aus. 

Eine Schlüsselposition in dem Zusammenhang nehmen Input-/Output-Module (kurz: I/O-Module oder auch IO-Module) ein, denn sie sind es, die komplexe Verkabelungen überflüssig machen. Eingesetzt werden I/O-Module, um Messsignale umzuwandeln und auf einen Bus (Binary Unit System) zu übertragen. Dazu verfügen sie im Regelfall über mehrere analoge und/oder digitale Eingänge sowie mehrere analoge und/oder digitale Ausgänge. Ohne I/O-Module müssten am Ausgang jedes Sensors mindestens zwei Kabel zu einer Steuerung oder einem Rechner verlegt werden. Beim Anschluss eines einzelnen Sensors wäre der Aufwand bei der Verkabelung noch übersichtlich, anders verhält es sich jedoch, wenn 50 oder 100 Sensoren an einen Bus angeschlossen werden sollen. In solchen Situationen macht sich die Architektur von Feldbussystemen bezahlt. Durch den Einsatz von I/O-Modulen führt allein der Bus zur Steuerung, während die Sensoren lediglich mit zwei kurzen Drähten an das Modul angeschlossen werden. 

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 ist ähnlich wie EtherCAT insbesondere für zeitkritische Aufgaben geeignet. Profibus ist in den Bereichen der Fertigungs- und Prozessautomatisierung weit verbreitet.

Hardware- und Protokollebene schließen einander nicht aus. So arbeiten beispielsweise die Feldbussysteme CANopen und DeviceNet, das hauptsächlich im US-amerikanischen und asiatischen Raum verwendet wird, mit dem gleichen physikalischen Medium (CAN), aber mit verschiedenen Protokollen. Umgekehrt gibt es Protokolle, die in Feldbussysteme mit unterschiedlicher Hardware implementiert werden können. Ein Beispiel dafür ist das Modbus-Protokoll. Es wurde bereits 1979 entwickelt, ist aber nach wie vor Standard in der Industrie. Das offene Protokoll verwendet bei der Datenübertragung drei mögliche Betriebsarten: Bei Modbus RTU (Remote Terminal Unit) wird eine serielle Master-Slave-Kommunikation über RS-232 oder RS-485 etabliert. Bei Modbus TCP (Transmission Control Protocol) erfolgt die Kommunikation dagegen über eine Client-Server-Struktur. Wie bei einem lokalen Computer-Netzwerk müssen sich 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 direkt gelesen werden kann. Der Datendurchsatz fällt im Allgemeinen geringer aus als bei Modbus RTU.