Fieldbus-Ventilinseln: Vorteile und Anwendungen in der industriellen Automatisierung

In automatisierten Maschinen und komplexen Industrieanlagen ist die Steuerung der Pneumatik häufig einer der kritischen Punkte der gesamten Systemarchitektur. Fieldbus-Ventilinseln stellen heute eine bewährte Antwort auf dieses Problem dar: Sie bündeln die Verteilung der pneumatischen Signale und die Kommunikation mit der Steuerung in einem einzigen Knoten und beseitigen damit eine Reihe von Problemen, die mit herkömmlichen Architekturen nicht zufriedenstellend gelöst werden können.

Warum traditionelle Pneumatikarchitekturen an ihre Grenzen stoßen

In älteren Anlagen – und auch heute noch in vielen Maschinen, die ohne eine Fieldbus-Integration konzipiert wurden – wird jedes Magnetventil einzeln mit dem Bedienfeld oder dem digitalen Ausgangsmodul der SPS verdrahtet. Dieser Ansatz, der in der Planungsphase scheinbar geradlinig erscheint, führt zu einer Reihe von Komplikationen, die bei Installation, Inbetriebnahme und Wartung deutlich sichtbar werden.

Die Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung ist das erste kritische Element. Eine Maschine mit 16 oder 24 Magnetventilen erfordert eine entsprechende Anzahl von Signalkabeln, die durch den Schaltschrank, die Kabelkanäle und die Kabeldurchführungen bis zu den einzelnen Aktoren geführt werden. Die praktische Folge sind ein überfüllter Schaltschrank, hohe Verdrahtungszeiten und eine Fehlerwahrscheinlichkeit, die proportional zur Anzahl der Verbindungen steigt. Während der Inbetriebnahme kann die Identifizierung einer Polaritätsumkehr oder einer fehlerhaften Verbindung Stunden in Anspruch nehmen.

Die Anlagenkomplexität ist nicht nur ein Problem des Platzbedarfs. Über mehrere Bereiche der Maschine verteilte Ventile erfordern ebenso verteilte Pneumatikanschlüsse, wodurch sich die Anzahl der Leitungen vervielfacht und jede spätere Änderung erschwert wird. Jede Konfigurationsvariante – die Hinzufügung einer Station, ein Formatwechsel oder eine Funktionserweiterung – führt zu einem Eingriff in die Anlage, der sowohl den elektrischen als auch den pneumatischen Bereich betrifft.

Im Bereich der Wartung bietet die verteilte Architektur nur eine eingeschränkte Transparenz. Ohne integrierte Diagnose äußert sich ein Defekt an einem Magnetventil als Funktionsstörung des Aktors, ohne dass das Steuerungssystem Hinweise auf die verantwortliche Komponente liefert. Der Wartungstechniker muss daher Ausschlussverfahren anwenden, was zu längeren Maschinenstillstandszeiten führt.

Die Erweiterbarkeit stellt die deutlichste Einschränkung bei Revamping-Projekten dar. Das Hinzufügen von Ventilen in einer traditionellen Architektur bedeutet das Hinzufügen von Kabeln, I/O-Modulen und häufig auch Änderungen an der Struktur des Schaltschranks. Der Konstrukteur arbeitet dabei mit geringen Reserven, sowohl hinsichtlich des verfügbaren Platzes als auch der verfügbaren SPS-Kanäle.

Was ist eine Fieldbus-Ventilinsel und wie funktioniert sie

Eine Ventilinsel ist eine kompakte Einheit, die in einem einzigen mechanischen Gehäuse eine Gruppe pneumatischer Magnetventile, einen Luftverteilungsmanifold und ein elektronisches Kommunikationsmodul integriert. Die Druckluft wird an einem einzigen Punkt in den Manifold eingespeist und intern zu den einzelnen Ventilen verteilt, wodurch externe Pneumatikverbindungen zwischen den Komponenten entfallen.

Das Fieldbus-Modul ist der Schnittstellenknoten zwischen der Ventilinsel und dem Steuerungssystem. Anstelle einzelner Kabel für jedes Magnetventil verbindet ein einziges Kommunikationskabel – oder bei der Industrial-Ethernet-Variante ein RJ45-Steckverbinder – die Ventilinsel mit dem Feldbus und der SPS. Das Modul empfängt die Befehle in Form von Telegrammen, interpretiert sie und setzt sie innerhalb von Millisekunden in die Ansteuerung der einzelnen Magnetventile um.

