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I/O-Erweiterung IO/5640

Die IO/5640 bringt analoge Daten in die digitale Welt!

Um die Anforderungen zukünftiger digitaler Geschäftsprozesse zu erfüllen haben wir die IO/5640 entwickelt. Damit lassen sich IGW/9xx-Gateways direkt mit Prozess-Ein- und Ausgängen verbinden.

So sind Steuerungs- und Datenerfassungsaufgaben mit einem IGW/9xx, z. B. im Bereich Fernwirktechnik, Condition Monitoring oder Predictive Maintenance realisierbar.

Dafür stellt eine IO/5640 8 analoge Eingänge (je 4x 4-20 mA sowie 0-10 V), 6 digitale Ausgänge und 5 digitale Eingänge zur Verfügung.

IO/5640 und IGW/9xx werden über RS485 miteinander verbunden und verwenden das Modbus-RTU-Protokoll zur Kommunikation, wobei die IO/5640 als Modbus-Slave und das Gateway als Modbus-Master arbeitet. Insgesamt können bis zu 15 IO/5640 als Kaskade an einem einzelnen IGW/9xx betrieben werden.

Selbstverständlich kann die IO/5640 auch mit einem (Industrial) PC betrieben werden, z. B. um analoge Daten einem MES- oder ERP-System zur Verfügung zu stellen.

Erweiterbarkeit per ACF

Der Funktionsumfang der IO/5640 kann durch sog. Application-specific Code Functions (ACF) erweitert und an individuelle Anforderungen angepasst werden.

Die ACF sind spezielle Software-Komponenten, die z. B. die Sensordatenfusion und - vorverarbeitung, Hochgeschwindigkeits-Zeitmessungen und vieles mehr ermöglichen.

Anwendungsbeispiele

Beispiel Industrie 4.0-Sensorsystem

Die IO/5640 arbeitet als Signalerfassungseinheit für verschiedene analoge Sensorelemente. Die digitalisierten Daten werden von einem IGW/9xx-Gateway per Modbus-RTU ausgelesen, in die jeweils erforderlichen anwendungsbezogenen Datenformate (z. B. in CSV, JSON, XML) umgewandelt und bei Bedarf durch entsprechende Metadaten ergänzt.

Beispiel Industrie 4.0-Sensorsystem Bild vergrößern

Abbildung 1: Beispiel Industrie 4.0-Sensorsystem

Auch Sensordatenfusionen sind möglich. Mit Hilfe verschiedener Protokolle lassen sich die CSV/JSON/XML-Daten dann an eine Cloud oder andere IT-Systeme (z. B. MES, ERP, CRM- SQL-Datenbank) bzw. Automatisierungsbaugruppen weiterleiten.

Beispiel PC-basiertes DAQ-System

Ein PC-basiertes Messdatenerfassungssystem (DAQ-System, DAQ = Data Acquisition) dient zur Erfassung physikalischer Prozessparameter (z. B. Strom, Spannung, Temperatur). Die IO/5640-Baugruppe übernimmt dabei die Signalkonditionierung und A/D-Wandlung.

Beispiel PC-basiertes DAQ-System Bild vergrößern

Abbildung 2: Beispiel PC-basiertes DAQ-System

Vom PC aus werden die digitalisierten Daten per Modbus-RTU von der DAQ-Software ausgelesen (ein Modbus-Treiber gehört in der Regel zum Lieferumfang guter DAQ-Systeme) und weiterverarbeitet. Zur ortsunabhängigen Visualisierung (z. B. Smartphone-App, SCADA) leitetet der PC die Daten bei Bedarf an eine Cloud weiter.

IO/5640 Features

  • 4x Analog-Eingang 4-20 mA
  • 4x Analog-Eingang 0-10 V
  • 5x Digital-Eingang
  • 6x Digital-Ausgang
  • 1x RS485 (für Modbus-RTU)
  • Betrieb als Modbus-RTU-Slave
  • 1x Drehschalter für Modbus-Adresse
  • 1x Power-LED
  • 1x RX-Traffic-LED
  • 1x TX-Traffic-LED
  • 5x Ereigniszähler
  • Erweiterbarkeit per ACF
  • 24 VDC Spannungsversorgung
  • <1 W Stromaufnahme
  • Hutschienenmontage

Geeignet für

IGW/922

IGW/925

IGW/935

IGW/936-L

  • (Industrial) PCs

Erweiterbarkeit

Mit Hilfe spezieller Application-specific Code Functions (ACF) sind Sensordatenfusionen und zeitkritische Datenvorverarbeitungen direkt in der I/O/5640 möglich. Das Ergebnis wird in optionalen Modbus-Registern abgelegt.

