Das USB für Sensoren

IO-Link ist die erste, weltweit standardisierte IO-Technologie (IEC 61131-9) für die Kommunikation mit Sensoren und AktorenIO-Link ist kein Feldbus, sondern eine leistungsfähige Punkt-zu-Punkt-Kommunikation.

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

Die von Pepperl+Fuchs entwickelte SmartBridge®-Technologie öffnet IO-Link auch für mobile Endgeräte wie Tablets und Smartphones. Diese werden dadurch zu komfortablen mobilen Bedieneinheiten.

Immer mehr Sensor-Schnittstellen

Mit gerätegebundenen Einstell- oder auch Anzeige-Elementen wie Potentiometern, Folientastern oder LCD-Anzeigen lassen sich solche Parametrieraufgaben nur unbefriedigend lösen. Solche Elemente sind im eingebauten Zustand oft schwer oder gar nicht erreichbar und die Einstellwerte wären nur im Sensor gespeichert. Jede Dokumentation bedeutet zusätzlichen Aufwand und wird daher oft vernachlässigt. Bei einem Gerätetausch muss die Parametrierung erneut vorgenommen werden.

Eine Alternative dazu ist eine zusätzliche Parametrierschnittstelle, an die ein Rechner angeschlossen wird. Auf diesem kann mittels Software eine komfortable Bedienoberfläche aufgebaut werden. Nachteilig sind der zusätzliche Aufwand und Platzbedarf für die Parametrierschnittstelle am Sensor und die nicht standardisierte Datenübertragung zum Rechner, meist mit proprietären Protokollen und speziellen Programmen und daher nicht herstellerübergreifend. Eine weitere Herausforderung im Zusammenhang mit Sensoren ist die von den Anwendern geforderte Schnittstellen-Vielfalt. Sie kann eine Vielzahl an Varianten eines Sensortyps erforderlich machen. Analogsignale verursachen Zusatzaufwand, da zu ihrer Übertragung meist geschirmte Leitungen verwendet werden müssen.

In alle Opto-Sensoren der Produktfamilien R100, R101 und R103 wurde IO-Link-Konnektivität integriert.

IO-Link Protokoll

Eine Lösung für solche Herausforderungen ist IO-Link. Das Protokoll wurde von einem Konsortium namhafter Sensor-, Aktor- und Steuerungshersteller spezifiziert; mittlerweile sind mehr als 100 Firmen IO-Link-Mitglieder. In der IEC 61131-9 ist das Übertragungsprotokoll standardisiert. Es beschreibt die voll-digitale Übertragung aller zyklischen und azyklischen Daten von und zu Feldgeräten. Die Eigenschaften von IO-Link Geräten werden mit XML-Dateien namens IODD („IO Device Description“) beschrieben. Für jeden Gerätetyp existiert eine solche Datei. Sie kann auch mehrere Sprachvarianten enthalten. Auf den IODDs basierende komfortable Engineering-Tools können durch Nachladen oder Aktualisieren auf dem neuesten Stand gehalten werden. Sie ermöglichen die übersichtliche Projektierung von Systemen.

Volle Abwärtskompatibilität gewährleisten das Aufsetzen auf die in EN 60947-5-2 genormte Standard-Verkabelung sowie der SIO-Modus, 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. So erlauben es z. B. die Konfigurations-Möglichkeiten von IO-Link, auf derselben Hardwarebasis unterschiedliche Varianten eines Feldgerätes mittels Offline-Parametrierung abzubilden und so die Vielfalt deutlich zu reduzieren.

Im IO-Link-Modus kann die Parametrierung der Feldgeräte komplett von der Steuerungsseite aus erfolgen. Die zentrale Haltung der Einstellwerte ermöglicht eine systematische Datensicherung und ein automatisches Einspielen nach dem Austausch eines Feldgerätes. Dank der komplett digitalen Datenübertragung z.B. von Sensor-Messwerten kann auch hierfür die Standard-Verkabelung verwendet und auf geschirmte Leitungen verzichtet werden.

Produktfamilie R10x

Pepperl+Fuchs sieht in IO-Link so entscheidende Vorzüge, dass neue Entwicklungen inzwischen generell mit IO-Link-Schnittstellen ausgerüstet werden. Zur Generation Sensorik 4.0® gehört z. B. die Baureihe R10x, eine Plattform von 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.

SmartBridge®

Die von Pepperl+Fuchs entwickelte SmartBridge®-Technologie öffnet IO-Link auch für mobile Endgeräte wie Tablets und Smartphones. Diese werden dadurch zu komfortablen mobilen Bedieneinheiten. Das System besteht aus einer Schnittstelle und einer Mobilgeräte-App. Das kompakte IO-Link-Bluetooth-Interface kann dank 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 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 Speicherkatze kann der IO-Link-Datenverkehr mit Zeitstempeln in µs-Auflösung 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. Zur Verfügung stehen eine tabellarische Ansicht und eine grafisch unterstütze Darstellung der Prozessdaten. 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 automatisch aus dem Internet geladen, so dass die SmartBridge®-App auch für zukünftige IO-Link Geräte verwendbar bleibt und quasi „mitwächst“.

Auf zu Industrie 4.0!

Für die Kommunikationsfähigkeit aller beteiligten Komponenten als wesentliches Merkmal von Industrie 4.0 sind herstellerübergreifende Standards gefragt. Für Sensoren oder Aktoren bedeutet dies, nicht nur mit einer übergeordneten Steuerungseinheit, sondern auch mit anderen Einheiten des Systems unabhängig vom Fabrikat direkt kommunizieren zu können. 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 ohne Zusatzaufwand möglich, zusätzlich zu den eigentlichen Prozessdaten Diagnosesignale von den Feldgeräten zu übertragen. So kann Condition Monitoring auf einfachste Weise realisiert werden. Die Zukunft hat schon begonnen.