Die Bandbreite der Sensorik reicht vom einfachen induktiven Näherungsschalter mit Binärausgang über das kaum überschaubare Mittelfeld von parametrierbaren intelligenten Geräte für die unterschiedlichsten Einsatzzwecke bis hin zu komplexeren Systemen wie Vision Sensoren und Laserlichtschnittsensoren. Fast ebenso groß ist die Vielfalt der heute gebräuchlichen Schnittstellen: Neben Schaltausgängen in Relais- und Transistortechnik verschiedener Polaritäten und Schaltlogiken in 2-Draht-, 3-Draht, 4-Draht-Technik gibt es analoge Spannungs- und Stromschnittstellen mit 0...10 V bzw. 4...20 mA, die seriellen Standards RS232, RS422 und RS485 sowie digitale auf Ethernet basierende Interfaces. Im oberen Bereich verläuft die Grenze fließend zu Feldbussen wie Profibus, Interbus und Industrial Ethernet, die jedoch keine typischen Sensorschnittstellen mehr darstellen, abgesehen vom Aktuator-Sensor-Interface (AS-i).

Gemeinsame Schnittstelle für alle Daten

Mit einem einzigen Schnittstellentyp wird man auch in Zukunft nicht alle Anforderungen abdecken können, aber die vorhandene Vielfalt lässt sich mit Hilfe von IO-Link recht einfach auf wenige Standards reduzieren. Die Ausrichtung von IO-Link zielt genau auf das breite Mittelfeld der Sensoren, die derzeit z.B. neben einem oder mehreren Schalt- oder Analogausgängen mit 0...10-V-Spannungssignal oder der 4...20-mA-Stromschleife noch eine Parametrierschnittstelle benötigen. Hierzu dienen häufig noch immer zusätzliche serielle Anbindungen über RS232 oder RS422. Eine Konzentration ist daher längst überfällig, indem für Nutzdaten, Online-Parametrierung, Online-Diagnose usw. ein und dieselbe Schnittstelle auf Basis eines einzigen Standards zum Einsatz kommt.

Bei der Einführung von IO-Link wurde teilweise der Eindruck vermittelt, dass das System als weiterer Feldbus etabliert werden soll, worauf sich die anfängliche Zurückhaltung des Anwenderkreises zurückführen lässt. Dies ist keineswegs der Fall. Vielmehr dient IO-Link als digitale serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung zur Überbrückung der letzten Meter zwischen Sensoren/Aktuatoren und Steuerungen bzw. Busanschaltungen. Das System ist konsequent unterhalb von Kommunikationsnetzen angesiedelt, sodass die bestehenden Topologien erhalten bleiben. IO-Link ist in der IEC 61131-9 standardisiert, was für Herstellerunabhängigkeit sorgt und die Kompatibilität zwischen den Geräten unterschiedlicher Marktteilnehmer garantiert. So sind Investitionen geschützt und eine Kontinuität der Spezifikation sichergestellt. Mit Hilfe von IO-Link bietet sich die Gelegenheit, künftig über nur drei herstellerübergreifende Standardschnittstellen Anschaltlösungen für Sensoren aller Leistungsklassen zu realisieren. Unterhalb von IO-Link angesiedelt ist der binäre Sensor mit einfachem kostengünstigem Schaltausgang. Der größte Teil der Sensoren im Industriebereich gehört zu dieser Geräteklasse. Als Standard hat sich hier nahezu weltweit, auch bei den Herstellern von Steuerungen, das 24-V-Spannungsniveau etabliert, das über eine PNP-Endstufe auf einen Open-Collector-Ausgang geschaltet wird. Lediglich in den USA und Japan findet man noch teilweise eine entsprechende NPN-Variante. Bedarf oberhalb der Leistungsfähigkeit von IO-Link besteht nur für wenige Sensorkategorien. Dazu zählen beispielsweise Vision-Sensoren, die regelmäßig große Datenmengen wie komplette Bildinhalte zu Leitständen und Steuerungen zu übertragen haben. Mit seiner hohen Bandbreite eignet sich hierfür Ethernet bzw. eine der Industrial-Ethernet-Varianten ideal, was in der Praxis durch die zunehmende Ausstattung solcher Geräte mit Ethernet-Anschluss bestätigt wird.

Intelligente Sensoren finden (endlich) Anschluss

Als Zielgruppe für IO-Link bleibt das große Feld von Sensoren mittlerer Komplexität übrig, das zurzeit einer dynamischen Weiterentwicklung unterworfen ist, mit nicht absehbarem Ende. Der Grund dafür liegt in der Verfügbarkeit von immer mehr Mikrocontroller-Leistung zu immer weniger Kosten. Der Preis für typische Ein-Chip-Lösungen liegt, je nach Komplexität, inzwischen bei wenigen Euros und reicht hinunter bis in den Cent-Bereich, sodass es kaum noch ein finanzielles Hindernis gibt, Sensoren mit einem Controller auszustatten.

