Grundlagen

IO-Link+: hochperformante Erweiterung des IO-Link-Standards auf Basis der SPE-Physik

Mehr Leistung, mehr Bandbreite, mehr Leitungslänge

19.09.2022 - Die Datendurchgängigkeit von den Sensoren an der Maschine oder Anlage bis in ERP-Systeme oder die Cloud ist für alle Industrie-4.0-Konzepte essentiell. Für die digitale Anbindung von Sensoren und Aktoren
hat sich IO-Link weitestgehend durchgesetzt. Jetzt wird das IO-Link-Ökosystem mit dem performanteren
IO-Link+ um eine neue Variante erweitert, die größere Leitungslängen und mehr Datendurchsatz verspricht.

IO-Link ist ein echtes Plug&Play-System zur digitalen Kommunikation mit Sensoren und Aktoren – dies wird auch die hochperformante Version IO-Link+ bieten. (Bild: ifm)
IO-Link ist ein echtes Plug&Play-System zur digitalen Kommunikation mit Sensoren und Aktoren – dies wird auch die hochperformante Version IO-Link+ bieten. (Bild: IFM)

 

IO-Link wird vor allem von Anbietern aus den Bereichen Sensorik und Automatisierung getragen. Sensorikanbieter wie IFM setzen seit Jahren konsequent auf IO-Link: Sämtliche neue Sensoren haben standardmäßig eine IO-Link-Schnittstelle. Die leistungsfähige digitale Punkt-zu-Punkt-Kommunikation basiert etwa auf dem bekannten und etablierten 3-Leiter-24-Volt-Anschluss von Sensoren und Aktoren. Im Vergleich zu einem analogen Anschluss stellt IO-Link keine weiteren Anforderungen an die Anschlussleitung, bietet aber deutlich mehr Funktionalitäten. Trotzdem ist IO-Link kein Feldbus, sondern basiert auf einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen IO-Link-Master und dem jeweiligen Sensor beziehungsweise Aktor. IO-Link ist damit die Weiterentwicklung der bisherigen, erprobten Anschlusstechnik für Sensoren und Aktoren im Feld.

IO-Link-Ökosystem im Überblick

IO-Link ist die erste, weltweit standardisierte IO-Technologie (IEC 61131-9), um mit Sensoren und auch Aktoren digital zu kommunizieren. Die Verkabelung erfolgt mit herkömmlichen Drei-Draht-Leitungen. Für die Verbindungstechnik werden M12-Steckverbinder verwendet, die aufgrund ihrer runden Bauform einfach und sicher abdichten. Damit lassen sich die im Feldeinsatz in der Regel benötigten hohen Schutzarten erreichen.
Der Anschluss der Sensoren oder Aktoren an einen entsprechenden Master in der Bauform eines E/A-Moduls und die gesamte Installation sind nach dem Plug & Play-Prinzip möglich. Dies hat den Vorteil, dass zur Inbetriebnahme keine IT-Kenntnisse notwendig sind. Der Sensor wird an den Master angeschlossen und ist ohne Adressierung sofort betriebsbereit. Viele Sensoren können direkt vor Ort mit einem Teach-In-Verfahren am Gerät oder per Software-App konfiguriert werden. Dieses in der elektrischen Automatisierungstechnik bewährte Verfahren vereinfacht die Inbetriebnahme ebenfalls. Der IO-Link-Standard ist inzwischen zu einem kompletten Ökosystem angewachsen.
Neben dem ursprünglichen IO-Link sind weitere Versionen hinzugekommen: Mit IO-Link Safety steht eine Lösung für sicherheitsgerichtete Anwendungen zur Verfügung. Auch eine drahtlose Anbindung von Sensoren mit IO-Link Wireless ist inzwischen möglich. Den verschiedenen Ausprägungen gemein ist eine einheitliche Datenstruktur in der IODD und somit Zukunftssicherheit bei Funktionsbausteinen für die SPS und weiteren Softwareanbindungen in Richtung IoT. IO-Link ist in seiner Ursprungsausprägung allerdings nicht für die Übertragung großer Datenmengen geeignet. Die Protagonisten der IO-Link-Firmengemeinschaft haben daher IO-Link+ auf den Weg gebracht, die dem Anwender eine deutlich höhere Performance bietet.

