Hightech auf der untersten Ebene

Der Kommunikationsstandard IO-Link wartet mit interessanten Möglichkeiten für die Automatisierungstechnik auf. Parameterdaten können einfach vom Master auf den Sensor übertragen werden und umgekehrt kann der Sensor Prozess- und Diagnosedaten an den Master liefern. Der Nutzen für den Anwender liegt auf der Hand: Installations-, Wartungs- und Servicekosten sinken und die Prozesssicherheit steigt. Die IO-Link-fähigen Sensoren von Baumer zeigen, welch enormes Potenzial in dieser Technologie steckt.

Betrachtet man sich das Ebenenmodell einer Automationsanlage, also den Weg von der Prozessvisualisierung über die Steuerung, Hubs und Gateways bis hin zu Sensoren und Aktoren, so stellt man fest, dass sich in den oberen Ebenen verschiedene Feldbussysteme zur Kommunikation etabliert haben. In der untersten Ebene wird die Kommunikation dagegen zur Einbahnstraße: Aktoren empfangen nur den Stellwert vom Master, Sensoren liefern ihren Schaltzustand als High/Low-Signal oder bei messenden Sensoren ein 4 bis 20 mA bzw. 0 bis 10 V Signal an den Master. Bei den Sensoren hat sich deshalb die 3-Leitertechnik als Standard etabliert.

Sind zusätzliche Signale wie Teach-in Eingang, Synchronisationseingang, Alarmausgang, etc. gefragt, bedeutet dies für den Sensor einen zusätzlichen Kontakt beziehungsweise einen anderen Stecker und für das signalführende Kabel eine oder mehrere zusätzliche Adern. Die Folgen sind ein größerer Aufwand in der Planung, mehr Sensor-, Kabel-, Stecker-Varianten und zusätzliche Ein- und Ausgänge auf der Masterseite und damit höhere Gesamtkosten.

Genau hier setzt der neue Kommunikationsstandard IO-Link an. Als reine Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen Master und Sensor ist es möglich, im über den Schaltausgang zusätzlich auch serielle Daten zu übertragen, ohne den beschriebenen Aufwand für Sonder-Kabel, Stecker und Ein- und Ausgänge oder oft kostenintensive Lösungen.

Ohne also auf der Anschlussseite etwas ändern zu müssen, ist es nun möglich, eine Vielzahl von zusätzlichen Daten zwischen Master und Sensor auszutauschen. So werden vom Master zum Sensor vor allem Parameterdaten übertragen. In Gegenrichtung werden dem Master Prozessdaten und bei Bedarf auch Service- und Diagnosedaten übermittelt.

Sensor-Parametrisierung von zentraler Stelle

Die beschriebene Parametriermöglichkeit eröffnet ganz neue Wege. Für das Einlernen des Tastbereichs war es beispielsweise notwendig, den Sensor per Tastendruck zuerst in den Teach-in-Modus zu versetzen, anschließend Anfang- und Endpunkt einzulernen und zum Schluss den Einlern-Vorgang zu beenden. Dieser manuelle Eingriff musste bei jedem Sensor in der Anlage wiederholt werden, auch wenn der Tastbereich jeweils identisch war. Mittels IO-Link-Modus gelingt es nun, den Tastbereich von zentraler Stelle aus dem Sensor zu übermitteln, ohne dass ein manueller Eingriff am Sensor notwendig ist.

Selbstverständlich können alle Parameter in der Steuerung gespeichert werden. Muss im Laufe des Anlagebetriebes ein defekter Sensor ausgetauscht werden, wird der Sensor anhand einer Identifikationsnummer erkannt und die entsprechenden Parameter können dem neuen Sensor automatisch von der Steuerung übertragen werden. Kürzere Wartungszeiten und damit kürzere Maschinen-Stillstandszeiten sind die lohnende Folge.

Generell ermöglichen die Parametereinstellungen, einen Sensor nahezu maßgeschneidert in unterschiedlichsten Umgebungen und Einsatzgebieten einzusetzen. IO-Link erlaubt dem Anwender so, den Sensor auf einfache Art und Weise von Hell- auf Dunkelschaltung (und umgekehrt) umzustellen, Tast- und Messbereich anzupassen sowie die Ansprechzeit des Sensors und Ein- und Ausschaltverhalten des Schaltausgangs zu definieren, oder den Betriebsmode zu ändern. Alle Parameter und Funktionen, die der Sensor zur Verfügung stellt, können auch über IO-Link einfach angesprochen werden. Der Nutzen für den Anwender liegt in der Begrenzung der Variantenvielfalt der Sensoren und somit in einer einfacheren Lagerhaltung.

Aber auch vom Sensor zum Master können mehr Informationen übertragen werden. Die Prozessdaten können wie bisher als High/Low-Signal beziehungsweise die Messwerte entsprechend als Analogsignal übertragen werden. Zudem lassen sich mittels IO-Link diese Daten auch als Datenpaket zyklisch (typischerweise 2 ms) übermitteln. Der Vorteil dieser seriellen Übertragung liegt gerade bei analogen Signalen in der höheren Störfestigkeit. Darüber hinaus lassen sich neben den genannten Daten zusätzlich Informationen vom Sensor übermitteln. So können zum Beispiel Informationen über Signalreserve, Verschmutzungsgrad des Sensors oder Alarmsignale, die mangels Ausgangskontakte vom Sensor nicht nach außen geführt wurden, dem Master zur Verfügung gestellt werden.