So können z. B. über jeweils zwei binäre Sensoren zwei voneinander unabhängige 16-bit Zeitgeber (Timer) gestartet und gestoppt werden, um die Zeitspanne der Wegstrecke eines linearen Antriebs mit einer Auflösung von 1 Millisekunde auszumessen.

Um z. B. die Zeitspannen t1 und t2 der Wegstrecken x1 > x2 und x2 > x1 für die Bewegungen eines druckluftgetriebenen Antriebsschlittens Millisekunden-genau auszumessen, werden die Ausgänge der binären Näherungssensoren (Endschalter 1 und 2) mit zwei IO/5640-Eingängen verbunden. Ein Endschalter startet jeweils den Timer, der andere stoppt die Zeitmessung. Per Modbus-RTU sind die Werte für t1 und t2 auslesbar.

Messung der Zeitspanne der Wegstrecke eines linearen Antriebs Bild vergrößern

Abbildung 3: Messung der Zeitspanne der Wegstrecke eines linearen Antriebs

Anschlussschemata

Die für die Verdrahtung verwendeten Kabel müssen folgende Spezifikationen einhalten:

  • Kabelquerschnitt zwischen 0,08 und 1 mm2 (AWG28 bis AWG18),
    empfohlen: 0,2 bis 1 mm2 (mit Aderendhülse 0,34 mm2)
  • Abisolierlänge 7 mm

Der für die Klemmleiste verwendete Schraubendreher darf max. 2,5 mm breit sein.

Eigenschaften Analog Input 0 - 10 V

Parameter Eigenschaft / Wert
Anzahl der Eingänge 4
Eingangsspannung max. ±17 V
Signalspannung 0 .. 10 V
Eingangswiderstand typ. 1 MΩ
Auflösung 12 Bit
Wandlungszeit typ. 10 ms
Messfehler bei 25 C < ±0,2% vom Skalenendwert
Temperaturkoeffizient 0 .. 70 C < ±0,0015%/K vom Skalenendwert

Datenformat Analog Input 0 - 10 V

Eingangsspannung 0 - 10 V Messwert Hex
< 0,0 0x7FFF
0,0 0x0000
2,5 0x2000
5,0 0x4000
7,5 0x6000
10,0 0x7FF8
> 10,0 0x7FF9

Eigenschaften Analog Input 0 - 20 mA

Parameter Eigenschaft / Wert
Anzahl der Eingänge 4
Eingangsspannung ±10 V
Signalstrom typ. 0 .. 20 mA
Eingangswiderstand 242 Ω
Auflösung 12 Bit
Wandlungszeit typ. 10 ms
Messfehler bei 25 C < ±0,2% vom Skalenendwert
Temperaturkoeffizient 0 .. 70 C < ±0,0025%/K vom Skalenendwert

Datenformat Analog Input 0 - 20 mA

Eingangsstrom 0 - 20 mA Messwert Hex
< 0,0 0x7FFF
0,0 0x0000
5,0 0x2000
10,0 0x4000
15,0 0x6000
20,0 0x7FF8
> 20,0 0x7FF9

Anschlussschema Analog In

Alle Signale beziehen sich auf AIGND.

Anschlussschema Analog Input Bild vergrößern

Abbildung 4: Anschlussschema Analog Input

Eigenschaften Digital Input

Parameter Eigenschaft / Wert
Anzahl der Eingänge 5
Eingangsspannung max. ±50 V
H-Pegel 18 .. 30 V
L-Pegel 0 .. 8 V
Eingangswiderstand typ. 10 kΩ
Eingangsstrom bei 24 V typ. 2,3 mA
Eingangsfrequenz max. 1 kHz

Anschlussschema Digital In

Der digitale Input des IO/5640 kann als high side switch (Abb. 5) oder als low side switch (Abb. 6) beschaltet werden.

Anschlussschema high side switch (PNP) Bild vergrößern

Abbildung 5: Anschlussschema high side switch (PNP)

Anschlussschema low side switch (NPN) Bild vergrößern

Abbildung 6: Anschlussschema low side switch (NPN)

Eigenschaften Digital Output

Parameter Eigenschaft / Wert
Anzahl der Ausgänge 6
Betriebsspannung (Feldseite) 24 VDC ±10%
Stromaufnahme (Feldseite) 15 mA (Modul + Last)
Lastart ohmsch, induktiv, kapazitiv
Schaltfrequenz max. 3 kHz
Ausgangsstrom max. 0,5 A
Kurzschlussstrom typ. 1,1 A
ON Widerstand@0,5 A 150 .. 320 mΩ
Absorbierbare Energie W max. 1 J; Lmax = 2 × Wmax / I2

Anschlussschema Digital Out

 

Anschlussschema Digital Output Bild vergrößern

Abbildung 7: Anschlussschema Digital Output

Potentialtrennung

 

Potentialtrennung Bild vergrößern

Abbildung 8: Potentialtrennung

Modbus-Eigenschaften

Die IO/5640 wird als Modbus-RTU-Slave via RS485 (halbduplex) mit dem Gateway/PC verbunden. Die Slave-Adresse wird über den Drehschalter an der Frontseite eingestellt. Adresse 15 ist mit Terminierung. Adresse 16 (Position 0) ist nur für Servicezwecke.

