Konnektivität Der richtige Kommunikationsstandard für Sensoren

Ein erhöhtes Maß an Konnektivität und Kontrolle in der Fabrik läutet das ein, was man – nach der Einführung der Dampfmaschinen, der Fließbandfertigung und der frühen Automatisierung – als die vierte industrielle Revolution bezeichnet.

Diese neue Entwicklung bringt eine intensivierte Kommunikation von Maschine zu Maschine mit sich, mit einer exponentiellen Zunahme der Datenmengen, der Bandbreite und der Vernetzung. Das Resultat sind »Smart Factorys« – intelligente Fabriken, die auf allen Ebenen durch eine reaktionsschnellere Automatisierung gekennzeichnet sind.

Auch wenn es die großen Systeme wie etwa Roboter und koordinierte Fertigungsstraßen sind, die die allgemeine Aufmerksamkeit auf sich ziehen, wäre die von ihnen bewirkte Automatisierung nicht möglich ohne die Sensoren und Aktoren, die mit den für den Betrieb der Produktionslinien eingesetzten speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) kommunizieren.

Oftmals sind die lokal und aus der Ferne agierenden Sensoren und Aktoren wesentlich zahlreicher als die von ihnen unterstützten komplexen Systeme. Um die vielschichtigen Anforderungen von Systemen jeglicher Größe zu erfüllen, bedarf es somit einer Optimierung der Kommunikation in der Fabrik.

Protokolle, die Ethernet an den industriellen Einsatz anpassen, haben es in Fabriken als Feldbusse zu großer Verbreitung gebracht. Neben anderen Eigenschaften, die für die automatisierte Fertigung benötigt werden, bieten solche Industrial-Ethernet-Protokolle wie zum Beispiel EtherCAT und Profinet eine hohe Bandbreite, große Übertragungsdistanzen, geringe Latenz und eine deterministische Datenzustellung. Abgesehen davon lassen sich die auf diesen Standards basierenden Feld-Netzwerke einfach in die größeren Datennetze einer Fabrik einbinden und mit dem Internet verbinden.

Für Sensoren und Aktoren allerdings ist Industrial Ethernet häufig zu robust und leistungsfähig. Diese Systeme sind besser mit einer Punkt-zu-Punkt-Kommunikation bedient als mit einem Feldbus, zumal ihr Bandbreitenbedarf normalerweise gering ist. Eine innovative Lösung gibt es hier in Gestalt von IO-Link, einem bidirektionalen Kommunikationsprotokoll auf der Basis standardmäßiger Verkabelungen und physischer Verbindungen. IO-Link kann nicht nur Daten auf effiziente Weise aus der Fabrikhalle an die SPS übertragen, sondern unterstützt auch verbesserte Setup-, Diagnose- und Instandhaltungs-Verfahren und ergänzt die bestehende Feldbus-Verkabelung.

Das sich IO-Link und Industrial Ethernet also ergänzen, ist es für Designer vernetzter Fabriksysteme sinnvoll, über die Zusammenarbeit beider Standards Bescheid zu wissen. Dieser Beitrag erläutert die Unterschiede zwischen beiden Techniken und stellt die Palette der von Texas Instruments (TI) angebotenen Lösungen vor, die beim Design industrieller Kommunikationsstrukturen hilfreich sein können. TI bietet ein umfangreiches Portfolio an Produkten an, die die Kommunikation im Allgemeinen sowie insbesondere die industrielle Kommunikation (Bild 1) unterstützen.

Einige Lösungen des Unternehmens, die eigens auf die industrielle Automatisierungstechnik zielen, wurden auf der Basis von Know-how realisiert, das aus langjährigen Geschäftsbeziehungen mit Kunden resultiert. Mit seinen Stärken im Bereich der Fertigungstechnik und seiner fundierten Designunterstützung kann TI den Entwicklern industrieller Systeme helfen, den Anforderungen der heutigen intelligenten Fabriken gerecht zu werden.

