Einsatz von IO-Link in industriellen Anwendungen

Im Zuge der vierten industriellen Revolution und Industrie 4.0 wurden eine hochentwickelte Steuerung, Überwachung und Diagnose als Merkmale für eine umfassende und intelligente Automatisierung definiert. Solche Fähigkeiten sind nur durch die industrielle Vernetzung möglich, bei der Steuerungen und Maschinen auf einer Plattform (z. B. IO-Link) für den kontinuierlichen Datenaustausch zusammengeführt werden.

Abbildung 1: IO-Link ergänzt bestehende Netzwerkprotokolle durch die einfache Integration in Feldbus- oder Ethernet-Netzwerke über die IO-Link-Primäreinheit. Die Verbindung zwischen einer IO-Link-Primäreinheit und ihren IO-Link-Geräten erfolgt über ein ungeschirmtes drei- oder fünfadriges Kabel, das auch für die Spannungsversorgung der IO-Link-Geräte geeignet ist. Hier beträgt die Spannung der Primäreinheit 24 V DC. (Bildquelle: Pepperl+Fuchs)

Die wichtigsten Technologien, die die industrielle Vernetzung unterstützen, sind standardisierte Netzwerke und Geräte mit integrierten Funktionen für die Kommunikation. Für diese Funktionen gibt es zahlreiche Protokolle. Allerdings erfüllen nicht alle industriellen Protokolle die Anforderungen an den Datenaustausch und die Intelligenz, die in der heutigen Automatisierung erforderlich sind. IO-Link wurde entwickelt, um ein breites Spektrum dieser modernen Anwendungen zu bedienen.

Wie in einem früheren Artikel auf digikey.com beschrieben, ist IO-Link ein Protokoll für die kabelgebundene Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, das eine intelligente bidirektionale Datenkommunikation zwischen Geräten ermöglicht. Typischerweise verfügen IO-Link-Primäreinheiten (lokale Steuerungen) über mehrere IO-Link-Ports (Kanäle), an die verschiedene IO-Link-Geräte unabhängig voneinander angeschlossen werden können. Diese Knoten-zu-Knoten-Endpunktverbindungen machen IO-Link zu einem Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsprotokoll.

IO-Link wurde 2009 von einem Konsortium aus 41 Mitgliedern ins Leben gerufen, das inzwischen Hunderte von Mitgliedern zählt. Es hat sich zu einem weithin akzeptierten Kommunikationsprotokoll entwickelt, mit dem Daten für die folgenden Zwecke nutzbar gemacht werden sollen:

• Optimierung der Betriebsabläufe
• Reduzierung der Ausfallzeiten und Optimierung der Wartung
• Senkung der Rohstoffkosten und Treffen strategischer Betriebsentscheidungen

Die harmonisierte IO-Link-Schnittstelle ist durch die Norm IEC 61131-9 definiert und wird von Siemens, Omron Corp., ifm Efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs und Dutzenden anderer Geräte- und Systemhersteller unterstützt. Kein Wunder, dass die IO-Link-Konnektivität in der Automatisierung von Baugruppen und Werkzeugmaschinen sowie in der Intralogistik weit verbreitet ist. Zu den drei Hauptanwendungen in der Industrie gehören die Kommunikation von Zuständen, die Steuerung von Maschinen und die Ausstattung von Geräten mit Intelligenz.

IO-Link-Steuermodi entsprechen Anwendungen

Abbildung 2: Der Typ des mit dem Verbindungskabel verwendeten Steckverbinders hängt von der Art des Anschlusses ab. Die primären IO-Link-Ports der Klasse A eignen sich für M8- oder M12-Steckverbinder (wie der hier gezeigte AL1120 von ifm efector) mit bis zu vier Pins, während die Gegenstücke der Klasse B mit Geräten mit fünfpoligen M12-Steckverbindern (für bidirektionale Datenkommunikation) verbunden werden können. Der Modus, der dem Anschluss eines Primäreinheit zu einem bestimmten Zeitpunkt zugewiesen wird, hängt von dem Gerät ab, mit dem er verbunden ist, und vom aktuellen Betrieb. (Bildquelle: ifm Efector)

Aus früheren Artikeln auf digikey.com wissen wir, dass Steckverbinder-Port einer übergeordneten IO-Link-Primäreinheit (Steuerung) mithilfe des IO-Link-Kommunikationsprotokolls vier Kommunikationsmodi unterstützen können. Dazu gehören ein vollständig deaktivierter Modus sowie die Betriebsarten IO-Link, Digitaleingang (DI) und Digitalausgang (DQ). Die Modi entsprechen in etwa den drei oben aufgeführten Hauptanwendungen von IO-Link.

