Prozessautomatisierung I/O-Systeme: Markttrends, Dezentralisierung & Ethernet-basierte Feldkonnektivität

Wesentliche Definitionen

• NOA (Namur Open Architecture) – Entwickelt von der Anwenderorganisation Automatisierungstechnik (NAMUR), fügt NOA einen parallelen Kommunikationskanal (Wireless, Bluetooth, 4G/5G etc.) zu bestehenden Instrumenten hinzu, um „gestrandete Daten“ zu erfassen, ohne primäre Steuersignale zu stören.
• Ethernet – APL™ (Advanced Physical Layer) – Gemeinsames Vorhaben von Herstellern und OPC, dieser aufstrebende Standard bringt Ethernet-Konnektivität zu Feldinstrumenten, unterstützt lange Kabelwege und eigensichere Strom- und Datenübertragung über ein einzelnes Adernpaar.
• OPC UA (Unified Architecture) – Das offene, plattformagnostische Protokoll der OPC Foundation, das sichere, interoperable Machine-to-Machine-Kommunikation ermöglicht.
• MTP (Module Type Packages) – NAMURs sich entwickelnder Standard, der eine universelle Sprache zur Beschreibung Modulcharakteristika bereitstellt, für nahtlose Integration über Hersteller hinweg.

Marktgröße & Hauptakteure

Der globale Prozess-I/O-Systemmarkt wird auf knapp über 3 Mrd. $ geschätzt, wachsend mit einer CAGR von ca. 3,7 % (Quelle: Branchenberichte). Führende Anbieter halten folgende Marktanteile:

• Siemens – 14 %
• ABB – 10 %
• Honeywell – 9 %
• Rockwell Automation – 8 %

Aktuelle Trends in der Prozessautomatisierung I/O

• Dezentralisierung – Remote-I/O-Stationen im Feld reduzieren Verkabelungskomplexität und verbessern Systemresilienz.
• Rückgang traditioneller Feldbusse – Direkter Anschluss von Sensoren an I/O-Klemmleisten eliminiert Querschrank-Verdrahtung.
• Universal (Late-Binding) I/O – Konfigurierbare Module ermöglichen schnelle Systembereitstellung und späte Feldverdrahtung.
• Intelligente Sensoren – Höher aufgelöste Daten unterstützen fortgeschrittene Steuerung, Remote-Diagnose und Asset Management.
• Ethernet-basierte Feldkonnektivität – PROFINET und Ethernet‑APL™ führen den Shift zu hochgeschwindiger, deterministischer Kommunikation an.

LinkedIn-Umfrageergebnisse (Automation Community) bestätigen Remote-I/O-Stationen als Top-Priorität, während Universal I/O bei Instrument Engineers und ISA-Mitgliedern niedriger rangierte. Feldbusnutzung überraschend zweitbeliebt across Gruppen.

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Warum Anlagen-Feldbusse zurückgehen

Dezentralisierung trieb lange Feldbusnutzung, doch ihre Adoption nahm ab. Im Oil-&-Gas-Sektor rechtfertigen Ingenieure nun konventionelles 4‑20 mA HART gegenüber Foundation Fieldbus (FF), weil:

• Kosteneinsparungen durch reduzierte Verkabelung in Ex-Bereichen minimal sind.
• Feldbus-Installationen oft komplexe Erdung, Grounding und technischen Support involvieren.
• Parallele Datenkanäle (z. B. NOA) und HART bereits Remote-Diagnose und Asset Management bieten.

Drahtlose Lösungen gewinnen an Zugkraft für niedrig-getaktete, nicht-steuernde Messungen, aber Strombedarf kann Verkabelungseinsparungen aufzehren.

PROFIBUS: Der überlebende Feldbus

PROFIBUS bleibt außerhalb von Oil & Gas beliebt, treibt Motorsteuerzentralen und Frequenzumrichter an. Seine Evolution zu PROFINET bietet deterministische Ethernet-Geschwindigkeiten, ideal für Remote-I/O.

Aufstieg (und Grenzen) von Universal I/O

Während Dezentralisierung Remote-I/O antreibt, werden Universal-Module zunehmend in Hauptleitzentralen von DCS-Herstellern eingesetzt. Vorteile:

• Reduzierte Lieferzeiten und frühere Feldverdrahtung.
• Flexibilität, I/O spät im Projektlebenszyklus umzukonfigurieren.

