Feldkommunikation Die Praxis zeigt es: Erste Sensoren und Aktoren sprechen IO-Link

Autor / Redakteur: Ines Näther / Ines Stotz

Die Sensor/Aktor-Schnittstelle IO-Link ermöglicht jetzt eine Kommunikation bis in die unterste Feldebene und macht damit die in vielen Sensoren integrierten Diagnose- und Parametrierfunktionen zentral verfügbar. Elektrotechnik hat sich umgehört, wie und wo sich IO-Link wirtschaftlich einsetzen lässt und in welchen Applikationen dies bereits umgesetzt ist.

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IO-Link lässt sich überall wirtschaftlich einsetzen. Da sind sich alle Experten einig — und sehen den neuen Kommunikationsstandard als klaren Durchbruch in der Automatisierung. Denn sämtliche prozessrelevanten Daten zu Sensor- bzw. Aktor-spezifischen Funktionen lassen sich nun anlagenweit zur Verfügung stellen. Dabei begnügt sich die Schnittstelle mit einem simplen dreiadrigen Standardkabel und macht aus der Punkt-zu-Punkt-Verbindung einen dialogfähigen Kommunikationskanal.

„IO-Link erlaubt in der untersten Feldebene die komfortable Parametereinstellung von Sensoren und Aktoren. Gleichzeitig können Prozesse effizient überwacht werden“, sagt Matthias Droll, Produktmanager Sensor-Solutions bei Baumer Electric in Frauenfeld/Schweiz. Beides lässt sich mittels einfachster Sensoranbindung – eben mit Drei-Leiter-Technik und Standard-Anschlüssen realisieren.

„Die vorhandenen binären und analogen Schnittstellen werden um die serielle Kommunikationsfunktion erweitert“, verdeutlicht Michael Gohla, Produktmanager Ventilsensorik/Handtaster bei ifm syntron. Somit bietet sich eine wirtschaftliche Nutzung von IO-Link in dezentralen Anlagen an, wo damit eine Fernparametrierung von Sensoren und Aktoren möglich ist und sich die vorhandene Intelligenz — gerade im Hinblick auf Diagnosefunktionen — voll ausnutzen lässt. „Es gehört zu den Vorteilen, kontinuierlich auf die IO-Link-Technologie umsteigen zu können oder auch nur bestimmte Sensoren in der Anlage auszutauschen. Zudem ist sogar der gemischte Betrieb aller Geräte ohne Mehraufwand möglich und es lassen sich auch die Ausgangssignale herkömmlicher Sensoren übertragen“, beschreibt Michael Gohla. Dabei bleibt die Verdrahtungstopologie — per Standard-M12-Steckverbindung und ungeschirmte Kabel bestehen.

Der Dialog mit den Sensoren zahlt sich aus

Christian Gemke, Gruppenleiter Produktmarketing IP67 IO bei Phoenix Contact Electronics, zählt die wirtschaftlichen Vorteile auf, die IO-Link bereits heute im Vergleich mit Standard-I/O-Übertragungstechniken bietet: Wenn eine Vielfalt von Signalen zwischen dem IO-Link-Sensor oder -Aktor und der IO-Peripherie übertragen werden muss. Das rechnet sich aufgrund eingesparter Verkabelungs- und Hardware-Kosten. Wenn im laufenden Betrieb neue Parameter an die Sensoren und Aktoren übertragen werden müssen. In diesem Fall ergeben sich deutlich kürzere Rüstzeiten, die den geringen Mehraufwand rechtfertigen. Und wenn durch den exponierten Betrieb des Sensors oder Aktors eine bessere Diagnose und Verbindungsüberwachung zu einer höheren Produktqualität sowie zu verringerten Maschinen-Ausfallzeiten führen.

Dass IO-Link dort zum Einsatz kommt, wo heute komplexe Sensoren und Aktoren mit oder ohne analogen Ausgang eingesetzt werden, meint auch Klaus Ebinger, Produktmanager Prozesssensoren bei Hans Turck. „Durch die Möglichkeit, erweiterte Informationen, wie Konfigurationen, Parameter und Diagnosemeldungen zu übertragen, ergeben sich erhebliche Vorteile für den Endanwender.“

