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IO-Link verbindet Sensor mit Maschinensteuerung

Kommunikation: Schnittstelle nutzt Feldbus und Ethernet
IO-Link verbindet Sensor mit Maschinensteuerung

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Die IO-Schnittstelle unterhalb der Feldbusse ermöglicht eine intelligentere Kommunikation zwischen Sensoren/Aktoren. Index rüstet bereits seine Drehmaschinen damit aus.

IO-Link integriert Aktoren und Sensoren in Automatisierungssysteme auch in gemischten Konfigurationen von herkömmlichen und intelligenten Geräten. Der Ansatz ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Automatisierern wie Balluff, Beckhoff, Festo, Ifm Electronic, Leuze Electronic, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, Sensopart, Siemens und Turck unter dem Dach der Profibus-Nutzerorganisation (PNO). Mehr als 30 Unternehmen arbeiten derzeit aktiv im IO-Link-Konsortium zusammen. IO-Link nutzt dabei vorhandene Feldbusse oder Ethernet-basierte Systeme; die Aktoren und Sensoren werden in einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung über die letzten Meter mit ungeschirmten Standardkabeln verbunden.

Typische intelligente Aktoren/Sensoren sind Ventilinseln, Motorstarter, optische Sensoren, Lichtgitter, RFID oder Stellgeräte. Diese Geräte können applikationsspezifische Parameter und Daten (für Diagnose) generieren, die über ein serielles Kommunikationsverfahren übertragen werden. Dabei sind flexible Telegrammlängen möglich, um auch umfangreiche Datensätze für RFID oder Lichtgitter übertragen zu können. Die Kommunikation basiert auf einem Standardprotokoll mit Pulsmodulation; die zugehörige Elektronik wird schon für die Parametrierung eingesetzt und ist daher preisgünstig. Prozess-, Service- und Diagnosedaten können dabei zyklisch in typisch zwei Millisekunden übertragen werden; azyklisch lassen sich weitere Parameter und Daten übertragen.
IO-Link ermöglicht auch eine zentrale Fehlerdiagnose und -ortung bis zur Ebene der Sensoren und Aktoren. Durch die exakte Fehlerortung oder Wartungsanforderung werden Maschinenstillstandszeiten reduziert und der Austausch von Geräten über eine zentrale Parameterhaltung ist deutlich einfacher.
Auf der Hannover Messe hat die PNO die erforderlichen Dokumente zur Integration von IO-Link verabschiedet. „Die Spezifikationen für die physikalische Schicht und das Protokoll sind neutral und damit unabhängig vom Profibus, so dass dieser Sensor/Aktorbus allen Feldbussen oder Ethernet-Kommunikationssystemen unterlagert werden kann. Lediglich die Integration ist spezifisch für den entsprechenden Feldbus“, unterstreicht Jörg Freitag, Vorsitzender der PNO. Eine geeignete Gerätebeschreibung ist hierfür essentiell und wird in der PNO erarbeitet.
Für die unterschiedlichen Implementierungen sieht IO-Link verschiedene Datenrahmen vor, die beispielsweise nur Service- oder Prozessdaten oder eine Mischform aus beiden enthalten. Sensoren mit Parametrierungsmöglichkeiten, also Empfänger von Servicedaten oder Produzenten von Prozessdaten, lassen sich damit über wenige Bit Nutzdaten einrichten. Auch Bündelungen von Ausgängen oder komplexe Mischformen, wie analoge Eingangsdaten oder binäre Ein- und Ausgangsdaten, sind möglich.
Bei Werkzeugmaschinen spielen sich die Vorteile von IO-Link besonders bei der Inbetriebnahme aus. Drucksensoren zur Überwachung der Kühlschmiermittel erfordern eine umfangreiche Parametrierung, die zudem bei einer Serienmaschine immer wieder zu reproduzieren ist. Ohne intelligente Schnittstelle müssen die Parameter über Einstellvorrichtungen justiert und angezeigt werden, was den Sensor verteuert und vergrößert. Eine zentrale Datenhaltung mit Zugriff auf die Parametrierung erspart solchen Aufwand.
