Grundlagen

Grundlagenwissen über den Kommunikationsstandard IO-Link

IO-Link für den berühmten letzten Meter

12.09.2022 - Der Kommunikationsstandard IO-Link bildet die Grundlage für eine hohe Anlagenverfügbarkeit und Produktivität. Wie IO-Link funktioniert und was das mit dem menschlichen Körper zu tun hat, erklärt der folgende Artikel.

Stellen Sie sich vor, ihr Gehirn wüsste nicht mehr, was Ihre Hände gerade machen und könnte sie dementsprechend auch nicht mehr richtig steuern. Das würde in einem ziemlichen Chaos enden. So ähnlich wie mit dem menschlichen Körper verhält es sich auch mit einer Anlage. Jede Anlage hat eine Steuerung, die ihre Befehle ins Feld zu den Aktoren ausgibt und Rückmeldungen von der Sensorik erhält. Das ist vergleichbar mit uns Menschen: Es gibt das Gehirn, also die Steuerung, das einen Befehl an die Hand sendet: Hand öffnen! Die Augen sind die Sensoren, die sehen, dass sich die Hand öffnet. Bislang war diese Kommunikation nur in eine Richtung möglich, wie bei einer Einbahnstraße. Die Steuerung und damit der Betreiber wussten deshalb nichts über den aktuellen Zustand der Aktoren – über Betriebszeiten, Betriebstemperatur oder die Zahl der Schaltzyklen. Das ist so, als ob das Gehirn nicht weiß, ob die Hand geöffnet oder geschlossen ist. Die Folge dieser mangelnden Kommunikation waren unerwartete Gerätedefekte, Anlagenstillstände und kostspielige Produktionsausfälle.
Um diese Probleme zu vermeiden, wurde der internationale Kommunikationsstandard IO-Link ins Leben gerufen. Er macht nun aus der Einbahnstraße eine in beide Richtungen befahrbare Datenautobahn, indem die Sensoren und Aktoren miteinander kommunizieren. Sie teilen permanent ihre Leistungsfähigkeit mit und tragen so dazu bei, die Produktivität insgesamt zu steigern, ohne das System unnötig zu überlasten.

Definition: Was ist IO-Link?

IO-Link ist ein in der Norm IEC 61131-9 standardisiertes Kommunikationssystem zur Anbindung intelligenter Sensoren und Aktoren an ein Automatisierungssystem. Die Standardisierung umfasst die elektrischen Anschlussdaten sowie ein digitales Kommunikationsprotokoll, über das Sensoren und Aktoren Daten mit dem Automatisierungssystem austauschen.

Masterports als Kommunikationsbrücke

Wie funktioniert das Ganze? Die Steuerung hat im Feld zuverlässige Helfer in Form von IO-Link-Master-Modulen. Die IO-Module sind in IP67-Ausführung direkt auf der Maschine platziert und mit IO-Link-Masterports ausgestattet. Sie sind sozusagen die digitale Kommunikationsbrücke zwischen der Steuerung sowie den Sensoren und Aktoren in der Anlage. Die IO-Link-Master-Module kommen ohne sperrige Klemmenkästen aus und sind als steckbare Ausführung erhältlich. Das spart Montagezeit und schließt Verdrahtungsfehler aus. Die dezentrale Installationstechnik bietet noch weitere Vorteile wie kurze Sensorleitungen, die Anzeige von Fehlern direkt am Ort des Entstehens und eine dadurch kurze Fehlersuche sowie mehr Platz im Schaltschrank. IO-Link-Module erkennen zuverlässig und kanalgenau Probleme wie Drahtbrüche oder Kurzschlüsse, vereinfachen damit die Inbetriebnahmephase und sichern eine hohe Verfügbarkeit im Betrieb. Am Masterport lassen sich alle gängigen Geräte anschließen:

  • Sensoren und Aktoren mit IO-Link-Schnittstelle, die normalen Strombedarf haben, beispielsweise Drucksensoren,
  • Aktoren mit erhöhtem Strombedarf, ­beispielsweise Ventilinseln,
  • digitale Standardsensoren und -aktoren,
  • Analogsensoren oder -aktoren, die ­mittels eines IO-Link-Konverters in IO-Link-­Signale übersetzt werden,
  • Hubs zur Vervielfältigung von digitalen Ein- oder Ausgängen.

Der Strombedarf für die Sensoren ist meistens gar nicht so hoch. Weil der Strom durch die IO-Module geschlauft werden kann, lassen sich mehrere IO-Module an eine Stromversorgung hängen und schnell verdrahten.

