DI/DO, AI/AO, PI/PO: Bedeutung und japanische E/A-Liste
Ein japanischer Lieferant schickt Ihnen seine Signalliste, die shingo risuto (信号リスト), auch E/A-Liste oder I/O-Liste genannt. Jede Zeile ist mit DI, DO, AI, AO, PI oder PO gekennzeichnet, und in der Spalte mit den Spezifikationen stehen Angaben wie „a-Kontakt", „b-Kontakt" oder „potentialfrei, gehalten". Sie sollen jede Zeile Ihren SPS- oder PLS-Baugruppen zuordnen. Die erste Falle: Das DI des Lieferanten kann Ihr DO sein.
Kurz gesagt: DI/DO, AI/AO und PI/PO beschreiben Signalart und Signalrichtung. Der erste Buchstabe nennt die Art: D steht für digital (EIN/AUS), A für analog (zum Beispiel 4–20 mA), P für Impuls. Der zweite Buchstabe nennt die Richtung: I ist Eingang (Input), O ist Ausgang (Output), jeweils aus Sicht des Schaltschranks, der die Liste geschrieben hat. Dieser Beitrag erklärt die drei Paare, die japanischen Begriffe in einer Lieferantenliste und die Punkte, die Sie Zeile für Zeile prüfen sollten, bevor jemand verdrahtet.
Dasselbe Signal ist auf der sendenden Seite ein Ausgang und auf der empfangenden Seite ein Eingang.
Beispiel: Der 4–20-mA-Ausgang eines Durchflussmessers ist aus Sicht des Durchflussmessers ein AO und aus Sicht des PLS ein AI. Sein Zählimpuls für die Summenmenge ist am Durchflussmesser ein PO und am PLS ein PI. Schaltschrankplaner beschriften Signale meist aus der Sicht des eigenen Schranks. Prüfen Sie deshalb, aus welcher Sicht eine Liste geschrieben wurde.
Hinweis zur Schreibweise: Im Deutschen heißen die Paare oft E/A, also DE/DA, AE/AA und Impulseingang/Impulsausgang. Japanische Listen verwenden fast immer die englischen Kürzel, und der Buchstabe I steht dort für Eingang.
Inhalt
- DI/DO, AI/AO, PI/PO: Was jedes Signal überträgt
- DI/DO: EIN/AUS-Signale
- AI/AO: Analogsignale und 4–20 mA
- PI/PO: Impulssignale für Summen und Positionierung
- Eine japanische Signalliste (E/A-Liste) lesen
- Checkliste: Das gehört in jede Zeile
- Fragen an den japanischen Lieferanten
- Grenzen dieses Leitfadens
- FAQ
- Quellen
DI/DO, AI/AO, PI/PO: Was jedes Signal überträgt
Die drei Paare unterscheiden sich darin, was sie übertragen: einen EIN/AUS-Zustand, einen kontinuierlichen Wert oder eine Zählgröße. Ein DI-Signal ist zum Beispiel ein digitales Signal, das in den Schaltschrank hineinläuft, der die Liste geschrieben hat.
EIN/AUS, ein kontinuierlicher Wert oder eine gezählte Menge: Mehr unterscheidet die drei Paare nicht.
O: Magnetventil öffnen/schließen, Pumpe starten/stoppen
O: Stellung eines Regelventils, Drehzahlsollwert für den Frequenzumrichter
O: Weitergabe einer Summe an ein anderes Gerät, Befehle an einen Schrittmotor
Die Hardware-Bezeichnungen folgen der Mitsubishi-Reihe MELSEC iQ-R. Japanische Unterlagen sprechen dort von „Unit" (yunitto); im Deutschen sind „Baugruppe" und „Modul" üblich.
Die folgende Tabelle beschränkt den Vergleich auf den Einsatzzweck und auf die Angaben, die beide Seiten abstimmen müssen.
| DI/DO | AI/AO | PI/PO | |
|---|---|---|---|
| Überträgt | EIN/AUS (zwei Zustände) | Einen kontinuierlichen Augenblickswert | Eine Impulszahl (eine Summenmenge) |
| Geeignet für | Meldungen, Störungen, Startbefehle | Überwachung von Messwerten, Stellbefehle für Ventile | Summenmenge von Durchfluss und Energie, Positionierung |
| Schwäche | Sagt nichts über die Größe eines Werts aus | Für das Aufsummieren ungeeignet | Weicht die Impulswertigkeit ab, ist die Summe falsch |
| Typische Formen | Potentialfreier Kontakt, 24 V DC | 4–20 mA, 1–5 V | Kontaktimpuls, Spannungsimpuls |
| Abzustimmende Angaben | Spannungsbehaftet oder nicht, Schließer/Öffner, gehalten oder Impuls | Messbereich, welche Seite die Schleife speist | Impulswertigkeit, Impulsbreite, maximale Frequenz |
Ob diese Signale in einem Prozessleitsystem (PLS) oder in einer lokalen Steuerung landen, hängt von der Größe der Anlage ab.
