IO-Link: Das USB für Sensoren

Moderne Sensoren beinhalten heute fast ausnahmslos einen Microcontroller und bilden immer komplexere Funktionen ab, wodurch fast zwangsläufig auch die Anzahl der einstellbaren Parameter steigt.

Mit gerätegebundenen Einstell- oder auch Anzeige-Elementen wie Potentiometer, Folientaster oder LCD-Displays lassen sich solche Parametrieraufgaben nur unbefriedigend lösen. Zum einen sind solche Elemente im eingebauten Zustand oft nur schwer oder gar nicht erreichbar, zum anderen sind die Einstellwerte nur im Sensor gespeichert. Eine sicher reproduzierbare Dokumentation bedeutet zusätzlichen Aufwand und wird deshalb häufig vernachlässigt. Bei einem eventuellen Austausch muss die Parametrierung erneut vorgenommen werden.

Eine Alternative zu gerätegebundenen Elemente ist eine zusätzliche Parametrierschnittstelle, an die ein Rechner angeschlossen wird. Auf diesem kann dann mittels einer spezifischen Software eine komfortable Bedienoberfläche aufgebaut werden. Nachteilig sind dabei der zusätzliche Aufwand und der Platzbedarf für die Parametrierschnittstelle am Sensor und die nicht standardisierte Datenübertragung zum externen Rechner. Hier werden meist proprietäre Protokolle und spezielle Programme verwendet; eine herstellerübergreifende Lösung existiert nicht.

Eine weitere Herausforderung im Zusammenhang mit Sensoren stellt die von den Anwendern geforderte Schnittstellen-Vielfalt dar, die eine große Anzahl von Varianten eines Sensortyps erforderlich machen kann. Analogsignale verursachen hier zusätzlichen Aufwand, da für deren Übertragung meist geschirmte Leitungen eingesetzt werden müssen.

Eine Lösung für solche Herausforderungen stellt IO-Link dar. Das Protokoll wurde von einem Konsortium aus namhaften Sensor-, Aktor- und Steuerungsherstellern spezifiziert; inzwischen sind mehr als 100 Firmen IO-Link-Mitglieder (Stand Anfang 2016). In der IEC 61131-9 ist das Übertragungsprotokoll standardisiert, es beschreibt eine komplett digitale Übertragung aller zyklischen und azyklischen Daten von und zu Feldgeräten. Die Eigenschaften von IO-Link Geräten werden mit XML-Dateien beschrieben, den sogenannten IODDs (IO Link Device Description). Für jeden Gerätetyp existiert eine solche Datei, die auch mehrere Sprachvarianten enthalten kann. Die übersichtliche Projektierung von Systemen wird mit einer Reihe von komfortablen Engineering-Tools ermöglicht, die auf den IODDs basieren und durch Nachladen oder Aktualisieren auf dem neuesten Stand gehalten werden können.

Volle Abwärtskompatibilität wird durch das Aufsetzen auf die in der DIN EN 60947-5-2 genormten Standard-Verkabelung sowie dem SIO-Modus erreicht, in dem sich ein IO-Link-Feldgerät wie eine konventionelle Einheit verhält. So kommen viele Vorteile von IO-Link-Sensoren auch in herkömmlichen Umgebungen zum Tragen. Ein Beispiel dafür sind die Konfigurations-Möglichkeiten. Diese erlauben es, auf ein und derselben Hardware-Basis unterschiedliche Varianten eines Feldgerätes mittels Off-Line-Parametrierung abzubilden und so die Vielfalt deutlich zu reduzieren.

Im IO-Link-Modus kann die Parametrierung der Feldgeräte komplett vom Master aus auf der Steuerungsseite erfolgen. Die Einstellwerte werden dann dort zentral gehalten, was eine systematische Daten-Sicherung und auch ein automatisches Einspielen nach einem Austausch des Feldgerätes ermöglicht. Dank der komplett digitalen Datenübertragung z.B. von Sensor-Messwerten kann auch hierfür die Standard-Verkabelung verwendet und auf geschirmte Leitungen verzichtet werden.

Wie alle namhaften Sensor-Hersteller sieht auch Pepperl+Fuchs in IO-Link so entscheidende Vorzüge, dass neue Entwicklungen inzwischen durchgängig mit IO-Link-Schnittstellen ausgerüstet werden. Als Beispiel für die Generation Sensorik 4.0 sei hier die Baureihe R10x angeführt, eine Plattform von Standard-Opto-Sensoren. Diese bilden alle optoelektronischen Funktionsprinzipien mit maximaler Leistungsfähigkeit in unterschiedlichsten Bauformen ab. In alle Sensoren der Produktfamilien R100, R101 und R103 wurde IO-Link-Konnektivität integriert.