Der IO-Link-Betriebsmodus unterstützt die bidirektionale Kommunikation mit Geräten im Feld und wird typischerweise bei der Datenerfassung für Überwachung, Prüfung und Diagnose eingesetzt. Der Port einer Primäreinheit im DI-Modus akzeptiert digitale Eingänge und ist in Betrieb, wenn er mit Sensoren verbunden ist, die in diesem Zusammenhang als Eingabegeräte dienen. Im Gegensatz dazu fungiert ein Port im DQ-Modus als digitaler Ausgang, in der Regel dann, wenn der Port mit einem Stellglied (in diesem Zusammenhang quasi ein Ausgabegerät) verbunden ist oder wenn eine System-SPS so eingerichtet ist, dass sie direkt Anweisungen an ein anderes IO-Link-Gerät sendet.

Obwohl dies den Rahmen dieses Artikels sprengen würde, ist es erwähnenswert, dass die Ports einer IO-Link-Primäreinheit problemlos zwischen den Modi wechseln können. So kann beispielsweise der mit einem Sensor verbundene Port einer Primäreinheit im DI-Modus laufen und dann in den IO-Link-Kommunikationsmodus schalten, wenn die Primäreinheit Diagnose- und Überwachungsdaten vom Sensor anfordert.

IO-Link-Anwendung 1 von 3: Verwertbare Statuskommunikation

Abbildung 3: IO-Link ermöglicht den Aufbau hochentwickelter Steuer- und Automatisierungssysteme. In der Werkzeugmaschinenbranche kommen IO-Link-Sensoren häufig zum Einsatz, um die korrekten Drücke und Positionen beim Spannen und Fräsen von Werkstücken zu überprüfen. (Bildquelle: Getty Images)

Die Überwachung der Maschine ist mit IO-Link-Geräten möglich, die so eingerichtet sind, dass sie Berichte über den Status erstellen, die wiederum das System über notwendige Anpassungen und Korrekturen informieren können. Ein Beispiel aus dem Werkzeugmaschinenbereich ist die Nutzung von IO-Link Drucksensoren, die sicherstellen, dass die Werkstücke mit dem richtigen Druck geklemmt werden, um ein beschädigungsfreies und sicheres Halten beim Materialabtrag zu gewährleisten. IO-Link-Sensoren unterstützen hier wesentlich die Optimierung von Maschinenaufgaben zur Reduzierung von Ausschuss.

Zudem können IO-Link-Geräte verwertbare Statuskommunikationen durchführen, um verbesserte Wartungsroutinen für minimierte Ausfallzeiten zu unterstützen. IO-Link-Positionssensoren an einer Baugruppe können zum Beispiel kontinuierlich die Positionen der Endeffektoren melden, um deren korrekte Betätigung und Ausrichtung sicherzustellen.

Durch die Analyse von Diagnosedaten, die von IO-Link-Geräten bereitgestellt werden, können die Maschinentechniker einer Anlage Fehler und potenzielle Ausfälle vorhersagen und beheben, bevor sie auftreten. Außerdem erlauben sie die Erkennung von Schwachstellen in einer Maschine oder Anlage - als Grundlage für Änderungen auf Unternehmensebene, für Kaufentscheidungen und für die künftige Entwicklung von Maschinen für den Eigenbedarf.

IO-Link-Anwendung 2 von 3: Hochentwickelte Steuerung und Automatisierung

Abbildung 4: Ein IO-Link-System für hochentwickelte Steuerungen besteht aus einer IO-Link-Primäreinheit (Steuerung), wie der hier gezeigten NX-ILM400 von Omron, und verschiedenen IO-Link-fähigen Sensoren, Spannungsversorgungen und mechatronischen Geräten, die mit dieser Primäreinheit verbunden sind. IO-Link-Systeme für solche Anwendungen verbinden in der Regel die IO-Link-Primäreinheit und -Geräte mit einer SPS oder einem anderen Automatisierungssystem. (Bildquelle: Omron)

Steuerung und Automatisierung sind weitere Funktionen, die von IO-Link unterstützt werden. Wenn eine IO-Link-Installation Funktionen unterstützt, die ohne menschliches Zutun ablaufen, bleibt die IO-Link-Primäreinheit häufig mit einem Host-System oder einer übergeordneten SPS verbunden, die die empfangenen Daten verarbeitet und dann direkt oder indirekt die Stellantriebe im System zu den entsprechenden koordinierten Reaktionen anweist. Für eine solche Automatisierung ist es erforderlich, dass das IO-Link-System über standardisierte Feldbus- oder Ethernet-Protokolle und Verkabelung mit einer übergeordneten Steuerung verbunden ist. Tatsächlich verfügen die meisten IO-Link-Primäreinheiten über Feldbus- oder Ethernet-Anschlüsse für solche Verbindungen.

Geräte in hochentwickelten Anwendungen mit IO-Link-Systemen lassen sich auf eine der drei Arten integrieren:

• Sie sind direkt mit dem Host-Computer oder der SPS verbunden.
• Sie sind mit einer IO-Link-Primäreinheit verbunden und kommunizieren per IO-Link-Protokoll.
• Sie nutzen IO-Link-kompatible Kommunikation und sind mit einer IO-Link-Primäreinheit über einen IO-Link-Hub verbunden.

