Was ist IO-Link?

Datenkommunikation auf Feldebene in Automatisierungssystemen. Das ist die Funktion von IO-Link. Das System ist wirtschaftlich, einfach und effizient. Nach dieser kurzen Einleitung möchten Leser bestimmt mehr darüber erfahren. Über den Einsatz von IO-Link für die Abwicklung des Datenverkehrs auf Feldebene liegt eine umfangreiche Dokumentation vor. Bedeutend weniger Informationen gibt es jedoch über den Einsatz im Motion-Control-Bereich. Ohne die Einsatzgrenzen in diesen Bereich zu unterschätzen, befassen wir uns in diesem Artikel speziell mit den Anwendungen von IO-Link für Motion Control.

Fragt man einen Anwender, was die Hauptmerkmale von IO-Link sind, erhält man mit Sicherheit zur Antwort, dass es eine einfache, stabile und wirtschaftliche Lösung für das gesamte Maschinenleben ist, dass es sich leicht integrieren, installieren, in Betrieb nehmen und nutzen lässt und zudem die Wartung erleichtert. Nebenbei gesagt, ist IO-Link auch eine optimale Lösung für einfache Motion-Control-Anwendungen. Und gerade auf diesen Aspekt möchten wir genauer eingehen. Sehen wir uns jedoch zunächst an, was IO-Link genau ist.

Kein Feldbus, universell und fit für Industrie 4.0

IO-Link ist in der Tat ein von der internationalen Normenorganisation - IEC - definierter Standard (IEC 61131-9). Der Standard definiert die Spezifikationen einer Schnittstelle SDCI – Single-drop Digital Communication Interface – für kleine Sensoren und Aktoren. Abgesehen vom für die Systemautomatisierung verwendeten Controller (und vom Protokoll – Feldbus – für die Datenkommunikation), definiert „Teil 9” des Standards „IEC 61131” die Spezifikationen einer einzigartigen und universellen SDCI-Technologie, die für Anwendungen mit Anbindung kleiner Sensoren und Aktoren (häufig in Maschinen verwendet) geeignet ist. Auch wenn die IO-Link-Organisation dem PROFINET-Konsortium angeschlossen ist, brauchen Anwender ihre Sensor-Aktor-Systeme (Verbinder, Kabel, Hard- und Software-Komponenten) nicht unbedingt an ein spezifisches Feldbusprotokoll anpassen. Wie man oft sagt, ist „IO-Link eine universelle Interprotokoll-Lösung“, die sich an jede auf Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP, AS-I, usw. basierte Architektur anpasst.

Das Ziel ist einfach und klar: die traditionellen digitalen I/O-Schnittstellen in Richtung einer Punkt-zu-Punkt-Kommunikation (unabhängig von dem auf Steuerungsebene eingesetzten Feldbus) auszudehnen.

Im Feld unterstützt diese Technologie die bidirektionale Übermittlung von Prozess-, Wartungs- und Ereignisdaten bis zum Messgerät, das im Innersten der Maschine arbeitet und alle Sensoren und Aktoren einbezieht. Sowohl die Master als auch die Geräte laufen über ein gemäß dem ISO/OSI-Referenzmodell (Bitübertragungsebene, Sicherungsebene und Anwendungsebene) spezifiziertes Protokoll. IO-Link ermöglicht außerdem die Übertragung von Steuerdaten und Parametern bis zu den Geräten sowie die Sendung von Prozess- und Diagnosedaten von den einzelnen Geräten zum Automatisierungssystem.

Physisch basiert IO-Link auf einer einfachen, stabilen und erprobten Technologie: dem klassischen 3-Leiter-Kabel, das für gewöhnliche Sensoren und Aktoren verwendet wird und keine weitere Anforderungen in Bezug auf die Verdrahtung stellt. Laut seiner Befürworter handelt es sich um „eine wirkliche Weiterentwicklung der bestehenden und erprobten Verbindungstechnologie für Sensoren und Aktoren“. Und es sieht nicht die Notwendigkeit von Kommunikationsschnittstellen und -systemen vor, die auf Mehrpunkt- bzw. Multidrop-Verbindungen basieren. Angesichts davon wird IO-Link im Wesentlichen für die Fabrikautomation und häufig mit einfachen Sensoren und Aktoren in Anwendungen mit kleinen und wirtschaftlichen Mikrocontrollern eingesetzt.

Das heißt also, dass einer der Hauptvorteile dieses Standards darin besteht, dass die Sensor-Aktor-Ebene (Ein- und Ausgangssignale) unverändert bleiben kann, unabhängig vom Controller der höheren Ebene der Maschine und/oder vom Controller des gesamten Automatisierungssystems. Somit können die Planungs- und Konstruktionszeiten verkürzt und die Lagerbestände von Ersatzteilen und Komponenten für Reparaturen reduziert werden. Dies bedeutet weniger Probleme und mehr Überblick. Dieser Standard ist in der Tat universell und eignet sich für unterschiedlichste Anwendungen.

„IO-Link revolutioniert die Kommunikationen auf Feldebene”, wie einige Anwender sagen. Es macht die Daten aller Maschinenebenen und des gesamten Systems verfügbar, was genau den Arbeitsweisen von Industrie 4.0 entspricht. Da er für Industrie 4.0-Umfeld ausgelegt ist, bietet dieser Standard heute – und sicherlich auch in Zukunft – das Potenzial zur Implementierung optimierter und sogar vollkommen neuer Maschinenfunktionen. IO-Link ist der Wegbereiter für bessere und wirtschaftlichere Produktionstechnologien. Konkret bedeutet dies, dass dieser Standard langfristige Investitionen ermöglicht und sichert.