Doch Universal-Systeme stoßen an Grenzen:

• Begrenzte Unterstützung diverser I/O-Typen (Eigensicherheit, Redundanz, SIL, galvanische Trennung).
• Höhere Kosten pro Kanal im Vergleich zu dedizierten Modulen.
• Geringere Dichte (55–140 I/O/m) vs. festes I/O (400–500 I/O/m).

Kosteneffizienz: Festes vs. Universal I/O

Hochdichte feste Module sind oft ökonomischer, besonders wenn remote installiert, um Anlagenelektrik zu kürzen und Footprint zu reduzieren. Kombination dedizierter I/O mit Universal-Backplane kann das Beste beider Welten bieten.

Beispiel: Siemens ET200SP HA I/O unterstützt bis zu 896 Signale in einem Schrank. Es kann in eine generische Backplane gesteckt werden für Last-Minute-Reconfiguration, während eine konfigurierbare 16-Kanal-Karte die letzten 10 % Änderungen handhabt.

Direct-Connection Cabinet: 56 I/O Module (bis 896 I/O), 800 × 2000 mm (B × H)

Schlüsselmerkmale

• Einseitiger Zugriff, 400 mm Tiefe
• Umgebungstemperatur -20 °C – +40 °C
• 120/230 V AC redundante Stromversorgung
• Direktanschluss bis 2,5 mm²
• PROFINET über Kupfer oder Glasfaser
• Unterstützt bis zu 56 Feldkabel (20 mm Durchmesser)

1 - Infeed MCB and RCB

2 - AC/DC SITOP PSU 8200 40A (Siemens, 6EP3334‑8SB00‑0AY0)

3 - Redundancy module SITOP PSE202U (Siemens, 6EP1961‑3BA21)

4 - Power distribution & cartridge fusing

5 - Optional hardware (e.g., SCALANCE XC206‑2‑SFP, Siemens, 6GK5 206‑2Bs00‑2AC2)

6 - T 200SP HA with interface module and bus adapter

7 - Spare wire & ground terminals

8 - Cable fixation & shielding profile

9 - Cable duct 

EPCs und Late-Binding I/O

Engineering, Procurement & Construction (EPC) Unternehmen favorisieren Late-Binding, da es der typischen Projektsequenz entspricht: Instrumentierung wird nach Rohrleitung, Mechanik und Prozessdesign finalisiert. Entkopplung von Hardware und Software erlaubt frühe DCS-Konfiguration und schnelle Feldbereitstellung.

Ethernet-basierte Feldkonnektivität

Smarte Sensoren verbinden sich zunehmend direkt mit Ethernet, was separate I/O-Busse überflüssig macht. PROFINET und kommende Ethernet‑APL™ Lösungen liefern hochgeschwindige, deterministische Links geeignet für Remote-I/O und individuellen Instrumentenzugriff.

Universal Plug-and-Produce Lösungen

Die Siemens Compact Field Unit (CFU) exemplifiziert diesen Ansatz. Mit PROFINET (bald Ethernet‑APL™) verteilt sie remote bis zu acht PROFIBUS PA Instrumente, erkennt jeden Port automatisch. Dies erhöht Flexibilität, reduziert Verkabelung und revitalisiert PROFIBUS PA Adoption.

Vom Instrument zu MTP: Ein einheitlicher Blick

Smarte Instrumente entwickeln sich zu modularen Paketen. NAMURs MTP bietet standardisierte Beschreibung für Greenfield-Projekte, während NOA den parallelen Kommunikationskanal für Brownfield-Sites liefert. Zusammen ebnen sie den Weg für eine nahtlose, OPC UA-basierte Automatisierungslandschaft.

MTP Modular Automation und NOA NAMUR Open Architecture sind komplementär

Fazit

1. Dezentralisierung dominiert weiterhin, aber Rückgang der Feldbusse und Aufstieg von Universal I/O zeigen Branchen-Nuancen.
2. Foundation Fieldbus sieht reduzierte Adoption aufgrund technischer Komplexität und Legacy-Themen.
3. PROFIBUS bleibt außerhalb von Oil & Gas prevalent, largely wegen Integration in elektrische Systeme.
4. EPCs bevorzugen Late-Binding I/O, um Lieferung zu beschleunigen und frühe Verkabelung zu ermöglichen.
5. Hochdichtes festes I/O ist oft kosteneffektiver und platzsparender als Universal-Lösungen.
6. Alle Ansätze – festes Remote-I/O, Universal-Module, NOA, Ethernet‑APL™ – werden voraussichtlich koexistieren; die dominierende Strategie wird sich über Zeit herauskristallisieren.

Bleiben Sie dran, während sich das Automatisierungs-Ökosystem weiterentwickelt.