IO-Link Sensoren und Aktuatoren durchgängig ins Automatisierungssystem integrieren

Komponenten in der Automatisierungswelt zu verbinden, das bedeutet, zunehmend komplexere Strukturen zu beherrschen. Von der MES-Ebene (Manufacturing Executing Systems) bis zum Prozess-Sensor müssen Schnittstellen definiert werden. Die Projektierung der Kommunikations-Schnittstellen ist oft eine größere Herausforderung als die Steuerungsaufgabe.

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Schnittstellen zu definieren bedeutet, mindestens zwei Komponenten auf eine einheitliche physikalische und strukturelle Übergabe von Daten anzugleichen. Eine integrative Automatisierungs-Umgebung erlaubt die Projektierung beider Seiten mit nur einem Tool in einem Schritt. Beispielhaft demonstriert Siemens mit TIA (Totally Integrated Automation) eine solche durchgängige Basis zur Realisierung kundenspezifischer Automatisierungslösungen: In einem gemeinsamen Projektierungs-Werkzeug werden alle Schnittstellen vom MES bis zum Sensor in der Feldebene zentral verwaltet und nur einmalig festgelegt. Einseitige Fehleingaben sind ausgeschlossen, für eine konsistente Schnittstellen-Parametrierung sorgt das System automatisch.

Implementierung von Sensoren und Aktuatoren

Ein weitgehendes Problem bei der Anlagen-Projektierung stellt bis heute aber noch die Implementierung der Prozessperipherie dar: Sensoren und Aktuatoren. Während eine Feldbus-Anschaltung mit den integrierten Step7-Werkzeugen neben den Prozessdaten kanalgranular Parameter und Diagnose zur Verfügung stellt, muss ein einfacher Näherungsschalter über eine kryptische Tasten- oder Schraubendreher-Programmierung vor Ort eingestellt werden, um dann lediglich eine binäre Schaltinformation zu liefern. Eine Diagnose wird über die 24V-Digital-Schnittstelle nicht unterstützt. Wird der Sensor ausgetauscht, so geht zudem die Parametrierung des projektierten Gerätes verloren. Der Ersatzsensor muss neu projektiert werden.

Auch für die einheitliche Einstellung einer ganzen Reihe von Sensoren oder Aktuatoren, sind die heutigen Einstellmöglichkeiten unzureichend, weil sich Parametersätze nicht kopieren lassen. Dabei können die Geräte weitaus mehr: Sensoren und Aktuatoren sind im Zuge der technischen Evolution zu einem erheblichen Teil mit einer eigenen Intelligenz in Form von Mikro-Controllern ausgestattet: zur Verbesserung der Bedienbarkeit, zur Unterdrückung von Störeinflüssen, zur Kalibrierung usw. Damit werden Parameter bereits als Digital-Werte abgelegt, aber auch fehlertypische Veränderungen des Prozesswertes, die z.B. auf eine fortschreitende Verschmutzung oder Alterung hinweisen, werden am Gerät angezeigt. Diese Daten sind allerdings für das restliche Automatisierungssystem nicht sichtbar.

Ausgerechnet hier stellen Sensoren und Aktuatoren mit der höchsten Anzahl an einzustellenden Einzelkomponenten den größten Parametrieraufwand dar. Mit der anlagentypischen Streuung von Sensoren und Aktuatoren im Feld sind zudem enorme Wege zurückzulegen, um die Geräte vor Ort zu programmieren. Auch einer effektiven Fehlerdiagnose wird die heutige Aufbautechnik nicht gerecht: In einem Feldbus-Netzwerk kann eine Störung mit den verfügbaren Werkzeugen bis auf Verdrahtungsebene identifiziert und lokalisiert werden, und mit integrierten Software-Modulen erhält der Operator oder Instandhalter eine exakte Meldung darüber. Eine Störung am Sensor dagegen erfordert häufig eine langwierige Suche nach einer fehlerhaft reagierenden Schaltzustandsanzeige am Gerät. Dazu muss die Anlage abgesucht und oft auch in die Maschine eingegriffen werden: Anlagenstillstand und Produktionsausfall sind vorprogrammiert.

Die Anforderungen

Als Anforderung leitet sich daraus ab, dass die ohnehin verfügbaren Parameter- und Diagnosedaten transparent im Automatisierungssystem zur Verfügung gestellt werden müssen. Das wiederum fordert eine funktionelle Erweiterung der heute bestehenden Peripherieschnittstellen.

