DIO im Überblick: Vor- und Nachteile der digitalen Schnittstelle

Ein DIO, Digital I/O oder Digital Input/Output ist eine einfache Form der Schnittstelle. Sie wird in einer Vielzahl von Systemen verwendet wird. Damit können digitale Signale in modernen Computersystemen effektiv weitergeleitet werden. Wenn wir über Netzwerkverbindungen sprechen, sind viele der Optionen bekannt. Wenn wir jedoch über die Verbindungen zwischen dem Computing-System und den Maschinen sprechen, die eine Fabrik oder einen Produktionsbereich betreiben, können die Einzelheiten weitaus verwirrender sein. Werden Systeme, die nicht unbedingt zur Interaktion konzipiert wurden, plötzlich aufgefordert, effektiv zu kommunizieren, kann dies eine Herausforderung sein. So müssen Sie den besten Weg finden, um sicherzustellen, dass alles dieselbe Sprache spricht.

Die Entstehung des Industriellen Internet of Things (IIoT) hat einen neuen Fokus auf die Konnektivität gerichtet. Dadurch ist eine wieder auftauchende Technologie zu einer immer beliebteren Option für viele Industrie-PC-Nutzer:innen geworden: DIO. Aber was genau ist sie und wie wird sie derzeit verwendet? Wie kann sie in zukünftigen Innovationen eingesetzt werden?

Was ist ein DIO?

Ein DIO oder Digital Input/Output ist eine einfache Form der Schnittstelle. Sie wird in einer breiten Reihe von Systemen genutzt, um digitale Signale von Sensoren, Transducern und mechanischen Geräten effektiv an andere elektrische Schaltkreise und Geräte weiterzugeben.

Ein DIO wird manchmal auch als General Purpose Input/Output (GPIO) bezeichnet. Er nutzt ein logisches Signal zur Informationsübertragung. Im Gegensatz zu einem analogen Signal, das aus unterschiedlichen Spannungen bestehen kann, haben die beim DIO verwendeten digitalen Signale zwei mögliche Werte. Im Allgemeinen werden sie entweder als OFF oder ON dargestellt. Stellen Sie sich analoge Signale so vor, als könnten Sie sie mit einem Drehknopf einstellen. Hingegen werden digitale Signale meist mit einem Schalter gesteuert. Das macht einen Digital Input/Output ideal für die Erfassung von Schaltkontakten, die Reaktion auf Bewegungssensoren, Endschalter, Bedientasten oder Statusanzeigen von Maschinen sowie kleine Relais oder PLCs innerhalb von Anlagen.

Nicht isolierte vs isolierte Digital Input/Output

Ein DIO kommt in zwei Formen vor: nicht isoliert und isoliert. Isolierte DIO bieten, wie der Name schon sagt, den zusätzlichen Vorteil, dass sie über eine elektrische Isolierung der digitalen Signale verfügen. Das ermöglicht höhere Signallevel (0-24 V). Außerdem reduziert dies mögliche Komponentenschäden, vermeidet Erdschleifen und ermöglicht eine sicherere Verbindung zu externen Geräten. Diese Isolierung wird meist dadurch erreicht, dass das eingehenden Signal in Licht konvertiert wird. Anschließend wird es über winzige LEDs innerhalb eines Optokoppler durch einen geschlossenen optischen Kanal geleitet. Im Folgenden zeigt das Bild einen Querschnitt durch eine häufige Opto-Isolator-Konfiguration. Dabei wird das eingehende Signal über die rote LED zum grünen Sensor übertragen. Dort kann es zum Empfängergerät geleitet werden. Das ermöglicht dem Signal die Leitung ohne jeglichen physischen Kontakt zwischen den beiden Seiten des Schaltkreises.

Eine Hauptüberlegung bei der Verwendung isolierter DIO ist die Leistung. Da es keine physische Verbindung zwischen dem eingehenden und dem ausgehenden Signal gibt, muss die Leistung an der Empfangsseite des Schaltkreises separat zugeführt werden. Erfreulicherweise bieten viele moderne DIO-Module einen dedizierten isolierten Ausgang mit 5 Volt ausdrücklich zu dem Zweck, den Ausgang oder die externe Seite des Schaltkreises mit Strom zu versorgen.

Wofür wird ein DIO verwendet?

Industrielle Umgebungen sind berüchtigt dafür, elektrische Anlagen schwer zu belasten. Staub, Feuchtigkeit, Vibration und andere übliche Umweltfaktoren machen einen DIO zu einer hervorragenden Option, um die Signalintegrität in der zunehmend verbundenen Industrie-Welt zu sichern. Mit der sich ausweitenden Automatisierung ist es häufiger erforderlich, dass Computer und Maschinenparks kommunizieren. Dadurch ist die schiere Anzahl der OFF/ON-Signale, die gesendet und empfangen werden müssen, überwältigend. Dabei kann DIO zur Erkennung und Anzeige des Maschinenstatus eingesetzt werden, um Wartungsanforderungen zu automatisieren. Ebenfalls können der Betrieb im Falle einer Fehlfunktion gestoppt  oder  Werkzeugparameter überwacht werden. Digital Input/Output wird oft als General Purpose I/O oder Allzweck-I/O bezeichnet und zwar aus einem Grund: Seine Einsatzmöglichkeiten sind nahezu unbegrenzt.

Wie gehen verschiedene Unternehmen mit DIO um?

Im Gegensatz zu den meisten anderen I/O-Ports sind DIO-Verbindungen nicht vollständig standardisiert. Das heißt, DIO-Ports an zwei Geräten können sich sehr voneinander unterscheiden. Zu verstehen, wie ein spezifisches DIO-Modul konfiguriert wurde, ist wichtig, um eine einwandfreie Schnittstelle zu gewährleisten. Unten werden Beispiele für die Funktionen und Pin-Belegungen einiger verschiedener DIO-Ports genannt.

Wie geht es weiter mit dem Digital Input/Output?

Ein DIO hilft dabei, eine Verbindung zwischen den Menschen und den Maschinen herzustellen, die das sich schnell entwickelnde Internet of Things bilden. Da sie eine Möglichkeit der direkten und entfernten Verwaltung von Systemen und Geräten bieten, spielen DIO eine Schlüsselrolle bei der Gewährleistung einer effektiven Kommunikation zwischen Systemen und ihren Betreibern. Gleichzeitig werden eine schnellere Reaktion auf überwachte Ereignisse und eine leichtere Fabrikautomatisierung ermöglicht. Zudem ist eine Rationalisierung der Leistungsanalyse und eine Optimierung des Durchsatzes möglich. Hersteller und Endanwender beginnen, DIO in ihrer Hardware-Infrastruktur einzusetzen. Dadurch wird sich seine Verwendung in Form von Dienstleistungen weiterentwickeln. Aufgrund der zunehmend komplexer werdenden modernen Fabrik und Produktionsanlage sieht die Zukunft für die DIO-Entwicklung und Implementation vielversprechend aus.

Hinweis: Dieser Blogbeitrag wurde ursprünglich am 15. Juli 2020 veröffentlicht und am 11. Juli 2020 inhaltlich aktualisiert.