Übertragungsparameter

  • Baudrate: 19.200 Baud
  • Parität: "EVEN"
  • Stopbit: 1
  • Timeout: 2000 µs

Definitionen

  • "S" = Modbus-Slave (IO/5640)
  • "M" = Modbus-Master
  • "FC" = Function Code

Modbus Function Codes

  • FC1: Read Coils (0x01)
  • FC2: Read Discrete Inputs (0x02)
  • FC3: Read Holding Registers (0x03)
  • FC5: Write Single Coil (0x05)
  • FC6: Write Single Registers (0x06)

Datentypen und Kodierung

Datentyp Bits Wertebereich Kodierung/Byte-Reihenfolge
UINT16 16 0 .. 32767 [DB1][DB0] (big endian) - High-Byte zuerst
SINT16 16 -32768 .. 32767 [DB1][DB0] (big endian) - High-Byte zuerst
UINT8 8 0 .. 255

Modbus-Registersatz - Digital Inputs

IO Richtung Function Register [dec] Datentyp
DI1+/- S > M
S > M
S > M
FC2
FC3
FC3
0
8 [BIT0]
9
UINT8
UINT16
UINT16
DI2+/- S > M
S > M
S > M
FC2
FC3
FC3
1
8 [BIT1]
10
UINT8
UINT16
UINT16
DI3+/- S > M
S > M
S > M
FC2
FC3
FC3
2
8 [BIT2]
11
UINT8
UINT16
UINT16
DI4+/- S > M
S > M
S > M
FC2
FC3
FC3
3
8 [BIT3]
12
UINT8
UINT16
UINT16
DI5+/- S > M
S > M
S > M
FC2
FC3
FC3
4
8 [BIT4]
13
UINT8
UINT16
UINT16

Modbus-Registersatz - Digital Outputs

IO Richtung Function Register [dec] Datentyp
DO1 M > S
S > M
M > S
S > M
FC5
FC1
FC6
FC3
0
0
14 [BIT0]
14 [BIT0]
UINT8
UINT8
UINT16
UINT16
DO2 M > S
S > M
M > S
S > M
FC5
FC1
FC6
FC3
1
1
14 [BIT1]
14 [BIT1]
UINT8
UINT8
UINT16
UINT16
DO3 M > S
S > M
M > S
S > M
FC5
FC1
FC6
FC3
2
2
14 [BIT2]
14 [BIT2]
UINT8
UINT8
UINT16
UINT16
DO4 M > S
S > M
M > S
S > M
FC5
FC1
FC6
FC3
3
3
14 [BIT3]
14 [BIT3]
UINT8
UINT8
UINT16
UINT16
DO5 M > S
S > M
M > S
S > M
FC5
FC1
FC6
FC3
4
4
14 [BIT4]
14 [BIT4]
UINT8
UINT8
UINT16
UINT16
DO6 M > S
S > M
M > S
S > M
FC5
FC1
FC6
FC3
5
5
14 [BIT5]
14 [BIT5]
UINT8
UINT8
UINT16
UINT16
DO1 .. 6 S > M
 
FC3
 
15 [BIT0]
15 [BIT1]
UINT16
 

Modbus-Registersatz - Analog Inputs

IO Richtung Function Register [dec] Datentyp
AI1U S > M FC3 16 SINT16
AI2U S > M FC3 17 SINT16
AI3U S > M FC3 18 SINT16
AI4U S > M FC3 19 SINT16
AI1I S > M FC3 20 SINT16
AI2I S > M FC3 21 SINT16
AI3I S > M FC3 22 SINT16
AI4I S > M FC3 23 SINT16

Modbus-Registersatz - Zusatzfunktionen

IO Richtung Function Register [dec] Datentyp
LED_S1 M > S
S > M
FC6
FC3
25
25
UINT16
UINT16
LED_S2 M > S
S > M
FC6
FC3
26
26
UINT16
UINT16
DT1 S > M FC3 54 UINT16
DT2 S > M FC3 55 UINT16
SW_SVN S > M FC3 0 UINT16
SW_BUILD S > M FC3 1 UINT16
SW_VERSION S > M FC3 2 UINT16
DEVICE_NAME S > M
S > M
S > M
S > M
FC3
FC3
FC3
FC3
3
4
5
6
UINT16
UINT16
UINT16
UINT16
WATCHDOG M > S
S > M
FC6
FC3
7
7
UINT16
UINT16

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