Konventionelle Binär- oder Analogschnittstellen sind nicht dazu geeignet, den wachsenden Anforderungen zu begegnen. Die direkte Anbindung an Feldbussysteme kommt nur für einen geringen Teil von Sensoren und Aktuatoren in Frage, weil einerseits die Systemkosten zu hoch sind und andererseits die damit verbundene Linientopologie sich nicht für die Anbindung von Einzelgeräten im Feld eignet. Zudem sind die vorhandenen Feldbusse angesichts der hohen Anzahl an Sensoren und Aktuatoren entweder in ihren Adressierungs-Möglichkeiten nicht ausreichend oder werden durch die hohe Anzahl an Einzeladressierungen unwirtschaftlich. Es ist also eine Schnittstelle gefordert, die sich zum einen toplogisch an der bewährten Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen I/O-Kanal und Sensor bzw. Aktuator orientiert und zum anderen eine möglichst flexible Datenschnittstelle bereitstellt.

Als Maßstab gelten die konventionellen Binär- und Analog-Schnittstellen aber in punkto Verdrahtung, Verbreitung und Kompatibilität: Die Vielfalt an Sensoren und Aktuatoren erlaubt, dass nahezu jede physikalische Prozessgröße über einen entsprechenden Geber bzw. Aktuator an ein Steuerungssignal adaptiert werden kann. Die Verdrahtung ist mit der Übertragung einfacher und robuster Schaltsignale denkbar anspruchslos. Eine geringe Übertragungs-Bandbreite gewährleistet schnittstellenseitig eine weitreichende Interoperabilität. Die Signalformen sind in der Automatisierungswelt als Standards gesetzt.

Die Innovation: IO-Link

All diese Anforderungen sind in das IO-Link-System eingeflossen, bei dessen gemeinsamer Entwicklung die führenden Hersteller in der Automatisierungstechnik kooperieren. Zu diesem Zweck wurde unter dem Dach der Profibus-Nutzerorganisation (PNO) ein Arbeitskreis mit derzeit 24 Mitgliedern gegründet, der sich zum Ziel gemacht hat, einen Schnittstellenstandard anhand der genannten Anforderungen zu entwickeln und zu etablieren.

Ergebnis ist die Definition einer Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle zur Anbindung von Sensoren und Aktuatoren an Peripherie-Baugruppen einer Speicherprogrogrammierbaren Steuerung, die auf einer bidirektionalen, seriellen Kommunikation basiert, die prinzipiell jede Datenübertragung im Rahmen eines freien Kommunikationskanals erlaubt.

Anbindung von Sensoren und Aktuatoren

Wie schafft man nun aber bei der Realisierung der Kommunikation den Spagat zwischen Flexibilität und Standardisierung? Einerseits will sich der Anwender nicht bei ähnlichen Sensoren und Aktuatoren immer wieder mit neuen Datenstrukturen auseinandersetzen. Möglicherweise möchte er auch die über lange Zeit gewachsene, vorhandene Steuerungs-Software ohne Adressadaptierungen weiterverwenden. Andererseits will er die Möglichkeit haben, je nach Applikation gerätespezifische Sonderfunktionen in der Steuerungsebene abzubilden, die bisher dort nicht verwertbar waren.

Die in der IO-Link-Spezifikation vereinbarte maximale Prozessdatenbreite von 32 Bytes Ein- und Ausgangsdaten erlaubt zunächst ein Maximum an Flexibilität für die Abbildung verschiedenster Feldgerätefunktionen. Festgelegte Datenstrukturen oder –längen sind in der Spezifikation nicht vorgesehen. Es ist leicht vorstellbar, dass die Anbindung eines Feldgerätes zwar erheblich mehr Möglichkeiten der Abbildung von Funktionalitäten ermöglicht, die Implementierung dieser Funktionen aber auch einen deutlich höheren Software-Aufwand bedingt: Die Datenstrukturen der Parameter, der Prozessdaten und der Diagnosedaten des Sensors oder Aktuators müssen in der SPS interpretiert werden.

Das Automatisierungssystem bis auf die Sensorebene intuitiv parametrieren

Aus den eingangs beschriebenen Gründen bietet sich auch hier wieder die Anwendung der Systemintegration an. Zur Abbildung der Prozessdaten bietet sich an, typische Geber- und Aktuatortypen in Geräteklassen einzuteilen und an festegelegte Datenstrukturen anzugleichen. Vorteil ist, dass Grundfunktionalitäten, die ein Großteil der Geräte gleichermaßen erfüllt, über identische Treiber (Funktionsbausteine) in der Programmierumgebung abgebildet werden können.

Wichtiger noch wird eine homogene Datenstruktur bei Parametrierung und Diagnose: Der Hardware-Konfigurator der Software Simatic Step7 erlaubt über den Object Manager die Produktauswahl sowie eine Klartext-Parametrierung. In Verbindung mit IO-Link lässt sich das Automatisierungssystem bis auf Sensorebene intuitiv parametrieren. Adressierung und Sensor- bzw. Aktuatorfunktionalität werden auf Konsistenz bei der Projektierung geprüft. Sollte dennoch ein Fehler bei der Projektierung auftreten – zum Beispiel weil der vorhandene Sensortyp mit dem projektierten nicht übereinstimmt, so wird dieser über die gleichen Werkzeuge schon bei der Inbetriebnahme mit einer dedizierten Meldung und grafischer Lokalisierung identifiziert.

