Bei speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und verteilten Steuerungssystemen (DCS) ist die Auswahl zwischen festverdrahteten E/A und seriellen E/A aufgrund der Echtzeitnatur dieser Systeme und der damit verbundenen Komplexität industrieller Prozesse besonders kritisch.
Im Folgenden erläutere ich die Eigenschaften der einzelnen Systeme in diesen spezifischen Systemen.
Festverdrahtete E/A
Die wichtigsten Punkte, die wir zu den festverdrahteten E/A besprechen müssen, sind unten aufgeführt.
- Direkte Verbindung
- Echtzeitreaktion
- Verdrahtungskomplexität
- Begrenzte Flexibilität
- Zuverlässigkeit
- Signalintegrität
- Eignung
- Sicherheitskritische Anwendungen
1. Direkte Verbindung
Festverdrahtete E/A sind direkt mit der SPS oder dem DCS verbunden. Jedes Eingabe- oder Ausgabegerät verfügt über eine dedizierte Leitung, die zurück zum Controller führt.
2. Echtzeitreaktion
Diese E/A sind im Allgemeinen für Echtzeitsteuerungsaufgaben ausgelegt. Sie werden insbesondere in zeitkritischen Anwendungen wie Prozesssteuerung, Verriegelungen und Notabschaltungen verwendet, bei denen sofortiges Handeln erforderlich ist.
3. Komplexität der Verdrahtung
Bei großen Systemen mit zahlreichen E/A-Punkten können festverdrahtete Lösungen umständlich werden, da umfangreiche Verkabelung und größere Schaltschränke erforderlich sind.
4. Eingeschränkte Flexibilität
Das Ändern oder Erweitern eines festverdrahteten Systems kann aufgrund der erforderlichen physischen Neuverdrahtung arbeitsintensiv sein.
5. Zuverlässigkeit
Festverdrahtete E/As werden aufgrund ihrer unkomplizierten Punkt-zu-Punkt-Natur oft als zuverlässiger für kritische Aufgaben angesehen, wodurch das Risiko von Kommunikationsfehlern verringert wird.
6. Signalintegrität
Die Signalintegrität ist bei festverdrahteten Verbindungen im Vergleich zur seriellen Kommunikation normalerweise besser, insbesondere in Umgebungen mit vielen elektromagnetischen Störungen (EMI).
7. Eignung
Am besten geeignet für kleinere Systeme oder in Szenarien, in denen Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit von größter Bedeutung sind.
8. Sicherheit
Festverdrahtete I/Os werden meist in sicherheitskritischen Anwendungen wie industriellen Prozesssteuerungsanwendungen verwendet, bei denen die Regelkreise kritisch sind.
Serielle I/Os
Die wichtigsten Punkte, die wir über die seriellen I/Os diskutieren müssen, sind unten aufgeführt.
- Datenserialisierung
- Protokollbasierte Kommunikation
- Skalierbarkeit
- Netzwerkfähigkeit
- Datenverarbeitung
- Entfernung
- Schwachstelle
- Kosten
- Sicherheit
1. Datenserialisierung
Serielle I/Os übertragen Daten jeweils ein Bit, normalerweise über eine einzige Datenleitung. Dies steht im Gegensatz zu parallelen Systemen, die mehrere Bits gleichzeitig senden. Wir haben einzelne Drähte für jedes Signal in festverdrahteten I/Os, aber die seriellen I/Os haben im Allgemeinen ein einziges Kabel zum Senden/Empfangen aller Daten.
2. Protokollbasierte Kommunikation
Sie verlassen sich normalerweise auf etablierte Industrieprotokolle wie Modbus, PROFIBUS oder Ethernet/IP für die Kommunikation, die den Datenaustausch zwischen Geräten standardisieren.
3. Skalierbarkeit
Serielle E/A-Systeme sind im Allgemeinen skalierbarer. Das Hinzufügen weiterer E/A-Punkte erfordert häufig nur die Konfiguration des vorhandenen Netzwerks, ohne dass zusätzliche Kabel zum Controller zurückverlegt werden müssen.
4. Netzwerkfähigkeit
Serielle E/A-Systeme können problemlos vernetzt werden und verfügen häufig über integrierte Diagnosefunktionen, was sie vielseitiger macht, aber auch komplexer macht.