IO-Link für geringe Bandbreiten

Als grundlegendste Elemente der Automatisierung dienen Sensoren und Aktoren dazu, die Informationen in die vernetzten Systeme einzuspeisen und – angestoßen von Instruktionen aus diesen Systemen – Aktionen auszuführen. Traditionell erfolgte der Anschluss dieser Elemente an die entsprechenden Systeme mit Schnittstellen, die nur in begrenztem Umfang intelligent waren, sodass nur wenig oder gar keine Konfigurations- und Diagnoseinformationen ausgetauscht wurden. Die Installation eines neuen Elements erfordert hier die manuelle Konfiguration am Einsatzort, und ohne Diagnosefunktionen ist eine vorausschauende Just-in-Time-Instandhaltung nicht möglich.

IO-Link (IEC 61131-9) ist ein Protokoll auf der Basis eines offenen Standards, das der Forderung nach einer intelligenten Steuerung kleiner Geräte wie etwa Sensoren und Aktoren nachkommt. Dementsprechend richtet dieser Standard eine langsame, serielle Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen einem Gerät und einem Master ein. Letzterer fungiert dabei normalerweise als Gateway zu einem Feldbus und einer SPS. Die so geschaffene intelligente Verbindung erleichtert die Kommunikation für den Datenaustausch sowie zu Konfigurations- und Diagnosezwecken.

Eine IO-Link-Verbindung wird mit einem bis zu 20 m langen, ungeschirmten dreiadrigen Kabel eingerichtet, das an beiden Seiten M12-Steckverbinder besitzt. Die Datenraten betragen bis zu 230 kBit/s mit einer nicht-synchronen Mindest-Zykluszeit von 400 µs ±10 %. Vier Betriebsarten unterstützen die bidirektionale Ein- und Ausgabe (I/O), die digitale Eingabe, die digitale Ausgabe und die Deaktivierung. Schutzmechanismen und eine deterministische Datenzustellung sind nicht spezifiziert. Ein als IO Device Description (IODD) bezeichnetes Profil umfasst Kommunikationseigenschaften, Geräteparameter, Identifikations-, Prozess- und Diagnosedaten sowie geräte- und herstellerspezifische Informationen.

Zu den zahlreichen Vorteilen eines IO-Link-Systems gehören die standardisierte Verkabelung, die gesteigerte Datenverfügbarkeit, die Möglichkeit der Fernüberwachung und -konfiguration, der einfache Austausch von Geräten und die fortschrittliche Diagnose. IO-Link gibt Fabrikleitern die Möglichkeit, Sensor-Updates zu erhalten und bevorstehende Instandhaltungs- oder Austauschmaßnahmen zu planen. Das Ersetzen einer Sensor- oder Aktoreinheit und das Konfigurieren der neuen Einheit von der SPS aus über den IO-Link-Master kommt ohne manuelle Einrichtarbeiten aus und führt zu kürzeren Stillstandszeiten.

Das aus der Ferne und ohne Aufsuchen der Fabrik erfolgende Umschalten der Produktion von einer Konfiguration zur anderen vereinfacht außerdem die kundenspezifische Anpassung der Produkte. Die Fertigungslinien in den Fabriken lassen sich problemlos auf IO-Link aufrüsten, da es abwärtskompatibel zu bestehenden, standardmäßigen I/O-Installationen und Verkabelungen ist. Gemeinsam führen all diese Eigenschaften zu niedrigeren Gesamtkosten, effizienteren Prozessen und einer höheren Maschinenverfügbarkeit.

Industrial Ethernet als Rückgrat der intelligenten Fabrik

Industrial Ethernet hat in den letzten Jahren seinen Nutzen in hochgradig automatisierten Fabriken unter Beweis gestellt und sich zum bevorzugten Standard für große Feldnetzwerke entwickelt, die komplexe Systeme, SPS und Gateways für die Kommunikation mit externen Netzwerken enthalten. Vorteile wie die hohen Übertragungsraten, einheitliche Schnittstellen und große Übertragungsdistanzen haben dafür gesorgt, dass Ethernet im Bereich der Datennetzwerke allgegenwärtig ist.