Auch innerhalb der Index-Gruppe hat man die Bedeutung integrierter IO-Link-Konzepte frühzeitig erkannt. „IO-Link kann einen Beitrag dazu leisten, unsere Maschinen schneller wieder verfügbar zu machen und dient damit gleichermaßen auch dem Ziel der Produktivitätssteigerung, „sagt Eberhard Beck, Leiter Steuerungstechnik beim Esslinger Drehmaschinen-Hersteller. Als eines der ersten Unternehmen hat Index in seiner aktuellen Serie SpeedLine C100 und C200 IO-Link als festen Bestandteil des Steuerungs- und Automatisierungskonzeptes integriert. Dabei kooperieren in den Hochleistungs-Drehautomaten an Balluff-IO-Link-Masterbaugruppen Sensoren unterschiedlicher Hersteller reibungslos miteinander. Ein Sachverhalt, der den herstellerübergreifenden und offenen Status unterstreicht.
Mit IO-Link sind beliebige variable Schaltpunkte setzbar. Die erforderlichen Parameter sind auf einfachste Weise automatisiert in den Sensor zu laden. Einstellungen vor Ort sind damit nicht mehr zwingend notwendig, Fehlbedienungen ausgeschlossen. In der Summe bedeutet dies reduzierter Inbetriebnahme- und reduzierter Kostenaufwand. Über einfach steckbare dreiadrige Standard Sensorkabel via Balluff-IO-Link-Master sind die Sensoren an die Steuerungsebene der Index-Maschinen angebunden.
Progressive Wartungs- und Diagnosekonzepte werden ebenfalls durch IO-Link möglich. Dies war in dieser Form bislang nur sehr bedingt und unter vergleichsweise hohem Zeit-, Material- und Kostenaufwand machbar. „Mit IO-Link wird Fernwartung durchgängig bis auf die Sensorebene“, hebt Eberhard Beck hervor. Im Ernstfall zeigt die Bedieneroberfläche Ort und Ursache von Störungen an. Das betroffene IO-Link – Gerät wird einfach ab-, ein Ersatzgerät aufgesteckt. Automatisiert erhält das IO-Link-Gerät den passenden Datensatz und steht der Produktion wieder uneingeschränkt zur Verfügung. IO-Link reduziert Ausfalls- und Stillstandszeiten, integrierte Diagnose ist erstmals ohne Zusatzverdrahtung möglich. Standardisierung und eine bis auf den Sensor reichenden Diagnose sind die Grundlage für einen schnellen Service im Ersatz- oder Reparaturfall.
Technisch betrachtet beruht die Index-Lösung auf einem einfachen Prinzip: Über einen Kanal überträgt IO-Link zyklisch Prozess- und azyklisch Servicedaten. Die Übermittlung binärer Signale erfolgt im IO-Mode oder IO-Link-Mode (COM1, COM2, COM3). Analoge Signale werden im jeweiligen IO-Link-Prozessgerät digitalisiert und im IO-Link-Mode übertragen, Parameterdaten wie zum Beispiel Minimal-, Maximalwerte oder Hysterese werden ebenso wie Diagnosedaten typischerweise über azyklische Dienste transportiert. Denken in IO-Link beginnt bereits mit der Konzeption von Maschinen und Anlagen: Die drastische Installationsvereinfachung und Reduzierung der Schnittstellenvielfalt führen in der Planungs- und Konstruktionsphase dazu, dass am Ende kompaktere Modelle entstehen. Kompakte Maschinen reduzieren den Platzbedarf und führen zu einer optimalen Ausnutzung von Produktionsflächen. Ein herausragendes Plus von IO-Link ist die einfache Realisierbarkeit zentraler Parametrierungskonzepte: Was in der Antriebstechnik bereits vor rund zehn Jahren begann, wird nun, dank IO-Link, auch bei Sensoren und Aktoren Standard: Mit IO-Link an Bord entfällt mühevolles und Zeit raubendes Ein-, Umstellen oder Teachen von Prozessgeräten. Relevante Parametersätze liegen auf zentraler Ebene vor, mittels einfachem Up- und Download von Datensätzen sowie übersichtlicher Parameterdatenverwaltung sind Sensoren und Aktoren rasch startklar und auf neue Aufgaben umgestellt.
Egal welche Art von Prozess- oder Servicedaten zu übertragen sind, gleichgültig ob digital oder analog: IO-Link begnügt sich mit einem einzigen Kabel- und Boxentyp. „Im Rahmen der Installation und Inbetriebnahme lässt sich der Unterschied in der Verkablung durchaus in Zeit und Kosten ausdrücken, was aber viel mehr zählt ist die verbesserte Parametrierfähigkeit“, bringt Eberhard Beck die Vorzüge auf den Punkt.
Nahtlose Integration in jedes bestehende Feldbussnetz
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