5. Datenverarbeitung
Serielle E/A-Systeme sind vielseitiger, wenn es um die Datenverarbeitung geht. Sie können komplexere Datentypen, einschließlich reeller Zahlen und Zeichenfolgen, über das Netzwerk übertragen.
6. Entfernung
Sie eignen sich besser für Anwendungen, bei denen sich E/A-Punkte weit vom SPS- oder DCS-Controller entfernt befinden. In einigen Fällen benötigen wir möglicherweise spezielle Geräte wie Repeater, Gateways usw.
7. Anfälligkeit
Da sie protokollbasiert sind, können serielle E/A-Systeme anfälliger für Probleme wie Datenkollisionen, Latenz und andere netzwerkbezogene Probleme sein.
8. Kosten
Während die anfänglichen Einrichtungskosten aufgrund der Netzwerkhardware höher sein können, können die langfristigen Kosten niedriger sein, insbesondere bei Systemen, die häufige Änderungen oder Skalierungen erfordern.
9. Sicherheit
Serielle E/As werden nie in sicherheitskritischen Anwendungen verwendet, da eine Beschädigung des Hauptkabels zu einem vollständigen Datenausfall führen kann.
Wahl zwischen festverdrahteten und seriellen E/As
Die Wahl zwischen den beiden hängt oft von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. Systemgröße, erforderliche Betriebsgeschwindigkeit, Sicherheit, Datenkomplexität und Kostenüberlegungen. Ingenieure führen normalerweise eine detaillierte Analyse durch und verwenden manchmal sogar beide Typen in verschiedenen Abschnitten eines einzelnen SPS- oder DCS-Systems, um die Vorteile beider zu nutzen. Beispielsweise können festverdrahtete E/As für sicherheitskritische Anwendungen verwendet werden, während serielle E/As für Datenerfassungs- und Überwachungsaufgaben verwendet werden können.
Vergleich zwischen festverdrahteten E/As und seriellen E/As
Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede zwischen festverdrahteten E/As und seriellen E/As.
| Parameter | Festverdrahtete E/As | Serielle E/As |
| Verbindungstyp | Direkte Punkt-zu-Punkt-Verbindung | Protokollbasiert, normalerweise vernetzt |
| Datenübertragungsgeschwindigkeit | Im Allgemeinen schnellere Echtzeitverarbeitung | Kann aufgrund der Serialisierung langsamer sein (je nach Protokoll) |
| Komplexität | Kann aufgrund der Serialisierung langsamer sein (je nach Protokoll) | Überschaubarere Komplexität |
| Skalierbarkeit | Schwierig und teuer zu skalieren | Einfacher und weniger teuer zu skalieren |
| Zuverlässigkeit | Höher aufgrund weniger Fehlerpunkte | Kann mehr Fehlerpunkte haben |
| Verdrahtung | Umfangreiche Verkabelung erforderlich | Weniger Verkabelung, oft nur eine einzige Datenleitung |
| Signalintegrität | Besser in Umgebungen mit hoher elektromagnetischer Störung | Kann anfällig für elektromagnetische Störungen sein |
| Unterstützte Datentypen | Im Allgemeinen 4-20 mA Analogsignale, 24 V DC für Digitalsignale. | Dies kann aufgrund der Netzwerkhardware höher sein. |
| Entfernung | Geeignet für kürzere Entfernungen | Kann längere Entfernungen bewältigen. |
| Kosten (Anfangskosten) | Niedriger für kleine Systeme und höher für größere Systeme | Hoch (hängt vom Protokoll ab) |
| Kosten (Wartung) | Höher aufgrund der Komplexität der Fehlerbehebung | Im Allgemeinen niedriger. |
| Flexibilität | Begrenzt; schwer zu ändern | Sehr flexibel; leicht zu ändern. |
| Redundanz | Schwierig und teuer zu implementieren | Einfacher und weniger kostspielig zu implementieren. |
| Sicherheitsanwendungen | Häufig für sicherheitskritische Aufgaben verwendet | Weniger häufig für sicherheitskritische Aufgaben verwendet. |
| Netzwerkdiagnose | Begrenzt oder nicht vorhanden | Häufig integriert. |
Wenn es um die Sicherheit in SPS- und DCS-Systemen geht, haben festverdrahtete E/A und serielle E/A unterschiedliche Eigenschaften, die die Sicherheit eines industriellen Prozesses entweder verbessern oder potenziell gefährden können.