Dazu zählen etwa eine höhere Anlagenverfügbarkeit, geringere Stillstandszeit beim Gerätetausch, sowie signifikante Reduktion der Installationskosten. „Der Anwender muss weder technische Probleme noch einseitige Abhängigkeiten befürchten“, betont Jörg Faller, Leiter Produktmanagement Sensoren bei Sensopart. Denn IO-Link ist ein offener Standard, herstellerunabhängig und feldbusneutral und es entstehen keine Umrüstkosten. „Deshalb profitiert der Anwender im Prinzip bei jedem Sensor, bei dem man irgendetwas einstellen oder einlernen kann.“

Die Vorteile hat der Anwender

(Archiv: Vogel Business Media)

Matthias Droll, Baumer Electric: „Parameter wie Messbereich, Empfindlichkeit und Betriebsmodus lassen sich einfach von der Steuerung an den Sensor übertragen. Dies verkürzt Inbetriebnahme-, Umrüst- und Wartungszeiten. Effizientes Prozessmonitoring – etwa Verschmutzungszustand und Selbstdiagnose – vermeidet Maschinenstillstandszeiten. Zudem geben die kombinierte Übertragung von analogen wie auch digitalen Prozessdaten mehr Informationen über den gesamten Ablauf. Der Vorteil: höhere Prozesssicherheit bei gleichzeitiger Kostenersparnis durch Wegfall teurer Eingangsstufe.“

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Michael Gohla, ifm syntron: „Die wesentlichen Vorteile sind der Wegfall der manuellen Parametrierung durch Tools im Feld und kürzere Inbetriebnahme-, Umrüst- und Stillstandszeiten. Bei Anlagenstart werden etwa vorher definierte Sollparameter geladen und an die Sensoren übertragen. Ähnliches gilt für die Umrüstung oder den Austausch von defekten Geräten: hier wird auch einfach der Parametersatz übertragen. Zudem ist eine einfachere Fehlerortung bis zur Sensorebene durch Diagnosefunktionen möglich. Die Rückwärtskompatibilität ermöglicht die schrittweise Integration in eine Anlage und durch die Zusammenführung von binären und analogen Signalen lassen sich Installationskosten senken. Alle Parameter können jetzt einfach von der Leitebene aus angepasst werden.“

(Archiv: Vogel Business Media)

Christian Gemke, Phoenix Contact: „Maschinenkonzepte können flexibler und langfristiger aufgesetzt werden. Parameter der Anlagenteile lassen sich in kürzester Zeit ändern, Qualitätsdaten auslesen und die einzelnen Komponenten intelligent verkabeln. Einmal eingestellte Parametersätze sind beliebig oft reproduzierbar. Schleichende Fehler oder Veränderungen der Umgebungsbedingungen können über FDT/DTM-basierte Diagnosen im laufenden Betrieb bewertet und sofort korrigiert werden. So ergibt sich aus der besseren Integration der Komponenten in das Produktionsnetzwerk sowie dem Mehr an Information eine deutliche Erhöhung der Produktivität.“

(Archiv: Vogel Business Media)

Jörg Faller, Sensopart: „IO-Link bietet das Potenzial zusätzlich zum Schaltsignal Diagnoseinformationen abzufragen, was die Fehlerfrüherkennung ermöglicht; Geräteparameter zu lesen, zu verändern und zentral zu speichern, was den Komfort und die Nachvollziehbarkeit erhöht; beim Gerätetausch die Parameter herunterzuladen, womit zeitaufwändige Einstell- und Dokumentationsarbeiten vermieden werden sowie digitalisierte Analogwerte zu nutzen, was teure Analogeingang-Interfaces und Sonderverkabelung überflüssig macht.“

(Archiv: Vogel Business Media)

Klaus Ebinger, Hans Turck: „Die Vorteile fangen bereits im Beschaffungs- bzw. Logistikprozess an. IO-Link-fähige Geräte können meist individuell an die jeweilige Applikation angepasst werden. Verschiedene Varianten des gleichen Gerätes sind nicht mehr nötig. Auch bereits im Planungsstatus können mittels toolbasiertem Engineering, wie FDT/DTM, Konfigurationsdaten zu den jeweiligen Sensoren und Aktoren hinterlegt werden. Weil die Geräte nicht mehr vor Ort parametriert werden müssen, sind sie nah am Geschehen montierbar. Die Inbetriebnahme ist komfortabler, da die kompletten Konfigurationsdaten über das System in die Geräte eingespeist werden. Während des Produktionszyklus lassen sich jederzeit Parameter einfach und schnell verändern. Auch das Suchen nach Fehlern wird durch die Diagnosemeldungen vereinfacht. Muss ein Gerät ausgetauscht werden, sind alle notwendigen Konfigurationen und Parameter auf das neue Gerät übertragbar.

