Näherungsschalter Sonar-Sensoren mit IO-Link optimieren Fertigungssteuerung

Anlagenverfügbarkeit, Durchgängigkeit der Produktions- und Prozessdaten, einfache Verdrahtung: Mehr als nur Schlagworte im Zusammenhang mit IO-Link, Sie zeigen auf, wie und wo sich der IO-Link wirtschaftlich einsetzen lässt und welche weiteren Vorteile sich ergeben können. Anhand einer Applikation lässt sich dies konkret erläutern.

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Mit dem Einzug der Automatisierungstechnik in alle Bereiche der Fertigung stellte sich die Frage: Wie lassen sich die vielen verschiedenen Automatisierungseinheiten untereinander vernetzen, um den Fertigungsdurchlauf zu optimieren? Die dabei anfallenden Prozessdaten sollten in der Leitebene zusammengeführt werden, um von zentraler Stelle aus den Warenfluss zu steuern, die Qualität sicherzustellen und die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen.

Digitale Ein-/Ausgabebaugruppen liefern im Wesentlichen nur binäre Informationen über den Zustand der den Fertigungsablauf steuernden Sensoren. Vereinzelt bekommen die Steuerungen auch analoge Informationen gemeldet, zum Beispiel den Füllstand in einem Behälter der Lebensmittelindustrie, gefüllt etwa mit Grillsoße, oder der noch verfügbare Durchmesser einer Papierwalze in der Druckindustrie.

Dabei beschränkt sich der Austausch von Informationen auf eine Richtung: vom Sensor zur Steuerung. Eine Parametrierung des Sensors wird bei der Inbetriebnahme durchgeführt und kann im laufenden Betrieb nur händisch mit erheblichem Aufwand und mit entsprechenden Stillstandszeiten durchgeführt werden. Um die Anzahl der Eingabekanäle so gering wie möglich zu halten, wird im Wesentlichen nur die Schalt- oder Analoginformation übertragen, eine Diagnose des Sensors findet nicht statt. Hier kommt die Idee von IO-Link ins Spiel.

Neuer Standard für die Feldebene

Fünfundzwanzig namhafte Hersteller der Automatisierungsindustrie haben sich in einem Arbeitskreis unter dem Dach der Profibus Nutzerorganisation e. V. (PNO) zusammengefunden, um eine neue standardisierte Schnittstelle für Feldgeräte zu definieren. Orientierungspunkte waren dabei die einfache Integration in bestehende Feldbussysteme, Kommunikation bis in die unterste Feldebene, konsistente Parameterhaltung, kombinierte Übertragung von Schaltsignalen und analogen Messwerten, einfache Verkabelung mit handelsüblichen ungeschirmten Leitungen und umfassende Abbildung aller Sensoren in der Steuerung. Die Punkt-zu-Punkt-Verbindung, bekannt aus der konventionellen I/O-Anbindung, wurde beibehalten. In der Nahrungsmittelindustrie zum Beispiel überwachen an vielen Stellen Sensoren den Ablauf der Produktion und steuern den Herstellungsprozess. Ein Wechsel der Rezeptur zieht unweigerlich eine manuelle Neueinstellung der Sensoren nach sich. Hier ermöglicht IO-Link eine komfortable Lösung. Anhand eines Applikationsbeispiels aus einer Bäckerei für Süßwaren soll der Einsatz von Ultraschall-Näherungsschaltern mit IO-Link aufgezeigt werden.

Ultraschallsensor bäckt Kekse

Wer kennt sie nicht, die knusprigen Kekse mit einer oder mehreren Schokoladenschichten? Zu ihrer Herstellung läuft aus dem Backofen eine kontinuierliche Keksplatte, welche in Abschnitte zersägt wird. Erste Station nach dem Zersägen ist die Dosieranlage für die Schokocreme. Befindet sich der erste Keks an der richtigen Position, verteilt sich darauf ein flüssiger Klecks Schokolade. Die beiden nachfolgenden Kekse bleiben frei. Der nächste Keks wird als Deckel aufgesetzt. Es folgt wiederum ein Schokoklecks und ein weiterer Keks wird als Deckel gesetzt. Jetzt noch in Folie verpackt und das süße Gebäck ist fertig.

In diesem relativ einfachen Ablauf steuern an den entscheidenden Stellen Sensoren den Prozess. Vor der Dosierung der Schokocreme erkennt ein Ultraschallsensor die Position der Kekse, unabhängig von der Farbe des Teiges und dem Bräunungsgrad. Er ist dazu auf die optimale Höhe über dem Förderband justiert, um den Keks zweifelsfrei zu erkennen. Ein weiterer Sensor liefert der Steuerung ein Triggersignal, um die Dosierung der Schokocreme zu starten, ein dritter Sensor steuert das Aufsetzen der Zwischenkekse. Dazwischen wird die Höhe von einem vierten Sensor kontrolliert und evtl. Ausschuss aussortiert. Das Einwickeln in Folie wird ebenso von einem fünften Sensor gestartet.