Zykluszeit zwischen 5 und 10 ms und Leitungslängen bis 100 m

Die aktuelle Weiterentwicklung verfolgt das Ziel, eine höhere Performance im Vergleich zu klassischem IO-Link zu ermöglichen. Dies betrifft zum einen die Bandbreite, die in einigen Anwendungen benötigt wird. Zum anderen werden längere Leitungslängen angestrebt, die IO-Link auch für Anwendungen einsetzbar machen, bei denen die einzelnen Sensoren weit voneinander entfernt sind. Die als IO-Link+ bezeichnete Variante ist die hochperformante Version des etablierten Standards. Das neue Protokoll IO-Link+ wird das bisherige Ökosystem aus IO-Link, IO-Link-Safety und IO-Link-Wireless ergänzen.
Die IO-Link-Firmengemeinschaft plant verschiedene Leistungsmerkmale der neuen Variante. So soll IO-Link+ in erster Linie größere Datenmengen übertragen können: Angestrebt ist eine zyklische Datenübertragung von 255 Byte, wobei gleichzeitig eine kürzere reale Zykluszeit im Bereich zwischen 5 und 10 ms erreicht werden soll. Auf diese Weise lassen sich auch Anwendungen, bei denen die Sensoren größere Datenmengen zur Verfügung stellen, mit IO-Link realisieren. Hiermit können Sensoren und Aktoren aus einer höheren Leistungsklasse, wie zum Beispiel Kamerasysteme oder frequenzgeregelte Antriebe in das IO-Link Ökosystem integriert werden. Zudem sind mit IO-Link+ Leitungslänge von 50 bis 100 m geplant.

Punkt-zu-Punkt-Architektur bleibt die Basis

Bei allen Verbesserungen in der Performance soll sich aber eine wesentliche Eigenschaft nicht ändern: Auch IO-Link+ wird auf einer einfachen Punkt-zu-Punkt-Anbindung basieren und so weiterhin ein echtes Plug & Play garantieren. Im Gegensatz zu Netzwerkarchitekturen, wie beispielsweise (Single Pair) Ethernet, ist IO-Link+, durch die physikalische Trennung von diesen, sehr sicher. Security-Maßnahmen, die bei IT-Netzwerken immer notwendig sind, können etwa entfallen, der IO-Link Master bildet die Firewall.
Noch ein weiterer Aspekt von IO-Link bleibt unverändert: Die Kommunikation vom Master an übergeordnete Systeme geschieht mit IO-Link+ wie gewohnt. Dadurch ergibt sich eine hohe Investitionssicherheit auf der Anwenderseite. Mit dem Einsatz neuer IO-Link-Mastermodule können Anwender die Vorteile nutzen, ohne dass Änderungen an den darüberliegenden Strukturen notwendig sind. Die Anbindung an eine SPS, andere übergeordnete Systeme in der Fabrik oder an Cloud-Lösungen ist dadurch genauso möglich wie bisher.

Typische Anwendungen

Die Ergänzung des IO-Link-Standards um IO-Link+ ist vor allem eine Forderung aus dem Markt. Dort gibt es einige Anwendungen, bei denen Sensoren mit IO-Link-Schnittstelle zusätzliche Informationen aufnehmen, die sich über IO-Link nur schlecht übertragen lassen. Typisches Beispiel sind RFID-Systeme. Die Schreib-Leseköpfe der Serie DTI von IFM sind beispielsweise über IO-Link an eine Auswerteeinheit angebunden. Für viele Identifikationsaufgaben reicht die Bandbreite von herkömmlichem IO-Link aus. Sollen aber größere Datenmengen übertragen werden – auf einen Standard-RFID-Tag passen etwa 8 kByte Daten – kommt das System schnell an seine Grenzen. Hier kann ein neues IO-Link+ die benötigte Bandbreite zur Verfügung stellen.
Eine ebenfalls häufig in der Logistik verwendete Anwendung ist der Einsatz von Codelesern, die unterschiedliche 1D- oder 2D-Codes auf Produkten erfassen können. Die Übertragung des ausgelesenen Codes benötigt nur wenig Bandbreite. Soll allerdings das gesamte Bild des mit der Kamera aufgenommenen Codes etwa für Diagnosezwecke übertragen werden, reicht die herkömmliche IO-Link-Bandbreite nicht aus. Notwendig sein kann dies beispielsweise bei der Parametrierung beziehungsweise der Inbetriebnahme oder bei der Fehlersuche.
Eine weitere Anwendung, die von einer höheren Bandbreite von IO-Link+ profitieren würde, ist die Vibrationsüberwachung an Maschinen, wie sie IFM mit speziellen Schwingungsmesssystemen anbietet. Hiermit lassen sich beispielsweise Lagerschäden an Antrieben frühzeitig erkennen und über IO-Link an eine übergeordnete Steuerung oder über die Moneo-Softwareplattform in die Cloud übertragen. Möglich ist bei diesen Sensoren auch eine getriggerte Übertragung der Rohdaten mit einem sogenannten BLOB-Transfer (Binary Large Object). Eine solche Datenübertragung könnte mit dem neuen IO-Link+ deutlich schneller ablaufen.


Alle Bilder: © IFM

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