DI/DO: EIN/AUS-Signale
DI steht für Digital Input (digitaler Eingang), DO für Digital Output (digitaler Ausgang). Sie übertragen EIN/AUS-Signale, vor allem Bedienbefehle, Meldungen und Störungen zwischen Betriebsmitteln. Meist liegt 24 V DC als Instrumentenspannung an. Bei manchen Anlagen kommen auch Signale mit 100 V DC oder 100 V AC vor. Welche Seite die Spannung liefert, ist eine Entwurfsentscheidung und unterscheidet sich von Projekt zu Projekt.
Typische DI/DO-Signale sind:
- Sensoreingänge (induktive Näherungsschalter, optische Sensoren, Endschalter)
- Zustand von Drucktastern (EIN/AUS)
- Erkennung von offenen und geschlossenen Türen und Abdeckungen (Sicherheitsverriegelung)
- Meldung „Betriebsmittel läuft/steht"
- Öffnen/Schließen von Magnetventilen
- Start-/Stopp-Signale an Betriebsmittel
Ein Öffnen-/Schließen-Befehl an ein Stellventil und die Endlagenrückmeldung des Ventils sind ein häufiges DO/DI-Paar.
DI empfangen: potentialfreier oder spannungsbehafteter Kontakt
Kommt ein DI von einem anderen Betriebsmittel, wird häufig ein potentialfreier Kontakt verwendet. Auf Japanisch heißt er mudenatsu setten (無電圧接点, wörtlich „spannungsloser Kontakt"). Der Kontakt selbst führt keine Spannung. Die Spannung des empfangenden Schranks läuft durch den Kontakt der Gegenseite zurück zur Eingangsklemme, und der Eingang schaltet EIN, sobald der Kontakt schließt.
Liefert die Gegenseite einen spannungsbehafteten Kontakt, yudenatsu setten (有電圧接点), müssen Spannungsart und Spannungshöhe zur Eingangsbaugruppe passen.
Für 24-V-DC-Eingänge stammen die Schaltschwellen aus der SPS-Norm IEC 61131-2, die in Europa als EN 61131-2 vorliegt und drei Eingangstypen definiert. Typ 1 ist für mechanische Kontakte gedacht und schaltet ab 15 V EIN und bei 5 V oder weniger AUS. Typ 2 und 3, die auch für Zweidraht-Sensoren geeignet sind, schalten ab 11 V EIN.
DO senden: Relais-, Transistor- oder Triac-Ausgang
Auf der Ausgangsseite wählen Sie die Ausgangsart passend zur Last. Mitsubishi-SPS bieten zum Beispiel drei Arten an:
- Relaisausgang: schaltet über einen Kontakt und eignet sich für Gleich- und Wechselstromlasten (24 V DC bzw. 240 V AC, 2 A pro Kanal)
- Transistorausgang: nur für Gleichstromlasten. Ohne mechanischen Kontakt eignet er sich für schnelles Schalten (12/24 V DC)
- Triac-Ausgang: nur für Wechselstromlasten (100–240 V AC)
Transistorausgänge gibt es je nach Stromrichtung als Sink- und als Source-Ausführung (grob: minus- beziehungsweise plusschaltend). Sie müssen zur Eingangsschaltung der Gegenseite passen. Prüfen Sie Spannung, Strom und Ansprechzeit jedes Ausgangs anhand der Datenblätter des Empfängers und der Baugruppe.
Verknüpft man solche EIN/AUS-Signale, um eine Maschine zu steuern, spricht man von Ablaufsteuerung (shikensu seigyo im japanischen Sprachgebrauch: „Sequence Control").
AI/AO: Analogsignale und 4–20 mA
AI steht für Analog Input (Analogeingang), AO für Analog Output (Analogausgang). Sie übertragen Analogsignale wie 4–20 mA, vor allem Messwerte von Temperatur, Druck und Durchfluss sowie Stellbefehle an Aktoren wie Regelventile. Ein Analogsignal liefert den Wert im aktuellen Augenblick, eignet sich aber schlecht, um eine Menge über die Zeit aufzusummieren.
