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IO-Link steigert Gesamtanlageneffektivität

In der industriellen Produktion stellt die Gesamtanlageneffektivität (GAE) eine Bewertungszahl für die Wertschöpfung einer Produktionsanlage dar. Die GAE einer Anlage ist definiert als das Produkt der drei Faktoren Verfügbarkeit, Leistung und Qualität. Um einen Beitrag zur Suche nach neuen Strategien und Technologien zur Steigerung der GAE-Rechnung zu liefern, analysiert der vorliegende Artikel die Potentiale, die sich künftig im Bereich der Netzwerkanbindung von Sensoren und Aktoren mit Hilfe von IO-Link als neuer Technologie zur Anbindung von Sensoren und Aktoren an die Betriebsleitungsebene bieten.

Immer noch sind auf dem Gebiet der industriellen Automatisierungstechnik eine Vielzahl von Sensoren und Aktoren über etliche ein-, mehradrige, geschirmte sowie ungeschirmte Leitungen, Reihenklemmen, Steckverbinder, Anschaltbaugruppen, Gateways und E/A- Baugruppen mit der Leitebene verbunden. Aus diesem Grund bieten sich künftig im Bereich der Netzwerkanbindung von Sensoren und Aktoren umfangreiche Möglichkeiten zur Kostensenkung bei gleichzeitiger Produkti-vitätssteigerung. Ausgehend von einer in den letzten Jahren zunehmend komplexer und intelligenter gewordenen Sensorik und Aktuatorik, welche nicht nur Prozessdaten ausgeben, sondern auch Diagnosedaten zur Verfügung stellen und über Parameterdaten umfangreich konfiguriert werden kann, haben die führenden Hersteller von Sensorik und Automatisierung daher den IO-Link-Standard gemeinsam ins Leben gerufen und verabschiedet.

Nach einer kurzen Einführung von IO-Link analysiert dieser Beitrag die Potentiale zur Steigerung von Verfügbarkeit, Leistung und Qualität, die ein standardisierter Datenaustausch mittels IO-Link schaffen kann. Abschließend wird anhand von zwei IO-Link-Produkten die applikative Seite von IO-Link unter Betrachtung einer einfachen Integration in bestehende und zukünftige Systeme dargestellt. Die beiden funktional und räumlich integrierten Lösungen für die Master- und Slave-Seite zur Anbindung an ein IO-Link-Netzwerk mit ihren funktionalen Eigenschaften stehen hierbei im Mittelpunkt.

Renesas 

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Bild 1. IO-Link-Technologie in der Automatisierungs-Hierarchie.

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Bild 1. IO-Link-Technologie in der Automatisierungs-Hierarchie.

IO-Link im Überblick

Konzeptionell definiert die IO-Link-Technologie eine generische Schnittstelle für die Anbindung digitaler und analoger Sensoren und Aktoren über einen Master an einen Feldbus, wobei der Master zusätzlich noch Gateway-Funktionalität übernehmen kann und damit auf dem Feldbus als E/A-Modul fungiert. Mit Hilfe der IO-Link-Master-Funktionalität werden damit die E/A-Module im Feldbus-System abgebildet. In Bild 1 ist die Positionierung der IO-Link-Technologie in der Hierarchie industrieller Netzwerke dargestellt.

Wie in Bild 1 ersichtlich ist, sind alle Controller über einen Feldbus mit der SPS/Host oder dem Parameter-Server verbunden. IO-Link selbst ist als Master-Slave-System definiert, in welchem die Steuerungs-Ebene (IO-Link-Master) mit den Sensoren und Aktoren (IO-Link-Slaves) verbunden ist. In diesem Netzwerk erkennt der IO-Link-Master alle angeschlossenen Slaves und verwaltet die Verbindungen entsprechend.

Auf der untersten Ebenen ist die IO-Link-Topologie eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung vom Master zum Slave unter Verwendung eines dreiadrigen Kabels für Verbindungslängen bis zu 20 Metern. Im Gegensatz zu klassischen Feldbussen ist IO-Link kein Bussystem, sondern eine Parallelverdrahtung. Aufgrund der angestrebten Rückwärtskompatibilität wurde das standardisierte und robuste 24-V-DC-Signal verwendet, welches auch in der IEC 61131-2 spezifiziert ist.
Die Kommunikation erfolgt über ein pulsmoduliertes Signal, basierend auf einem Standard-UART. Die Datenkommunikation selbst findet mit einer Übertragungsrate von 4,8 kbit/s, 38,4 kbit/s oder 230,4 kbit/s statt. Die typische zyklische Datenübertragungszeit für Prozessdaten bei IO-Link beträgt 2 ms.

Quelle: IO-Link-Interface 

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Bild 2. Objekt-Transfer auf der Applikations-Ebene.

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Quelle: IO-Link-Interface

Bild 2. Objekt-Transfer auf der Applikations-Ebene.

Auf der Anwendungsebene (Bild 2) unterscheidet IO-Link zwischen Prozessdaten, Parameterdaten (Read/Write-Objekte) und Ereignissen (Fehlern, Warnungen, Notifications). Prozessdaten werden üblicherweise zy-klisch übertragen. Parameterdaten und Ereignisse werden hingegen nur auf Anforderungen hin azyklisch übertragen. Diese Erweiterung der vormals ausschließlich vorhandenen Prozessdaten auf Diagnose- und Konfigurationsdaten ist eine der Schlüsselinnovationen von IO-Link zur Steigerung der GAE.

Aus Protokollsicht definiert der IO-Link-Standard verschiedene Datenpakete, die die jeweils unterschiedlich zu übertragenden Informationen repräsentieren. Zum Beispiel haben Diagnosedaten ein anderes Format als Prozessdaten. Die Kommunikation zwischen dem Master und einem Slave ist eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, wobei der Master eine Nachricht an den Slave sendet, die der Slave beantwortet. Dieser konfiguriert die Daten in einem vorgegebenen Rahmenformat und generiert eine Checksumme bestehend aus 6bits, die je nach Rahmentyp in die Ausgangsdaten eingebaut werden. Der Empfang von Daten erfolgt in umgekehrter Reihenfolge, wobei ein Teil der Datenintegrität via Checksumme festgestellt und angezeigt wird.

Somit können Parameterdaten direkt von der SPS-Ebene bis auf die Sensor-/Aktorebenen und Diagnosedaten umgekehrt mit Hilfe von IO-Link bis auf die SPS-Ebene kommuniziert werden. Diese Eigenschaften resultieren in einem Beitrag zur konsistenten Parameterverwaltung und entsprechenden Unterstützung bei der Wartung von verteilten Automatisierungssystemen.

1. Teil: IO-Link steigert Gesamtanlageneffektivität
2. Teil: Potentiale von IO-Link zur Steigerung der GAE