Devices liefern Zusatzinformationen

IO-Link-Devices sind Geräte, die per IO-Link­ mit den Mastern kommunizieren. Dazu gehören:
Sensoren, die Messwerte aus der Maschine zur Steuerung liefern, beispielsweise Druckwerte von Hydrauliksystemen oder Füllstände, Aktoren, die Befehle ausführen in Form von Ventilen, Zylindern, Greifern, ­Spannwerkzeugen oder Meldeleuchten, Verteilerboxen (Hubs), an die sich bis zu 16 weitere digitale Sensoren anschließen lassen.
Sind diese Devices IO-Link-fähig, dann können sie zusätzlich zu den Standardprozessdaten Zusatzinformationen an den Betreiber übermitteln. Dieser Mehrwert lässt sich durch die Parametrierung nutzen. Hierzu ist ein zusätzlicher Datenstrom notwendig. Das sind die Parameterdaten, die dem Sensor vorgeben, was seine Aufgabe ist. Bei einem Drucksensor werden beispielsweise die folgenden Fragen beantwortet: Misst der Sensor in bar oder psi? Was ist die Displaysprache? Wo ist ein Schwellwert? Wie soll die Hysterese sein? Weil die Devices ihren aktuellen Status kennen und melden, können sie zusätzliche Meldungen kommunizieren. Parameter wie Lebensdauerrestzeit, Verschmutzung oder Betriebsdauer erleichtern die Instandhaltung und reduzieren ungeplante Maschinenstillstände. Unterschieden wird dabei zwischen ständiger Kommunikation, also zyklischen Daten wie Messwerten sowie Daten, die nur bei Bedarf ausgetauscht werden, also azyklischen Daten wie Zustandsmeldungen und Parametrierungsdaten.
Jedes Device ist direkt mit einem Masterport verbunden – über eine Distanz von bis zu 20 m. Devices, die eine zusätzliche Stromversorgung benötigen, lassen sich ganz über den sogenannten Class B-Port vom Master versorgen.

Standardisiert und damit einheitlich

IO-Link hilft dabei, die elektrische Installation von Sensoren und Aktoren einfacher, zuverlässiger und wirtschaftlicher zu planen, in Betrieb zu nehmen und zu betreiben. Das funktioniert einfach, da keine speziellen Kabel notwendig sind, keine Stecker von Hand angeschlossen werden müssen und nicht auf das Pinning geachtet werden muss. Denn die Schnittstelle ist standardisiert und somit für alle Akteure einheitlich.
Die Devices kommunizieren ihren Zustand durchgängig. Anlagenbetreiber können deshalb präventiv und vor allem effizient nach potenziellen Fehlerquellen suchen. Das macht den Betrieb der Anlage deutlich zuverlässiger. Und fällt doch einmal eine Anlage aus, werden Fehler exakt angezeigt. Intelligente Mastermodule speichern die Informationen im Feldbusmodul. IO-Link Devices bekommen automatisch die zuvor verwendeten Einstellungen durch den Master-Port mitgeteilt. Stillstandzeiten sind so auf ein Minimum reduziert.
IO-Link bietet auch zahlreiche wirtschaftliche Vorteile. So ist die Installation unkomplizierter und teure Spezialhardware ist nicht notwendig. Bei IO-Link-fähigen Geräten wird eine genormte Sprache und ein eindeutig festgelegtes Pinning verwendet. Das führt zu einer digitalen Vereinheitlichung der Punkt-zu-Punkt-Kommunikation auf dem letzten Meter der Maschine. Aufgrund der dezentralen Strukturen lassen sich Erweiterungen ohne Mehraufwand realisieren und Änderungen durch die Multifunktionalität der IO-Link-Master integrieren.
Zudem macht IO-Link die Arbeit für Maschinenbediener bequemer. Sie müssen nicht mehr in der Produktionshalle an der Maschine stehen, sondern können alle Prozesse und Vorgänge vom Büro oder Leitstand überwachen und steuern. Neue Einstellungen sind dann nicht nur auf dem Device gespeichert, sondern zusätzlich im Master abgelegt. Das hat den Vorteil, dass sämtliche Konfigurationsdaten bei einem Sensortausch sofort wieder zur Verfügung stehen.

Autor
Wolfgang Wiedemann, Director Application, Consulting, Training & Technologie

Kontakt

Murrelektronik GmbH

Falkenstraße 3
71567 Oppenweiler

+49 7191 474310

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