Typische AI/AO-Signale sind:
- Signale von Temperatursensoren
- Ausgänge von Druckmessumformern
- Analogausgänge von Durchflussmessern (4–20 mA und andere)
- Signale von Füllstandssensoren
- Ausgänge von pH- und Leitfähigkeitsmessgeräten
- Überwachung von Motorstrom und Motorspannung
- Drehzahlsollwerte an einen Frequenzumrichter
- Stellungsvorgaben an ein Proportionalventil
- Ausgaben an analoge Anzeigegeräte
4–20 mA ist ein gängiges Signal in der Prozessinstrumentierung. Das untere Ende des Messbereichs entspricht 4 mA, das obere 20 mA, und dazwischen verläuft der Wert linear.
Der Hub von 16 mA deckt 0–100 % ab. Da 0 % bei 4 mA liegt, fällt ein Wert von 0 mA als Fehler auf.
Anteil am Messbereich = (Strom − 4) ÷ 16 × 100 %. Bei einem Füllstandsmessumformer mit 0–5 m bedeuten 12 mA zum Beispiel 50 %, also 2,5 m. Ab welchem Strom ein Signal als Fehler gilt, legt das empfangende Gerät fest oder ergibt sich aus der Spezifikation des Messgeräts.
Man überträgt Strom, weil er seinen Wert auch über lange Leitungen hält. Liegt 0 % bei 4 mA, fällt ein Drahtbruch, der den Strom auf null sinken lässt, als Fehler auf und wird nicht für einen gültigen Nullwert gehalten.
Die empfangende Seite liest den Strom, indem sie ihn durch einen Widerstand leitet und die Spannung misst. Die Analogeingangsbaugruppe R60AD4 von Mitsubishi hat zum Beispiel für den Stromeingang einen Eingangswiderstand von 250 Ω, sodass aus 4–20 mA genau 1–5 V werden. Ob ein AI 4–20 mA oder 1–5 V erwartet, hängt von der Spezifikation der Geräte ab. Klären Sie das, bevor Sie die Verdrahtung festlegen.
PI/PO: Impulssignale für Summen und Positionierung
PI steht für Pulse Input (Impulseingang), PO für Pulse Output (Impulsausgang). Sie übertragen Impulssignale, vor allem zur Überwachung von Summendurchfluss und Summenenergie.
Sender und Empfänger vereinbaren eine Impulswertigkeit, also die Menge, die ein Impuls darstellt, und der Empfänger addiert diese Menge bei jedem ankommenden Impuls. Ist ein Durchflussmesser auf 1 Impuls = 0,1 m³ eingestellt und sendet in einer Stunde 1.200 Impulse, beträgt der Durchfluss in dieser Stunde 120 m³. Deshalb verfälscht eine unterschiedliche Impulswertigkeit auf den beiden Seiten die Summe um denselben Faktor.
Typische PI/PO-Signale sind:
- Impulsausgang eines Durchflussmessers (Impulszahl = Durchfluss)
- Encoder-Impulseingang (Erfassung von Position und Drehzahl)
- Impulse von Energiezählern (Summe in kWh)
- Zählen von Produkten auf einer Förderstrecke (mit optischem Sensor)
- Schrittimpulse an einen Schrittmotor
- Impulssignale an einen externen Zähler oder eine andere SPS
Ein PO hat zwei Verwendungen: die Weitergabe einer Summe an ein anderes Gerät oder die Vorgabe, wie weit sich ein Motor dreht. Die zweite übernimmt eine Positionierbaugruppe der SPS.
Auf der Empfangsseite sollten Sie außerdem prüfen, ob der Eingang der Impulsfrequenz folgen kann. Die Hochgeschwindigkeits-Zählbaugruppe von Mitsubishi zählt zum Beispiel bei DC-Eingang bis zu 200 kpulse/s, also 200.000 Impulse pro Sekunde.
Eine japanische Signalliste (E/A-Liste) lesen
Werden zwei Betriebsmittel verbunden, erstellt jemand eine Signalliste, die alle ausgetauschten Signale auflistet, eine Zeile pro Signal. Schrankplanung, Verdrahtung und SPS-Programmierung stützen sich auf diese Liste. Die folgende Abbildung zeigt einige Zeilen aus Sicht des Schaltschranks.
