IO-Link:Überwindung von Engpässen in der industriellen Automatisierung

Industrie 4.0 basiert auf hochgradiger Automatisierung und bidirektionalen Datenflüssen in Echtzeit zwischen Steuerungen und Feldgeräten. Intelligente Sensoren und Aktoren – mittlerweile allgegenwärtig – haben das IO-Link-Protokoll hervorgebracht, eine standardisierte Möglichkeit für die Kommunikation dieser Geräte innerhalb industrieller Automatisierungssysteme.

In der Vergangenheit waren Feldgeräte parallel verdrahtet, ein Aufbau, der unflexibel, kostspielig und schwer zu skalieren war. Feldbustechnologien verbesserten die Situation, erforderten jedoch immer noch eine Abschirmung und boten niedrige Signalpegel. IO-Link beseitigt diese Schwachstellen, indem es eine einfache, schirmlose Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle bereitstellt, die sich nahtlos in bestehende Feldbusnetzwerke integrieren lässt.

Laut Future Market Insights wird der globale IO-Link-Markt voraussichtlich von 48,3 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 auf 73,1 Milliarden US-Dollar im Jahr 2032 wachsen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26 % entspricht.

Was ist IO-Link?

IO-Link wurde 2006 vom IO-Link-Konsortium ins Leben gerufen und ist ein internationaler IEC-61131-9-Standard für die E/A-Kommunikation in industriellen Umgebungen. Zu den wichtigsten Funktionen gehören:

• Bidirektionale, digitale Punkt-zu-Punkt-Kommunikation – oft als Single-Drop-Kommunikationsschnittstelle (SDCI) bezeichnet.
• Feldbusneutralität:Ein IO-Link-Master kann auf Profibus, Profinet, Devicenet, Ethernet/IP, EtherCAT, CC-Link oder CC-LinkIE aufgesetzt werden, was Architekten die Freiheit gibt, das beste Backbone für ihre Anlage zu wählen.
• Ungeschirmte Standardkabel (drei-, vier- oder fünfadrig) mit einer Länge von bis zu 20 m, mit 24 V versorgt und mit Schalt- oder codierten Signalen ausgestattet.
• Jedes Gerät wird durch eine eindeutige IO-Gerätebeschreibung (IODD) identifiziert, die sein Kommunikationsprofil und konfigurierbare Parameter speichert.
• Unterstützte Baudraten von 4,8, 38,4 und 230,4 kBaud.

Abbildung 1:Typische 3-Pin-IO-Link-Pin-Konfiguration (Quelle:Sonu Daryanani).

• Periodische oder ereignisgesteuerte Daten, einschließlich Prozesswerte und Statusflags, können vom Master jederzeit abgefragt werden.

Vorteile von IO-Link

Um die Vorteile zu veranschaulichen, betrachten Sie zwei reale Anwendungen:ein Hydraulikzylindersystem und eine Verpackungslinie.

1. Hydraulikzylindersteuerung

Abbildung 2:Hydraulikzylindersteuerung mittels IO-Link (Quelle:BalluffInc.). IO-Link ermöglicht die genaue Messung und Regelung von Temperatur, Durchfluss und anderen analogen Signalen über die konfigurierbaren Analogwandler von Balluff. Diese Geräte wandeln RTDs, Thermoelemente und andere analoge Eingänge in digitale Werte um und bieten gleichzeitig eine Diagnose für Kurzschlüsse, Temperaturabweichungen und Drahtbrüche.

Analoge Daten machen normalerweise etwa 10 % des gesamten Datenverkehrs aus und erfordern traditionell abgeschirmte Kabel und kostspielige Mehrkanalmodule. Mit der störsicheren Punkt-zu-Punkt-Verkabelung von IO-Link genügen einfache ungeschirmte Kabel, was sowohl die Verkabelungs- als auch die Inbetriebnahmekosten senkt.

„IO-Link ermöglicht Kosteneinsparungen durch vereinfachte Verkabelung, schnelle Parameter-Downloads und eine einheitliche Schnittstelle, die herstellerübergreifend funktioniert“, sagt Shishir Rege, Automatisierungsspezialist bei Balluff.

Sicherheitsvorrichtungen wie Verriegelungen und Schalter können ebenfalls integriert werden, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung3:Integration von Sicherheitssensoren über IO-Link (Quelle:BalluffInc.).

2. Verpackungsautomatisierung

Verpackungslinien erfordern schnelle Umrüstungen, hochauflösende Positionierung und robuste Diagnose. Die IO-Link-Sensoren von Sensata Technologies – einschließlich Absolutwertgeber (AHx5, THx5), Inkrementalgeber (DHx5) und Hall-Effekt-Positionssensoren (ACW4, TCW4) – bieten Plug-and-Play-Konfiguration und Echtzeitüberwachung.

Abbildung 4:Schema der Verpackungsautomatisierung mit IO-Link (Quelle:SensataTechnologiesInc.).

Abbildung 5:THM5-Multiturn-Encoder (Quelle:SensataTechnologiesInc.).

„Die Plug-and-Play-Fähigkeit von IO-Link, kombiniert mit schneller Diagnose und einer Zykluszeit von 1 ms bei 230,4 kBaud, reduziert Ausfallzeiten drastisch und verbessert die Flexibilität“, sagt Jean-Marc Hubsch, technischer Leiter für Encoder bei Sensata.

IO-Link-Systemerweiterungen

IO-Link Wireless

IO-Link Wireless spiegelt das kabelgebundene Protokoll wider, arbeitet jedoch im 2,4-GHz-Band, ideal für mobile oder nicht stationäre Feldgeräte. Ein Master kann bis zu fünf Kanäle hosten, von denen jeder acht Geräte unterstützt, was 40 Geräte pro Master und 120 Geräte pro Zelle in einer Umgebung mit hoher EMI ermöglicht.

IO-Link-Sicherheit

IO-Link Safety erweitert das Protokoll um funktionale Sicherheitskommunikation (FS). Sicherheitsfähige Geräte (Output Switching Sensing Devices, OSSD) können über redundante Signale angeschlossen werden – unter Nutzung von Pin 2 in der standardmäßigen 3-Pin-Konfiguration – und bieten zertifizierte Sicherheitsfunktionen.

Schlussfolgerung

IO-Link bietet eine einzige, standardisierte Schnittstelle, die intelligente Sensoren mehrerer Hersteller vereint und eine Remote-Konfiguration und -Diagnose in Echtzeit ermöglicht. Durch den Wegfall von Abschirmungsanforderungen, die Reduzierung der Verkabelungskomplexität und die Unterstützung zukünftiger Erweiterungen wie Wireless und Sicherheit beschleunigt IO-Link die Einführung von Industrie 4.0 in verschiedenen Sektoren.

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