Aus Sicht der SPS erscheint die Ventilinsel als Busknoten mit einer eindeutigen Adresse. Der Programmierer weist den entsprechenden Ausgangsbits die Befehle für die einzelnen Ventile zu, genau wie bei einem digitalen I/O-Modul, jedoch ohne dass dieses Modul physisch im Schaltschrank installiert sein muss.

Die Integration mit den wichtigsten Programmierumgebungen – TIA Portal von Siemens, Studio 5000 von Rockwell und Sysmac Studio von Omron – erfolgt über standardisierte GSD-, EDS- oder ESI-Dateien, die die Eigenschaften des Knotens definieren und seine automatische Konfiguration ermöglichen.

Zusätzlich zu den Ausgangsbefehlen überträgt das Fieldbus-Modul in umgekehrter Richtung Statusdaten: Versorgungsspannung, Innentemperatur, Kommunikationsfehler und den Status jedes einzelnen Magnetventils. Diese Bidirektionalität ist der wesentliche Unterschied zur herkömmlichen Verdrahtung, die lediglich das Steuersignal überträgt, ohne irgendeine Form von Rückmeldung bereitzustellen.

Die Vorteile von Fieldbus-Ventilinseln in Industrieanlagen

Reduzierung des Verdrahtungsaufwands

Die Einsparung von Verdrahtungsaufwand lässt sich direkt quantifizieren. Eine Ventilinsel mit 16 Ventilen ersetzt 16 einzelne Kabel durch ein einziges Kommunikationskabel. In einer Maschine mit mehreren entlang des Layouts verteilten Ventilinseln vervielfacht sich diese Einsparung. Die Material- und Arbeitskosten für die Verdrahtung werden reduziert, und der Platzbedarf in den Kabelkanälen verringert sich, wodurch Raum für weitere Leiter geschaffen oder die Kabelführung innerhalb der Maschinenstruktur vereinfacht wird.

Modularität und Skalierbarkeit

Ventilinseln sind darauf ausgelegt, mit dem System mitzuwachsen. Zusätzliche Ventile werden physisch durch das Anfügen weiterer Module an den Grundkörper der Ventilinsel ergänzt, ohne die Feldverdrahtung zu verändern. Auf Softwareebene beschränkt sich die Neukonfiguration des Fieldbus-Knotens auf die Aktualisierung der Konfigurationsdatei und die Zuweisung der neuen Ausgangsbits im SPS-Programm. In Maschinenprojekten mit Varianten unterschiedlicher Stationsanzahl ermöglicht diese Architektur die Verwaltung verschiedener Konfigurationen mit derselben Basishardware.

Diagnose und Überwachung

Die Echtzeitdiagnose ist einer der Aspekte, die Fieldbus-Ventilinseln am deutlichsten von traditionellen Lösungen unterscheiden. Das Kommunikationsmodul überträgt kontinuierlich Informationen über den Zustand der Ventilinsel: Versorgung der Magnetventile, Kurzschluss auf einem einzelnen Kanal, Übertemperatur oder Kommunikationsverlust. Diese Daten sind über die SPS zugänglich und können im Anwendungsprogramm genutzt werden, um Alarme auszulösen, Zyklen kontrolliert zu unterbrechen oder Wartungsprotokolle zu erstellen. In einer Anlage mit SCADA-Überwachung können dieselben Daten auf Anlagenebene visualisiert und für prädiktive Analysen historisiert werden.

Vereinfachte Wartung

Die Konzentration der Ventile an einem einzigen physischen Ort reduziert den Zeitaufwand für routinemäßige und außerordentliche Wartungsarbeiten. Der Austausch eines Magnetventils oder eines Moduls ist ein lokalisierter Vorgang, ohne dass Kabel innerhalb der Anlage nachverfolgt werden müssen. In einigen Konfigurationen kann das Steuerungsmodul ausgetauscht werden, ohne die Stromversorgung der Ventilinsel zu unterbrechen, wodurch die Stillstandszeiten weiter reduziert werden. Die integrierte Diagnose führt den Wartungstechniker direkt zur fehlerhaften Komponente und macht eine Diagnose durch Ausschlussverfahren überflüssig.