Neben Art und Richtung gibt es eine Spalte mit den Angaben, die Sie bei jedem Signal prüfen.
Frei erfundene Tags und Angaben, nur zur Veranschaulichung. Ein Schließer (a-Kontakt) ist unbetätigt offen und schließt bei EIN; ein Öffner (b-Kontakt) verhält sich umgekehrt.
Die Richtung ist am leichtesten zu verwechseln. Vermerken Sie am Anfang der Liste, aus der Sicht welches Schranks sie geschrieben ist. Wenn Sie Ihre Liste mit der des anderen Unternehmens abgleichen, klären Sie zuerst diesen Punkt.
Japanische Begriffe in der Liste
Japanische Listen verwenden häufig die folgenden Begriffe, mal in Kanji, mal in einer Mischung aus Kanji und englischen Kürzeln.
Jeder dieser Begriffe ändert, wie eine Zeile verdrahtet oder parametriert werden muss.
Englische Quellen sprechen auch von Form A (NO) und Form B (NC). Bei Zweifeln gilt die Legende des Lieferanten, sofern die Liste eine enthält.
Die Tags einer Signalliste entsprechen meist den Messstellennummern im R&I-Fließbild (Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema, P&ID). Die Messstellen werden in der MSR-Technik so geführt, deshalb lassen sich Signalliste und Fließbild leicht abgleichen.
Checkliste: Das gehört in jede Zeile
Auch wenn Art und Richtung stimmen, funktioniert das Betriebsmittel nicht, wenn eine Angabe abweicht. Prüfen Sie jede Zeile anhand der Datenblätter des Gegengeräts und Ihrer E/A-Baugruppe.
- Blickwinkel: aus Sicht welches Schranks die Liste geschrieben ist, in Ihrer Liste und in der des Lieferanten
- DI/DO: potentialfreier oder spannungsbehafteter Kontakt, Spannung und Strom, Schließer oder Öffner, gehalten oder Impuls
- AI/AO: Messbereich (welchen Werten 4 mA und 20 mA entsprechen), welche Seite die Schleife speist
- PI/PO: Impulswertigkeit, Impulsbreite, maximale Frequenz
- Tags: stimmig mit den Messstellennummern im R&I-Fließbild
Fragen an den japanischen Lieferanten
Lässt die Liste des Lieferanten einen dieser Punkte offen, fragen Sie nach, bevor der Schrank gebaut wird. Die folgenden Fragen können Sie unverändert in eine E-Mail übernehmen.
- Ist Ihre Signalliste aus Sicht Ihres Schranks oder aus unserer Sicht geschrieben? Bitte vermerken Sie das am Anfang der Liste.
- Ist der Kontakt bei jedem DI/DO potentialfrei oder spannungsbehaftet? Falls spannungsbehaftet: mit welcher Spannung und welchem Strom?
- Ist jeder Kontakt ein Schließer (a-Kontakt, NO) oder ein Öffner (b-Kontakt, NC), und ist er gehalten oder ein Impuls? Falls Impuls: wie lang ist die Impulsbreite?
- Welchen physikalischen Werten entsprechen 4 mA und 20 mA bei jedem AI/AO? Ist die Schleife in Zweileitertechnik ausgeführt, und welche Seite liefert die Schleifenspeisung?
- Wie groß sind bei jedem PI/PO die Impulswertigkeit, die minimale Impulsbreite und die maximale Frequenz?
- Stimmen die Tags mit den Messstellennummern im R&I-Fließbild überein?
Grenzen dieses Leitfadens
- Baugruppenbezeichnungen, Bemessungswerte und Geschwindigkeiten sind Beispiele aus der Mitsubishi-Reihe MELSEC iQ-R. Andere SPS-Hersteller verwenden andere Namen und Werte. Prüfen Sie das Datenblatt der Baugruppe, die Sie tatsächlich einsetzen.
- Welche Seite die Spannung liefert und ob 100-V-Signale vorkommen, hängt vom Projekt und von der Praxis des Planers ab.
- Die Fehlerschwelle eines 4–20-mA-Signals legt das empfangende Gerät fest oder ergibt sich aus der Spezifikation des Messgeräts, nicht aus diesem Leitfaden. In Deutschland wird dafür häufig die NAMUR-Empfehlung NE 43 herangezogen; ob sie gilt, steht im Datenblatt.