Die zyklische serielle Kommunikation zwischen Feldgerät und SPS erlaubt zudem, dass Störungen am Sensor oder Aktuator deterministisch erkannt und gemeldet werden – auch zur Laufzeit und über die im gesamten Automatisierungssystem bekannten Diagnosemechanismen. Die integrierten Diagnosewerkzeuge von Simatic HMI erlauben es, das Bedienpersonals über die vorhandenen Bedienpanels zu informieren, ohne dass dies eine zusätzliche Projektierung von Diagnosemeldungen erfordern würde. Vorbereitete Diagnosebausteine bzw. systemintegrierte Mechanismen stellen diese Funktionen einer Simatic-Anbindung bereit.

IO-Link verschafft zudem die Möglichkeit, über die Diagnose hinausgehende Informationen zur Laufzeit zur Verfügung zu stellen. Sogenannte I&M-Funktionen (Identifikation & Maintenance) ermöglichen weitergehende Unterstützung zur Fehlerbehebung oder sogar zur vorbeugenden Wartung. Typenbezeichnungen und Ausgabestände von Simatic-Feldgeräten lassen sich im Simatic-Tool Step7 an zentraler Stelle auslesen und z.B. für die Ersatzteilbestellung auswerten. Das Gleiche gilt für wartungsbezogene Gerätedaten, Betriebsstundenzähler oder Verschmutzungswarnungen für die vorbeugende Wartung. Voraussetzung für eine effektive Nutzung ist auch hier, dass Struktur und Format Daten in den Systemen bekannt sind. Andernfalls gestaltet sich die Implementierung und Interpretation dieser Daten wieder zu der Herausforderung, Kommunikation Schritt für Schritt zu programmieren.

Lückenlose Einbindung der Aktor-/Sensorebene

Der Kommunikationsstandard IO-Link, der alle Daten zu Sensor- bzw. Aktuator-spezifischen Funktionen anlagenweit zur Verfügung stellt, ist ein klarer Durchbruch in der Automatisierungswelt. Aber erst mit der integrierten Abbildung dieser Funktionen in der Automatisierungs-Umgebung werden all diese Möglichkeiten auch wirtschaftlich nutzbar. Das Zusammenspiel von IO-Link mit Totally-Integrated-Automation gewährleistet eine lückenlose Einbindung der Aktor-Sensorebene in die Anlagenautomatisierung:

Vom Sensor mit den Näherungsschaltern Simatic PX an der dezentrale Peripherie Simatic ET200 über die Steuerung Simatic S7 bis hin zur Anlagenvisualisierung mit Simatic HMI, und dem zentralen Engineeringsystem Step7 werden alle Daten verwaltet, in einer konsistenter Datenhaltung hinterlegt und mit einheitlichen, intuitiv zu bedienenden Tools bearbeitet.

Klargestellt: Wird IO-Link AS-Interface verdrängen?

IO-Link ist gegenüber AS-Interface klar unterschiedlich positioniert. Während IO-Link die Funktionalität der heute bestehenden Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen Sensor bzw. Aktuator und I/O-Peripheriemodul aufwertet, verlagert AS-Interface die I/O-Ebene insgesamt in den Feldbereich. Als Netzwerk zur Direktanbindung von Sensoren und Aktuatoren hat sich AS-Interface allerdings aufgrund der relativ hohen Systemkosten nur partiell durchsetzen können. Zumeist werden insbesondere Sensoren nach wie vor über einfache Schaltsignale mit der I/O-Ebene verbunden.

IO-Link setzt genau an dieser Kommunikations-Lücke an, kann aber andererseits die bustypischen Strukturen eines AS-Interface nicht ersetzen. IO-Link verbindet genau ein IO-Link-Device mit einem IO-Link-Master-Kanal. Eine Adressierung kann und soll nicht erforderlich sein, der Aufbau eines Netzwerkes ist ausgeschlossen. IO-Link und AS-Interface stehen demnach nicht nur in sinnvoller Koexistenz, sondern mehr noch: Sie ergänzen sich, durch den Einsatz von IO-Link-Peripherie wird AS-Interface aufgewertet und umgekehrt.

Mit den Profilerweiterungen 7.3 und 7.4 des AS-I mit erhöhter Integrationstiefe von analogen Signalen, Parametrierungen und Diagnoseinformationen wird auch die Funktionalität der Feldebene unterhalb des Feldbusses aufgewertet. Sensor- und aktuatorspezifische Statusdaten stehen durchgängig im gesamten System zur Verfügung und kombinieren sich mit dem bekannten Verdrahtungsvorteil von AS-I zu einem zusätzlichen Mehrwert bei Projektierung, Montage, Inbetriebnahme und Betrieb.

Guido Nelles, Marketing Manager für Näherungsschalter, IO-Link und optische Sicherheitssensoren, Siemens Automation and Drives (A&D)

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