Vor der Verfügbarkeit von Sensoren mit IO-Link wurden diese konventionell verdrahtet und lieferten über digitale IO-Baugruppen ihre Information an die Steuerung. Die Schaltpunkte wurden manuell vor Ort im Sensor eingestellt. Bei einem Tausch des Sensors, z. B. aufgrund mechanischer Zerstörung, musste dieser wiederum manuell vor Ort „eingelernt“ werden. Die Umrüstung auf IO-Link nutzt die bestehende, ungeschirmte 3-adrige Verkabelung. Die Sensoren und die Eingabebaugruppe werden durch IO-Link-Versionen ausgetauscht.

Mehr Information durch Prozess- und Diagnosedaten

In der Steuerung stehen ab sofort dem Anlagenprogrammierer alle Informationen des Sensors zur Verfügung. Der Abstand der Kekse ist millimetergenau im Prozessabbild verfügbar und digitale Schaltinformationen können vom Programm zusätzlich genutzt werden. Der Sensor meldet seinen Betriebszustand zur Steuerung, z. B.: die Empfangssignale sind im grünen Bereich, die Ausrichtung ist optimal. Parallel dazu wird die Verkabelung zwischen der IO-Link-Baugruppe und dem Sensor auf Kurzschluss und Drahtbruch überwacht und von der IO-Link-Baugruppe an die Steuerung gemeldet.

In der anderen Richtung, von der Steuerung über die Masterbaugruppe zum Sensor, besteht die Möglichkeit, den Sensor an die Applikation anzupassen, zu parametrieren. Schaltpunkte bzw. Schaltbereiche, Hysterese, Mittelwertbildung, Zeitverzögerungen können mit einem grafischen Parametrier-Tool einfach im Sensor eingestellt werden. Eine erneute Anpassung der Parameter kann jederzeit durchgeführt werden. Beim Hochfahren werden die bei der Projektierung der Anlage festgelegten Parameter in den Sensor geladen. Beim Wechsel der Rezeptur, in diesem Beispiel z. B. von einem Doppel- zum Dreifachkeks, können die Schaltpunkte im laufenden Betrieb adaptiert werden. Längere Anlagenstillstände beim Chargenwechsel sind somit passé.

Schneller Sensortausch

Der Ausfall einer Sensorfunktion ist jedoch immer mit einem Stillstand der Produktion verbunden: Ein neuer Sensor muss montiert und eingestellt werden. Im einfachsten Fall wird der vorhandene Parametersatz mittels proprietärer Software und Interface in den Sensor geladen. Aufwändiger wird es, wenn die Einstellung am Objekt vor Ort zu erfolgen hat. Das Objekt muss positioniert werden, dann erfolgt die Einstellung am Sensor per „Teach-in“ oder mittels Potenziometer.

Mit IO-Link muss dies nicht mehr sein: Über die Diagnose meldet der Sensor laufend seine Informationen an die Steuerung. So würde z. B. auch eine Dejustage rechtzeitig gemeldet. Durch gezielte Wartung wird ein längerer Stillstand der Anlage vermieden. Eine mechanische Zerstörung eines Sensors ist mit IO-Links auch kein großes Malheur mehr: Der Bediener vor Ort montiert einen neuen Sensor und schließt ihn an. Alles weitere erledigt die Steuerung. Der neue Sensor wird erkannt und der zugehörige Parametersatz automatisch in den Sensor geschrieben. Die Produktion kann weitergehen.

Kommunikations- oder SIO-Mode

Mit dem Umstieg auf IO-Link geht nicht zwangsläufig eine Neu-Verdrahtung der Sensoren einher. Die Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung der Sensoren mit der Steuerung bleibt erhalten. Es können weiterhin handelsübliche ungeschirmte Kabel und die zugehörigen Stecker und Buchsen zum Einsatz kommen. Je nach Einsatzfall kann der IO-Link-Sensor im Kommunikationsmode oder SIO-Mode betrieben werden. Es entfällt die doppelte Lagerhaltung. An einem Schütz, einer Signallampe oder einer digitalen Eingabebaugruppe einer Steuerung arbeitet der Sensor als klassischer binärer Schalter, im SIO-Mode. An einer IO-Link-Baugruppe nimmt der Sensor eigenständig die Kommunikation mit der Steuerung auf, die Vorteile von IO-Link kommen zum Tragen.

Ultraschallsensoren mit IO-Link: Der Nutzen auf einen Blick

• Erfassungsbereich bis 1000 mm
• Zylindrische Bauform M18
• Nahtlose Integration in Programmierumgebung Simatic Step7
• Transparente Darstellung aller Parameter- und Diagnosedaten
• Keine zusätzliche Parametriersoftware nötig
• Zeiteinsparung bei der Projektierung und Inbetriebnahme
• Nutzung integrierter Diagnose-Mechanismen
• Durchgängige IO-Link-Systemlösung

Alle IO-Link-Sonar-Sensoren der Gerätefamilie Simatic PXS310C sind auch Bestandteil von „Totally Integrated Automation“ des Herstellers.

Franz-Josef Heimerl, Produktmanager Näherungsschalter, Siemens Industry Automation, Nürnberg

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