IO-Link - Die ersten Anwendungen in der Praxis

Baumer Electric: Zur Abfrage des Wickeldurchmessers von Stoffrollen wird der optische Distanzsensor OADM 12 eingesetzt. Je nach Aufgabe werden unterschiedliche Rollen verwendet, und die Messbereichsgrenzen für den Wickeldurchmesser müssen dementsprechend anpassbar sein. Dank IO-Link können die neuen Werte jetzt zentral ab Steuerungssoftware auf den Sensor geschrieben werden. Der Sensor wiederum beliefert den Master mit zusätzlichen Informationen: Da der Sensor hier einer hohen Staubbelastung ausgesetzt ist und sich dieser auf der Frontscheibe absetzt, wird sich die Signalreserve mit der Zeit verkleinern. Der Sensor alarmiert den Master frühzeitig, und gibt dem Anwender so die Möglichkeit zu reagieren, bevor es zum Maschinenstillstand kommt.

Baumer Electric:

Für eine zuverlässige Distanzmessung, unabhängig von Farbe und Oberflächenbeschaffenheit, etwa zur Vorpositionierung eines Greifers, bietet sich der Einsatz von Ultraschallsensoren der Serie Sonus an.

Bei einem analogen Sensor wird der Messwert digital im Mikrocontroller ausgewertet und als analoges Signal zur Verfügung gestellt. Die Maschinensteuerung muss dieses Signal dann wieder digital wandeln um damit rechnen zu können. Mit IO-Link steht der Messwert auch direkt als digitales Signal zur Verfügung — was die Übertragung weniger anfällig macht. Sowohl auf abgeschirmte Kabel als auch auf kostenintensive Analogeingangskarten bei der Steuerung kann daher verzichtet werden. Zudem lässt sich das Schaltfenster an die Objektgeometrien anpassen, und die Empfindlichkeits-Einstellungen des Sensors schnell und einfach verändern.

Phoenix Contact:

Bei einer Anwendung in der Verpackungsindustrie wird die Möglichkeit der Umparametrierung der applikationsspezifischen Daten, etwa bei Optosensoren, genutzt. Ändert sich die Farbe, Form oder Größe einer Verpackung, musste bis dato jeder Sensor aufwändig per Hand neu eingestellt werden. Zu diesem Zweck waren die Geräte an einfach zugänglichen Stellen zu montieren. Mit IO-Link lässt sich der neue Parametersatz aus der Visualisierung über die Steuerung in den Sensor laden und verifizieren. Das führt zu reduzierten Stillstandszeiten und verbesserter Produktqualität, da einmal festgelegte Parametersätze reproduzierbar sind. Zudem werden die Sensoren durch den Einbau an geschützten Stellen weniger häufig beschädigt.

In weiteren Anwendungen in Werkzeugmaschinen bzw. Robotik wurde die aufwändige und fehlerträchtige geschirmte Verkabelung der analog messenden Sensoren für Druck, Temperatur und Durchfluss mit Splice-Boxen durch einfache, ungeschirmte SAC-Leitungen ersetzt, über die sich die Daten direkt digital übertragen lassen.

Hans Turck:

Einige Anwender aus Werkzeugmaschinenbau und Verpackungsindustrie nutzen bereits den Vorteil, der sich durch den Wegfall der Analogwertverarbeitung ergibt. Neben der einfachen Standard-Anschlusstechnik entfallen die teuren Analog-Auswertemodule. Zukünftig werden immer mehr Anwender den Nutzen der zentralen Datenhaltung erkennen. Dies ermöglicht zum einen eine konsequente Qualitätssicherung und hilft in bestimmten Situationen Stillstandszeiten zu verringern.

ifm electronic:

Der Memory plug — IO-Link-Master — kommt überall dort zum Einsatz, wo Sensordaten kopiert oder gesichert werden sollen: bei Austausch eines defekten Gerätes oder bei Einbau mehrerer Sensoren mit den gleichen Parametereinstellungen. Er liest und speichert die Daten des eingebauten Sensors und schreibt diese in den Speicher des neu angeschlossenen Sensors. Der Vorteil liegt hier in der Zeitersparnis und der Fehlervermeidung bei der Neuprogrammierung. Weitere Geräte, wie Strömungs-, Füllstands-, Temperatur- und Abstandssensoren, und ein IO-Link-AS-i-Gateway befinden sich als Mustergeräte bei der Firma Index in Feldtests.

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