Hinzu kommt, dass bei Industrial Ethernet ein modifizierter MAC-Layer (Media Access Control) zur Anwendung kommt, der eine deterministische Datenzustellung mit geringer Latenz sowie Unterstützung für zeitgetriggerte Ereignisse bietet. Die Unterstützung von Ring- und Sterntopologien neben den traditionellen linearen Verbindungen bürgt für Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit im Fall von Kabelunterbrechungen.

Es handelt sich bei Industrial Ethernet übrigens nicht um eine einzige Spezifikation, sondern um eine große Gruppe unterschiedlicher Protokoll-Implementierungen, hinter denen verschiedene Hersteller von Industrieausrüstungen stehen und die für die Implementierung in Feld-Applikationen vorgesehen sind. Als populäre Protokolle sind unter anderem EtherCAT, Profinet, Ethernet/IP, Sercos III und CC-Link IE Field zu nennen.

Profinet und EtherCAT als die beiden meistverwendeten Protokolle illustrieren, wie sich die verschiedenen Industrial-Ethernet-Varianten sowohl untereinander als auch von IO-Link unterscheiden. Beide sind für eine Übertragungsrate von 100 MBit/s und Distanzen bis zu 100 m spezifiziert. Bei Profinet muss die Stromversorgung unabhängig von der Stromversorgung über das Datenkabel erfolgen, während es EtherCAT in einer besonderen Version (EtherCAT_P) gibt, bei der Stromversorgung und Datenübertragung dasselbe Kabel nutzen.

Profinet unterstützt die Vollduplex-Kommunikation und kann Pakete an alle Knoten im Netzwerk senden. Außerdem bietet das Protokoll drei Klassen, mit deren Hilfe der Anwender eine Anpassung an die vom Netzwerk geforderte Performance vornehmen kann. Im Gegensatz dazu wird bei EtherCAT ein geteilter Frame, in den alle Slaves ihre Daten einfügen, in einer Richtung über das Netzwerk abgeschickt. Das Konzept sorgt für extrem kurze Übertragungszeiten.

Sowohl Profinet als auch EtherCAT weisen kürzere Zykluszeiten als IO-Link und eine deutlich geringere Toleranz auf. Beide gründen ihr Timing auf die Netzwerk-Synchronisation und nicht auf den Beginn der Kommunikation, wie es bei IO-Link der Fall ist. Zusätzliche Protokolle sorgen für die funktionale Sicherheit der Verbindungen. Industrial-Ethernet-Protokolle bieten allgemein eine Reihe von Diensten zur Vereinfachung der Integration in eine Automatisierungs-Umgebung.

Während die meisten Sensoren nicht auf die robuste Feature-Ausstattung einer Industrial-Ethernet-Verbindung angewiesen sind, gibt es eine wichtige Ausnahme von dieser Regel: die Bildsensoren. Die enormen Datenmengen, die von einer Videokamera erfasst werden, sind ein hinreichender Beweggrund für die Verwendung einer Verbindung, die eine höhere Datenrate bietet als IO-Link. Bildsensoren, gelegentlich aber auch Sensorik anderer Art, können essenzielle Eingangsdaten für Echtzeit-Prozesssteuerungen liefern und deshalb die deterministische Zustellung von Industrial Ethernet benötigen.

Ein Beispiel sind Time-of-Flight-Anwendungen, die die dreidimensionalen Bewegungen eines Objekts verfolgen und antizipieren. Eine typische Reaktion wäre es, einen Roboterarm so zu bewegen, dass er das Objekt abfängt. IO-Link mag genug Geschwindigkeit und Auflösung mitbringen, um in solchen Anwendungen eine begrenzte Präsenzerkennung zu ermöglichen, doch erst Industrial Ethernet bietet eine hinreichende Bandbreite und eine genügend geringe Latenz, um bestimmte Eigenschaften des Objekts und des ihn umgebenden Raums zu ermitteln. Mit Kamera-Feeds per Gigabit Ethernet kann sich ein noch höheres Identifikationsniveau realisieren lassen, jedoch wurden die hier besprochenen Industrial-Ethernet-Protokolle noch nicht für diese Übertragungsraten spezifiziert.