Wirtschaftlich, einfach zu integrieren, implementieren und benutzen für eine einfachere Diagnose und Wartung…

IO-Link bietet ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis. Noch bevor dieses System als physische, konkrete Lösung das Feld erreicht, trägt es zur Verkürzung der Konstruktionszeiten durch Reduzierung des zeitlichen Aufwands für Projektstudien und für die Vorbereitungsphase zur Inbetriebnahme bei. Und wenn es „ins Feld geht”, reduziert sich der Zeitaufwand für die Inbetriebnahme drastisch. Wie gesagt, ermöglicht IO-Link die Verwendung von Standardkabeln und trägt außerdem dazu bei, durch intelligente Multifunktionsgeräte die Lagerbestände von Ersatzteilen zu reduzieren.

Darüber hinaus vereinfacht IO-Link die Diagnose des Sensor-Aktor-Netzwerks wie auch die Abwicklung von Wartungsmaßnahmen. Erweiterte Diagnosefunktionen ermöglichen es, die Ferndiagnose bis in die Feldebene durchzuführen, um Kabeldefekte zu erfassen und eine Diagnose an bestimmten Geräte durchzuführen. Dank seiner Einfachheit und Stabilität und dank der Möglichkeit zu einfachen und schnellen Wartungen und Reparaturen trägt IO-Link dazu bei, die Betriebszeiten der Anlagen zu verlängern. Ohne diesbezüglich zu sehr ins Detail zu gehen, wird jedes Gerät im Feld mit einer IODD-Datei (IO Device Description) beschrieben. Diese enthält Informationen in Bezug auf Gerätehersteller, Modell- und Seriennummer, Gerätetyp und anwendungsspezifische Parameter. Die Werte dieser Parameter können per Fernzugriff (über den Master) geändert werden, sodass die Maschine aus der Ferne und online auf das nächste Produktionslos eingestellt werden kann. Auf die gleiche Weise können die Parameter einer Verbindung, auch wenn sie im Master (Hardware) gespeichert sind, während des Prozessablaufs dynamisch wiederhergestellt, geregelt und geändert werden. Und wenn eine Master-Einheit aus irgendeinem Grund auszutauschen ist, genügt es, die Vorkonfiguration (im Büro oder in der Werkstatt) und den Austausch (im Feld) vorzunehmen. In diesen Fällen handelt es sich nur um einen „mechanischen Austausch“, der in der Steuerungszentrale der Maschine vorgenommen wird. Großartig, nicht wahr? Und dazu einfach.

IO-Link ist also auf die Fabrik- und Maschinenautomation ausgerichtet. Die innovativen Maschinenkonzepte, auf denen IO-Link basiert, gewährleisten eine einfachere Installation. IO-Link standardisiert Schnittstellen und Verdrahtungssysteme (parallel, analog, digital) zu einem einzigen Typ, wobei modulare Maschinenkonzepte unterstützt werden. Durch Funktionsmodule und Instrumentenunterstützung sind hochautomatisierte Parametereinstellung möglich. Planung, Inbetriebnahme und Wartung lassen sich schneller und einfacher durchführen.

All diese Vereinfachungen führen natürlich zu einer Reduzierung der Dokumentation und Einsparung von Schulungskosten.

Motion Control

Für gewöhnliche I/O-Anwendungen stehen viele Informationen zur Verfügung. Bedeutend weniger gibt es jedoch für Motion-Control-Anwendungen.

Nach Meinung der Verfasser technischer Dokumentation weckt die Motion Control großes Interesse in Bezug auf fortgeschrittene Motion Control-Anwendungen, die hohe Geschwindigkeiten und/oder zyklische Positionierungen steuern müssen oder auch Anwendungen, die normalerweise zahlreiche Interpolationsberechnungen erfordern und/oder Anwendungen mit Getrieben und/oder elektrischen Nocken.

Obwohl Hersteller und Lieferanten von Motion-Control-Systemen diese komplexen Anwendungen liefern können, sind auf der anderen Seite viele Anwender auf der Suche nach einfach zu konstruierenden Anwendungen. Und da IO-Link nur ziemlich langsame Automatisierungszyklen unterstützt, kann es diese Anforderung perfekt erfüllen.

In solchen Anwendungen messen und kontrollieren die Sensoren Werte und Prozessparameter wie Winkel, Abstände, Frequenzen und Impulse, Pegel, Positionen, Drücke, Rotations- oder Verschiebungszählungen, lineare Geschwindigkeiten und Drehzahlen, Temperaturen, usw.

Messintervalle und Messschwellen müssen abhängig von den verschiedenen Produktionslosen unterschiedlich eingestellt werden. Wurden diese Änderungen früher normalerweise von Hand vorgenommen (wobei menschliche Fehler und Korrekturmaßnahmen nicht ausschließbar waren), ist mit IO-Link eine Ferneinstellung möglich. Der IO-Link-Master erkennt angeschlossene Sensoren, Aktoren und Displays. Vor dem Produktionsstart kontrolliert er die Konfigurationsparameter aller Geräte. Obgleich sie hinsichtlich Geschwindigkeit oder Interpolationen nicht komplex sind, arbeiten viele Motion-Control-Anwendungen mit zahlreichen Parametern. Und in diesem Fall bietet die dynamische Einstellung der Anwendung einen echten Vorteil.

Der globale Markt für Maschinen wird auf eine harte Probe gestellt. Der Konkurrenz ist schnell! In diesem Kontext entscheiden letztendlich ... die Anwender! Anwender sehen in diesen Lösungen eine Garantie für die Maschinenzuverlässigkeit und erwarten sich, dass dadurch ihre Investition schnell amortisiert wird.