Letztere fungiert im Wesentlichen als Vermittler, um Geräte, die nicht per IO-Link vernetzt sind, mit der Primäreinheit zu koppeln.

Ein zusätzlicher Vorteil von IO-Link-Systemen, die über Feldbus- und Ethernet-Kommunikationsverbindungen verfügen, besteht darin, dass große Entfernungen möglich sind - was wiederum den Installateuren die Möglichkeit gibt, IO-Link-Primäreinheiten in einem Schaltschrank oder in den äußersten Maschinenbereichen zu platzieren, wenn dies für eine bestimmte Anwendung am sinnvollsten ist.

IO-Link-Primäreinheiten können bei hochentwickelten Montageanwendungen als übergeordnete Steuerungen eingesetzt werden, die sowohl digitale als auch analoge Signale verarbeiten können. Hier könnten die Primäreinheiten folgende Aufgaben ausführen:

• Annahme der Daten, die von IO-Link-Linear-Encodern an den Achsen eines XY-Tisches ausgegeben werden
• Verarbeitung dieser Daten als Gateway
• Übermittlung der verarbeiteten IO-Link-Daten des Feldgeräts an die SPS oder eine andere Systemsteuerung

IO-Link-Anwendung 3 von 3: Intelligenz der Geräte

Abbildung 5: Die IO-Link-Verbindungsschnittstelle ist sehr klein und passt auf die meisten kompakten Feldgeräte. Hier abgebildet ist ein Näherungssensor BUS004Z von Balluff mit IO-Link-Konnektivität. (Bildquelle: Balluff)

Die dritte Anwendung von IO-Link besteht darin, Geräten Intelligenz zu verleihen. Diese mit IO-Link ausgestatteten Geräte können Anweisungen empfangen, überwachen, Selbsttest-Routinen ausführen und Daten generieren. Das ist besonders bei Sensorkonfigurationen üblich, die älteren Sensoroptionen ohne (oder mit nur geringer) Programmierung ähneln. Da IO-Link Geräten außerdem gestattet, mehr als nur Basisdaten mit zwei möglichen Werten (ja/nein oder bestanden/nicht bestanden) zu liefern, ist auch die Meldung präziser Werte möglich. So profitieren beispielsweise Aufgaben der Prozessautomatisierung von IO-Link-Temperatursensoren, die über die Meldung eines hohen oder niedrigen Temperaturstatus hinausgehen, indem sie kontinuierlich den genauen Temperaturwert eines überwachten Bereichs oder Mediums melden.

Ein weiterer Vorteil von IO-Link für intelligente Feldgeräte ist die kompakte physische Anbindung. Das steht im Gegensatz zu den physischen Verbindungen von Fieldbus- und Ethernet-Schnittstellen, die manchmal für Mikrogeräte im Feld zu groß sind.

Außerdem können intelligente IO-Link-Geräte präzise gesteuert werden. Anstelle der einfachen Aus- und Einschaltsteuerung kann ein Stellantrieb beispielsweise angewiesen werden, sich auszuschalten, sobald ein Szenario eine Reihe von Bedingungen erfüllt.

Eingabekomponenten wie Druckschalter von RAFI können IO-Link-Funktionen nutzen, um intelligente Gerätefunktionen zu unterstützen - einschließlich farbkodierter Kontrollleuchten.

Bei der Verwendung von IO-Link für Anwendungen in intelligenten Geräten gibt es einige Vorbehalte. Obwohl sich eine Funkvariante von IO-Link in der Entwicklung befindet, handelt es sich immer noch um ein kabelgebundenes Kommunikationsprotokoll, das daher also immer noch allen Grenzen einer festen Verdrahtung unterliegt. Um die Datenintegrität zu gewährleisten, darf die Verkabelung von IO-Link zwischen den Systemkomponenten nicht länger als 20 m sein. Und da das IO-Link-Protokoll nur bis zu 32 Byte Daten pro Zyklus übertragen kann, ist es für den Einsatz in Feldgeräten wie Kameras, die viele MB Daten pro Minute erzeugen können, unzureichend.

Fazit

IO-Link-Systeme werden in vielen Bereichen eingesetzt, um bestehende Protokolle zu ergänzen, die praktisch unbegrenzte Steuer- und Datenerfassungssysteme unterstützen. Die Einfachheit der IO-Link-Systeme, die nur aus einer IO-Link-Primäreinheit, deren Geräten und de konfektionierten drei- oder fünfadrigen Verbindungskabeln bestehen, hat die Akzeptanz gefördert. Eine Plug&Play-Installation und ein günstiger Preis sind weitere Vorteile von IO-Link.

Die Bemühungen des IO-Link-Mitgliederkonsortiums haben eine breite Kompatibilität zwischen Steuerungen, Geräten/Komponenten und Stellantrieben verschiedener Hersteller gewährleistet, so dass Entwicklungsingenieure eine große Auswahl an Equipment für ihre spezifischen Anwendungsfälle zurückgreifen können.