Solche mit Eigenintelligenz aufgewerteten Geräte haben in den letzten Jahren hinsichtlich Funktionsvielfalt und Flexibilität eine kleine Revolution ausgelöst. Rechenleistung dient längst nicht mehr allein der Signalaufbereitung, sondern verleiht den Sensoren immer mehr zusätzliche Funktionen, von denen die Anwender in vieler Hinsicht profitieren. Die Geräte liefern Informationen über Betriebs- und Schaltzustände, ermöglichen Online-Parametrierung und Online-Diagnose, stellen clevere Benutzerinterfaces zur Verfügung, lernen auf Knopfdruck bequem Grenzwerte ein (Teach-In) und vieles mehr.

Dass diese Entwicklung noch längst nicht abgeschlossen ist, zeigt auch der aktuelle Trend nach dem Motto „Messen statt Tasten" aus der Optoelektronik. Demnach kommen auch dort vermehrt abstandsmessende Lichtschranken und Lichttaster zum Einsatz, wo aus konventioneller Sicht z. B. ein Schaltsignal als Information über eine Objektanwesenheit ausreichen würde. Der kleine aber feine Unterschied der zusätzlichen Abstandsinformation kann in bestimmten Situationen Fehldetektionen und Fehlschaltungen verhindern und bringt Anlagen wieder ein Stück näher an die Null-Fehler-Produktion heran. Die teils Jahrzehnte alten analogen und digitalen seriellen Schnittstellenstandards konnten und können mit dieser rasanten Entwicklung nicht Schritt halten.

Viele der Sensoreigenschaften werden so mangels einer kostengünstigen und leistungsfähigen Anbindung an die Steuerung derzeit nicht genutzt und liegen brach, obwohl in vielen Betrieben und Branchen hoher Rationalisierungsbedarf besteht. Die parallele Nutzung mehrerer herkömmlicher Schnittstellen für das Sensorsignal und für die intelligenten Zusatzfunktionen ist teuer und un-attraktiv. Doppelter Aufwand für doppelte Verkabelungen und zusätzliche serielle Ein/Ausgabekanäle auf Seiten der Steuerung lässt die Vorteile schnell wieder dahinschmelzen. Die Antwort auf alle diese Probleme und Fragestellungen kann daher nur IO-Link lauten. Der Markt hat kein alternatives oder gar vorteilhafteres Konzept in petto.

Kostengünstig, praxistauglich und migrationsfreundlich

Während die herkömmlichen analogen Schnittstellen verhältnismäßig teure abgeschirmte Kabelverbindungen erfordern, reicht für die Punkt-zu-Punkt-Verbindung über IO-Link ein ungeschirmtes Dreileiterkabel aus. Die digitale Schnittstelle unterstützt Übertragungsraten von 4,8 KBaud, 38,4 KBaud und 230,4 KBaud und verwendet den 24-V-Pegel. Die Zykluszeiten bei der Übertragung von 16-Bit-Werten mit der mittleren Geschwindigkeit von 38,4 KBaud liegen bei typisch 2 ms, die Kabellängen pro Sensor dürfen bis zu 20 m betragen. Da bei Analogwerten eine Digitalisierung der Messwerte bereits im Sensor stattfindet, kann das Signal während der Übertragung nicht mehr verfälscht werden bzw. ist durch das Protokoll gesichert und wird gegebenenfalls nochmal übertragen.

Zu IO-Link ist eine sanfte Migration möglich, da es volle Abwärtskompatibiliät zum binären Schaltausgang bereitstellt. So lässt sich sowohl ein IO-Link-Sensor problemlos an einem herkömmlichen digitalen Steuerungseingang betreiben, als auch umgekehrt ein vorhandener Binärsensor mit PNP-Schaltausgang an einen IO-Link-Eingang anschließen; sogar Mischbetrieb wird unterstützt. Diese Eigenschaften zusammen mit der kostengünstigen Implementierung im Sensor machen IO-Link zum Übertragungsstandard der Zukunft.

Die Parametrierung von IO-Link-Sensoren gestaltet sich aufgrund der mit jedem Gerät ausgelieferten Gerätebescheibungsdatei IODD (IO Device Description) sowie der Parametrierschnittstelle DTM (Device Type Manager) einfach und komfortabel. Das gilt sowohl bei manueller Parametrierung mit Hilfe eines PCs und eines kleinen Adapters, als auch für eine zentrale Konfiguration und Verwaltung über die Steuerung. Komplette Parametersätze lassen sich nicht nur speichern und zurückschreiben, sondern auch klonen und auf andere Sensoren übertragen. Idealerweise integrieren SPS-Hersteller in Zukunft den erforderlichen IO-Link-Master zum Anschluss dieser Sensoren standardmäßig in ihre Hardware. Die Kosten für IO-Link-Sensoren und Steuerungseingänge werden sich in Kürze auf demselben Niveau wie die heutigen konventionellen Standardpendants einpendeln.

DER AUTOR Dr. Peter Adolphs ist Geschäftsführer Entwicklung und Marketing bei Pepperl+Fuchs GmbH in Mannheim ( www.pepperl-fuchs.de )