Reduzierung der Installationszeiten

Während der Maschinenmontage erfolgt die Installation und Verdrahtung einer vorkonfigurierten Ventilinsel deutlich schneller als die Montage einzelner Ventile. Die Ventilinsel wird in der Werkstatt als eigenständige Einheit getestet, wobei die Funktion jedes Ventils vor der Installation vor Ort überprüft wird. Die Inbetriebnahme an der Linie beschränkt sich auf die Überprüfung der Fieldbus-Kommunikation und den Funktionstest des SPS-Programms, ohne dass einzelne Verdrahtungsverbindungen kontrolliert werden müssen.

Industrielle Kommunikationsprotokolle und Integration in moderne Systeme

Die Wahl des Fieldbus-Protokolls wird durch das Automatisierungsökosystem bestimmt, in das die Ventilinsel integriert wird, und in erster Linie durch die Marke und das Modell der verwendeten SPS. Die wichtigsten Industrial-Ethernet-Protokolle – ProfiNET, EtherCAT und EtherNet/IP – haben serielle Bussysteme in neuen Installationen weitgehend ersetzt, existieren jedoch in bestehenden Anlagen weiterhin neben diesen.

ProfiNET ist das Referenzprotokoll innerhalb des Siemens-Ökosystems und in der europäischen Industrie weit verbreitet. Es unterstützt sowohl die zyklische Kommunikation für Prozessdaten als auch die azyklische Kommunikation für Diagnose und Parametrierung. In Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Synchronisation ermöglicht die Variante ProfiNET IRT (Isochronous Real Time) Jitter-Werte von unter einer Mikrosekunde.

EtherCAT wurde von Beckhoff entwickelt und zeichnet sich durch seine extremen Echtzeit-Leistungsmerkmale aus: Die Kommunikationszyklen liegen unter einer Millisekunde, wodurch es sich für hochdynamische Motion-Control-Anwendungen eignet, bei denen Ventilinseln mit elektrischen Achsen synchronisiert werden müssen.

EtherNet/IP, gefördert von Rockwell Automation und ODVA, ist das dominierende Protokoll im nordamerikanischen Umfeld sowie in allen Bereichen, in denen Allen-Bradley den Referenzstandard darstellt. Es verwendet den standardisierten TCP/IP-Stack, was die Integration in bestehende IT-Infrastrukturen sowie die Kommunikation mit MES- und SCADA-Systemen vereinfacht.

Profibus DP bleibt trotz seiner mittlerweile ausgereiften seriellen Technologie in einer großen Zahl bestehender Anlagen im Einsatz. Ventilinseln, die dieses Protokoll unterstützen, ermöglichen die Integration neuer Komponenten in Profibus-Umgebungen, ohne dass eine Migration des gesamten Feldbusnetzes erforderlich ist.

IO-Link ist schließlich kein Feldbus im klassischen Sinne, sondern eine standardisierte Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle (IEC 61131-9), die die bidirektionale Kommunikation zwischen einem IO-Link-Master und einem Gerät ermöglicht. In diesem Zusammenhang kann eine Ventilinsel mit IO-Link-Modul an einen bereits in der Anlage vorhandenen IO-Link-Master angeschlossen werden, ohne dass ein Industrial-Ethernet-Protokoll verfügbar sein muss. Dies ist eine häufige Lösung in mittelgroßen Maschinen, bei denen die Anzahl der Ventile die Einführung eines dedizierten Bussystems nicht rechtfertigt.

Industrielle Anwendungen von Fieldbus-Ventilinseln

Fieldbus-Ventilinseln finden überall dort Anwendung, wo pneumatische Automatisierung mit einem programmierbaren Steuerungssystem kombiniert wird. Einige Branchen haben diese Technologie besonders intensiv übernommen.