Nachfolgend finden Sie eine Vergleichstabelle, die sich ausschließlich auf den Sicherheitsaspekt dieser beiden Arten von E/A-Systemen konzentriert.
| Sicherheitsaspekt | Festverdrahtete E/A | Serielle E/A |
| Zuverlässigkeit | Generell höhere Zuverlässigkeit aufgrund direkter Verbindungen und weniger Fehlerquellen. | Protokoll- und netzwerkbasiert, was zu mehr potenziellen Fehlerquellen führt. |
| Reaktionsfähigkeit in Echtzeit | Hervorragend für Echtzeitreaktionen geeignet, wird häufig bei Notabschaltungen und Sicherheitsverriegelungen verwendet. | Kann aufgrund von Netzwerküberlastung oder Protokollbeschränkungen zu Latenzen führen, was sie für sofortige Maßnahmen weniger ideal macht. |
| Systemkomplexität | Eine geringere Komplexität erleichtert im Allgemeinen die Identifizierung und Behebung von Sicherheitsproblemen. | Die Komplexität von Netzwerken und Protokollen kann es schwierig machen, die Grundursache von Sicherheitsbedenken zu identifizieren. |
| Signalintegrität | Weniger anfällig für elektromagnetische Störungen (EMI), wodurch Signalqualität und -zuverlässigkeit verbessert werden. | Potenziell anfälliger für EMI und Signalverschlechterung, was die Sicherheit beeinträchtigen könnte. |
| Datenintegrität | Da es sich im Allgemeinen um Punkt-zu-Punkt-Verbindungen handelt, ist eine Datenbeschädigung weniger wahrscheinlich. | Anfälliger für Datenintegritätsprobleme aufgrund von Netzwerken, wodurch das Risiko sicherheitsrelevanter Fehler steigt. |
| Menschliches Versagen | Aufgrund der Einfachheit weniger anfällig für Konfigurationsfehler, die die Sicherheit beeinträchtigen. | Größere Wahrscheinlichkeit menschlicher Fehler während der Konfiguration oder Wartung, die die Systemsicherheit beeinträchtigen. |
| Notsituationen | Aufgrund der schnellen Reaktionszeit oft die bevorzugte Wahl für sicherheitskritische Systeme wie Notabschaltungen. | Aufgrund möglicher Latenz und anderer netzwerkbezogener Probleme normalerweise nicht für Aufgaben mit sofortiger Wirkung verwendet. |
| Sicherheit | Geringere Anfälligkeit für Cyberangriffe, da sie im Allgemeinen nicht vernetzt sind. | Aufgrund der Vernetzung anfälliger für Cyberbedrohungen, die die Sicherheit gefährden können. |
| Eingebaute Sicherheitsfunktionen | Sicherheitsfunktionen sind oft fest verdrahtet und unkompliziert, was sie robust macht. | Verfügen möglicherweise über eingebaute Sicherheitsprotokolle, die jedoch durch Netzwerkprobleme beeinträchtigt werden können. |
| Zertifizierungen | Aufgrund der geringeren Komplexität und höheren Zuverlässigkeit einfacher für sicherheitskritische Anwendungen zu zertifizieren. | Aufgrund der Netzwerk- und Protokollkomplexität sind möglicherweise umfangreichere Tests und Zertifizierungen erforderlich. |
Bei der Wahl zwischen festverdrahteten und seriellen E/A-Geräten aus Sicherheitsgründen fällt die Wahl bei kritischen Sicherheitsanwendungen häufig auf festverdrahtete E/A-Geräte, da diese über eine hohe Zuverlässigkeit und sofortige Reaktionsfähigkeit verfügen. Die Gesamtsicherheit eines Systems wird jedoch nicht nur durch die Art der verwendeten E/A-Geräte bestimmt, sondern auch durch Faktoren wie Design, Wartungspraktiken und die Kompetenz des Betriebspersonals.