Die von Pepperl+Fuchs entwickelte SmartBridge-Technologie öffnet IO-Link auch für mobile Endgeräte wie Tablets und Smartphones, die damit zu komfortablen mobilen Bedieneinheiten werden. Das System besteht aus einem Interface und einer App für die Mobilgeräte. Das kompakte IO-Link-Bluetooth-Interface kann dank der Standard-M12-Steckverbinder direkt in Zuleitungen von Sensoren oder Aktoren eingeschleift werden und baut drahtlos einen zusätzlichen Übertragungskanal zu den Mobilgeräten auf. Das IO-Link-Interface verfügt über zwei Betriebsmodi: Im Modus „Monitor“ wird der IO-Link-Datenverkehr zwischen IO-Link-Master und Sensor/Aktor rückwirkungsfrei abgegriffen, das Interface ist für den Master in der Maschinensteuerung nicht sichtbar.

Im „Master-Modus“ fungiert das SmartBridge-Interface als IO-Link-Master, wenn der Sensor oder Aktor an einer konventionellen Steuerung oder auch standalone betrieben wird. In dieser Betriebsart können alle Parameter des IO-Link-Gerätes nicht nur angezeigt, sondern auch verändert werden. Im Interface sind zusätzlich ein Steckplatz für eine µSD-Karte sowie ein USB-Anschluss integriert. Auf der Speicherkarte kann der gesamte IO-Link-Datenverkehr mit Zeitstempeln in Mikrosekunden-Auflösung über einen längeren Zeitraum hinweg für eine spätere Auswertung mitgeschrieben werden, ohne dass eine Verbindung zum Mobilgerät erforderlich ist. So können sporadische Effekte analysiert und die Ursachen für Fehlfunktionen eingegrenzt werden.

Die SmartBridge-App steht für iOS- und Android-Geräte zur Verfügung und baut auf den Mobilgeräten eine komfortable Bedienoberfläche auf, mit der auf alle Parameter und Daten zugegriffen werden kann. Dazu stehen eine rein tabellarische Ansicht und eine grafisch unterstütze Darstellung der Prozessdaten zur Verfügung. Zum Aufbau der Bedienoberfläche werden die IODD sowie eine grafische Beschreibungsdatei des IO-Link-Gerätes herangezogen. Diese typspezifischen Dateien werden mit Hilfe einer automatischen Update-Funktion aus dem Internet automatisch geladen, sodass die SmartBridge-App auch für zukünftige IO-Link-Geräte verwendbar bleibt und quasi mitwächst.

Ein wesentliches Merkmal von Industrie 4.0 sind die Kommunikationsfähigkeiten aller beteiligten Komponenten, für die herstellerübergreifenden Standards gesucht werden. Für Feldgeräte wie Sensoren oder Aktoren bedeutet dies, nicht nur mit einer übergeordneten Steuerungseinheit direkt kommunizieren zu können, sondern auch mit anderen Einheiten des Systems, unabhängig vom Hersteller.

IO-Link erfüllt alle im Zusammenhang mit Industrie 4.0 gestellten Anforderungen an eine Schnittstelle für intelligente Feldgeräte und ist eine bewährte Technologie. Bei voller Rückwärtskompatibilität ist ein komplett bidirektionaler Datenaustausch möglich. Nicht zu Unrecht wird IO-Link zuweilen auch als „USB für die Automatisierung“ bezeichnet, denn es kann eine ganze Reihe von Schnittstellen auf der Feldebene ersetzen, und das Anbinden von Sensoren und Aktoren an Steuerungen oder Gateways so einfach machen wie das Anschließen von Peripherie-Geräten an PCs.

Ein Beispiel dafür kann schon heute umgesetzt werden. Mit IO-Link ist es nämlich ohne Zusatzaufwand möglich, Diagnosesignale von den Feldgeräten zusätzlich zu den eigentlichen Prozessdaten zu übertragen. So kann auf einfachste Weise ein Condition Monitoring realisiert werden. Damit hat die Zukunft bereits begonnen.

Dipl.-Ing. Benedikt Rauscher ist Entwicklungsgruppenleiter IVC im

Geschäftsbereich Fabrikautomation bei Pepperl+Fuchs in Mannheim

Pepperl+Fuchs GmbH

Mannheim

Tel. 0621 776-0

www.pepperl-fuchs.de

Hannover Messe: Halle 9, Stand D06

Informationen über das IO-Link-Konsortium:

www.io-link.com/de