- Sicherheitsgerichtete Signale wie die Türverriegelung sind hier nur als Signalart genannt. Deren Auslegung (zum Beispiel nach EN ISO 13849-1) ist ein eigenes Thema und gehört nicht in die Standard-E/A.
- Die Beispiel-Signalliste ist frei erfunden.
FAQ
Was ist ein DI-Signal?
Ein DI-Signal ist ein EIN/AUS-Signal, das eine Steuerung oder SPS von außen empfängt. Es meldet einen Schalterzustand oder ob ein Betriebsmittel läuft oder gestört ist, und zwar als einen von zwei Zuständen: Kontakt geschlossen oder Kontakt offen.
Sind PIO und DIO dasselbe wie PI/PO?
Nein. DIO steht für Digital I/O und bezeichnet meist eine digitale Ein-/Ausgabekarte, die in einen PC gesteckt wird. PIO kommt ebenfalls in Modellbezeichnungen solcher Karten vor, etwa bei der PIO-Serie von Contec, und derselbe Hersteller verkauft Modelle nur mit Eingängen („PI") und nur mit Ausgängen („PO"). Diese Karten verarbeiten EIN/AUS-Signale und haben damit eine andere Bedeutung als das impulsbezogene PI/PO der Instrumentierung.
Kann ein DI einen Analogwert erfassen?
Nicht direkt. Ein DI kennt nur EIN oder AUS. Wenn Sie lediglich eine Meldung brauchen, sobald der Füllstand einen Grenzwert überschreitet, können Sie einen Kontaktausgang (DO) des Messgeräts oder einer Grenzwert-Meldeeinheit auf einen DI führen. Brauchen Sie den Wert selbst, verwenden Sie einen AI.
Was ist der Unterschied zwischen DI-Modul und DI-Unit?
Es gibt keinen, abgesehen vom Namen. In japanischen Mitsubishi-Unterlagen heißt es „Eingangs-Unit", andere Hersteller und Lieferanten außerhalb Japans sagen „DI-Modul", „DI-Baugruppe" oder „Eingangskarte".
Quellen
- Typen und Bemessungswerte der E/A-Baugruppen: Mitsubishi Electric, MELSEC iQ-R Series I/O modules (japanisch)
- Baugruppenkategorien: Mitsubishi Electric, MELSEC iQ-R Series module list (japanisch)
- Geschwindigkeit der Hochgeschwindigkeits-Zählbaugruppe (200 kpulse/s, DC-Eingang): Mitsubishi Electric, MELSEC iQ-R high-speed counter modules
- Eingangsbereiche und 250-Ω-Eingangswiderstand der R60AD4: Mitsubishi Electric Automation, „iQ-R Series Selection Guide: Analog Input Modules" (2019)
- EIN/AUS-Pegel nach IEC 61131-2 für 24-V-DC-Eingänge: Beckhoff Application Note DK9222-0909-0008
- Gleichstrom-Analogsignale für die Prozessleittechnik: IEC 60381-1:1982, Analogue signals for process control systems, Part 1: Direct current signals
- Warum 4–20 mA verwendet wird: Lessons In Industrial Instrumentation, „4 to 20 mA analog current signals"
- a-Kontakt / b-Kontakt (NO/NC): Hokuyo Automatic, Glossar (japanisch)
- Digitale Ein-/Ausgabekarten PIO und PI von Contec: PIO-16/16L(LPCI)H und PI-64L(PCI)H (Produktseiten bei NTT-X Store, japanisch)
Originalartikel auf JapanischDieser Leitfaden beruht auf einem MONOSCOPE-Artikel für Leser in Japan: DI/DO・AI/AO・PI/POとは？信号の種類と方向の違い・使い分けと信号リストの注意点
Über die Redaktion
MONOSCOPE-RedaktionFOUNDER & EDITORRund zehn Jahre bei einem Anlagenhersteller und einem Anlagenbauunternehmen in Angebot, Konstruktion und Inbetriebnahme von Anlagen tätig, danach Wechsel ins Online-Marketing. Berät heute B2B-Hersteller zu ihren Websites und hilft ihnen, Produkte und Technik verständlich zu erklären. Besitzt die japanischen staatlichen Lizenzen als Energy Manager und als Elektro-Chefingenieur der dritten Klasse.
Betreibt seit 2017 einen Technik-Blog (über 500 Artikel) und einen japanischsprachigen YouTube-Kanal mit rund 20.000 Abonnenten. Jeder Leitfaden entsteht aus der Perspektive der japanischen Werkshalle und wird mit den zitierten Normen abgeglichen.