Diagnosefunktionen erhöhen Prozesssicherheit

Gerade diese Diagnose-Informationen haben einen hohen Mehrwert für den Anwender. Sie geben ihm Hinweise ob Prozess und Sensor stabil laufen. Dadurch hat der Anwender die Möglichkeit, frühzeitig zu reagieren und geeignete Maßnahmen zu ergreifen. Die Prozesssicherheit und somit auch die Anlagenverfügbarkeit und Produktivität werden effizient erhöht.

Bedeuten aber diese Zusatzfeatures und Informationen auch einen erhöhten Aufwand und Kosten auf der Hardwareseite? Diese Frage ist klar mit nein zu beantworten. Hinsichtlich Anschlüssen wie Kabel und Steckern wurde ja bereits dargelegt, dass eine IO- Link-Datenübertragung über ungeschirmte 3-/4-adrige Standardkabel und Stecker erfolgen kann. Auf der Masterseite müssen die IO-Ports zwar IO-Link fähig sein. Hier dürften sich aber die tendenziell höheren Preise durch den Zeitgewinn beim Einsatz mehr als kompensieren. Besonders betont werden muss dabei, dass ein gemischter Betrieb von IO-Link-fähigen und konventionellen Sensoren möglich ist. IO-Link-Sensoren und -Steuerungen können also im Zweifelsfall nur dort eingesetzt werden, wo sie ihre Vorteile auch ausspielen können. Ansonsten lassen konventionelle Varianten verwenden.

Ein Anwendungsbeispiel für den effektiven Einsatz von IO-Link ist die Abfrage des Wickeldurchmessers von Stoff-Rollen mittels eines Distanzsensors vom Typ OADM 12. Je nach Aufgabe werden unterschiedliche Rollen verwendet, und die Messbereichsgrenzen für den Wickeldurchmesser müssen dementsprechend angepasst werden können. Dank IO-Link muss dies nicht mehr manuell mittels Teach-in durchgeführt werden, sondern die neuen Werte können zentral von der Steuerungssoftware auf den Sensor geschrieben werden.

Der OADM 12 wiederum beliefert den Master mit zusätzlichen Informationen. Da der Sensor der hohen Staubbelastung in dieser Anwendung ausgesetzt ist und sich dieser auf der Frontscheibe absetzt, wird sich die Signalreserve mit der Zeit verkleinern. In Folge wird es zur Fehlfunktion des Sensors, und somit zum Stillstand der Maschine führen. Genau dieses Problem wird mit IO-Link abgedeckt. Der Sensor alarmiert den Master frühzeitig und gibt dem Anwender dadurch die Möglichkeit zu reagieren, bevor es zum kostenträchtigen Maschinen-Stillstand kommt.

Ein weiteres Beispiel ist die Anwesenheitskontrolle von Tabletten mit mehreren optischen Sensoren vom Typ FHDK 04. Für einfache Logikverknüpfungen hat der Anwender die Möglichkeit, die Sensoren per IO-Link vom Master aus von Hell- auf Dunkelschaltung oder auch umgekehrt umzuschalten. Auch die Schaltimpulslänge des Ausgangssignals kann angepasst werden. Arbeitet die Maschinensteuerung beispielsweise mit einer Abtastrate, die langsamer ist als der Impuls des Sensors beim Detektieren eines Objektes, kann ein Objekt unter Umständen nicht erkannt werden. Per IO-Link kann die Schaltimpulslänge auf den gewünschten Wert angepasst, und das Problem dadurch eliminiert werden. Durch eine Einschaltverzögerung des Impulses ist außerdem auch das Ausblenden von Objekten unterhalb der gewünschten Größe möglich.

Auch aus dem Bereich Ultraschallsensorik gibt es ein Anwendungsbeispiel, bei dem IO-Link seine Vorteile ausspielen kann: Für eine zuverlässige Distanzmessung, unabhängig von Farbe und Oberflächenbeschaffenheit, beispielsweise zur Vorpositionierung eines Greifers, bietet sich der Einsatz von Ultraschallsensoren der Serie Sonus an. Bei einem analogen Sensor wird der Messwert digital im Mikrocontroller ausgewertet und dem Anwender als analoges Signal (4 bis 20 mA bzw. 0 bis 10 V) zur Verfügung gestellt. Die Maschinensteuerung muss dieses Signal dann wieder digital umwandeln, um damit rechnen zu können. Mit IO-Link steht dem Anwender der Messwert auch direkt als digitales Signal zur Verfügung. Der Vorteil ist, dass die Übertragung von digitalen Signalen weniger störanfällig ist als die von analogen Signalen. Sowohl auf abgeschirmte Kabel als auch auf kostenintensive Analogeingangskarten bei der Steuerung kann daher verzichtet werden. Darüber hinaus kann über IO-Link das Schaltfenster an die Objektgeometrien angepasst, und die Empfindlichkeitseinstellungen des Sensors, schnell und einfach verändert werden.

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