• Verpackung und Verpackungstechnik: Automatische Sekundär- und Tertiärverpackungslinien verwenden typischerweise Dutzende von Magnetventilen zur Steuerung von Greifern, Schiebern, Messern, Formplatten und Vakuumsystemen. Die Ventilinsel wird direkt an der jeweiligen Funktionseinheit – Verschließstation, Etikettierkopf oder Füllkarussell – montiert, wodurch die Verrohrung auf das notwendige Minimum reduziert und Formatwechsel vereinfacht werden.
• Automatisierte Montage: In Montageinseln mit mehreren Stationen kann jede Station mit einer eigenständigen Ventilinsel ausgestattet werden, die an den Feldbus der Maschine angeschlossen ist. Der Konstrukteur erweitert die Linie durch das Hinzufügen weiterer Busknoten, ohne in die Verdrahtung bestehender Stationen eingreifen zu müssen.
• Handhabung und Handling: Greif- und Transportsysteme auf Basis pneumatischer Zylinder und Vakuumsauger erfordern eine hohe Anzahl von Ventilen mit kurzen Zykluszeiten. Die Fieldbus-Kommunikation ermöglicht es der SPS, Befehlssequenzen mit geringen Latenzen zu senden, die mit den typischen Produktionszyklen von 200 bis 500 ms kompatibel sind.
• Sondermaschinen: Bei Maschinen, die nach Kundenspezifikationen gebaut werden, ermöglicht die Modularität der Ventilinseln die Verwaltung verschiedener Konfigurationsvarianten mit derselben mechanischen und elektrischen Struktur, wobei lediglich die Anzahl der installierten Ventilmodule und die Softwarekonfiguration des Fieldbus-Knotens angepasst werden.
• Automatisierte Lebensmittel- und Pharmalinien: In diesen Branchen, in denen hohe Anforderungen an Reinigbarkeit und Rückverfolgbarkeit bestehen, ermöglichen Ventilinseln in IP67-Ausführung oder aus normgerechten Materialien die Installation der Pneumatiksteuerung direkt im Produktionsbereich, ohne dass zusätzliche Schutzschaltschränke erforderlich sind.

Anwendungsbeispiel: Fieldbus-Ventilinseln der Serie VJ

Ein konkretes Beispiel für die Anwendung der beschriebenen Prinzipien sind die Fieldbus-Ventilinseln der Serie VJ von Airwork, die im Katalog von A&T Fluid Solutions erhältlich sind. Die Serie ist in zwei Hauptgrößen verfügbar: 10 mm mit Durchflussraten von bis zu 300 l/min, ausgelegt für kompakte Maschinen mit geringem Energiebedarf sowohl auf pneumatischer als auch auf elektrischer Seite; sowie 14 mm mit Durchflussraten von bis zu 560 l/min, geeignet für größere Aktoren und anspruchsvollere Betriebszyklen.

Die Modularität der Serie VJ zeigt sich in der Möglichkeit, je nach Steuerungsarchitektur zwischen vier Anschlussmodulen zu wählen: dem Sub-D-Modul mit 25-poligem Steckverbinder für Installationen mit traditioneller Verdrahtung; dem Fieldbus-Modul, kompatibel mit ProfiNET, Profibus-DP, EtherCAT, EtherNet/IP und CC-Link IEFB, das bis zu 24 Magnetventile einschließlich bistabiler Ausführungen verwalten kann; dem Profibus-Modul mit 4-poligen M12-Anschlüssen; sowie dem IO-Link-Modul, das in drei Konfigurationen für 8, 16 und 24 Ventile verfügbar und mit den anderen Modulen auf derselben Ventilinsel austauschbar ist.

Die Konfigurationsflexibilität ermöglicht es dem Konstrukteur, das Protokoll entsprechend dem verwendeten SPS-Ökosystem auszuwählen, ohne den Grundkörper der Ventilinsel oder die bereits ausgewählten Ventile austauschen zu müssen. Dadurch wird die Anzahl der in Multi-Kunden-Projekten zu verwaltenden Artikelnummern reduziert und die Verwaltung des Ersatzteillagers vereinfacht.

Auswirkungen auf die Automatisierungsarchitektur

Fieldbus-Ventilinseln stellen eine Weiterentwicklung der traditionellen Pneumatikarchitektur dar, indem sie Luftverteilung, Steuerung und Kommunikation in einem einzigen intelligenten Knoten integrieren. Die Reduzierung des Verdrahtungsaufwands, die integrierte Diagnose und die höhere Modularität ermöglichen eine Vereinfachung von Planung, Installation und Wartung der Anlage.

Für Konstrukteure, Systemintegratoren und Maschinenbauer bedeutet die Einführung dieser Lösungen, über eine besser skalierbare Infrastruktur zu verfügen, die sich leicht in SPS- und Leitsysteme integrieren lässt und den Anforderungen der modernen industriellen Automatisierung entspricht.