IO-Link – Kommunikationsstandard für die Industrie 4.0

Im Zeitalter des rasanten technologischen Fortschritts und der sich wandelnden Produktionslandschaft spielt die effiziente Kommunikation zwischen Geräten und Systemen zunehmend eine entscheidende Rolle. Der IO-Link-Kommunikationsstandard ist in der Norm IEC 61131-9 genormt und hat sich dabei als ein Eckpfeiler für die Industrie 4.0 etabliert. Er ermöglicht eine nahtlose und intelligente Interaktion zwischen Sensoren, Aktuatoren sowie der Steuerungsebene.

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Die Implementierung von IO-Link bringt eine Fülle von Vorteilen im industriellen Umfeld mit sich. Ein zentraler Aspekt dabei ist die erhöhte Flexibilität bei der Integration von Komponenten. Durch die einheitliche Schnittstelle können Sensoren und Aktuatoren verschiedener Hersteller miteinander kommunizieren, was folglich die Anpassung und Erweiterung von Produktionsanlagen erheblich erleichtert. Dies trägt zudem dazu bei, den Innovationszyklus zu verkürzen und anschließend die Time-to-Market für neue Produkte zu beschleunigen.

Interoperabilität

Die Verfügbarkeit einer vielfältigen Auswahl an IO-Link-Sensoren ermöglicht es Unternehmen, die passenden Komponenten für ihre spezifischen Anwendungen auszuwählen und somit die Vorteile der Interoperabilität optimal zu nutzen. Von Näherungsschaltern über Drucksensoren bis hin zu Temperatur- und Füllstandssensoren gibt es eine Vielzahl von Geräten, die von verschiedenen Herstellern angeboten werden.

Diagnosefähigkeit

Ein weiterer signifikanter Vorteil ist die erweiterte Diagnosefähigkeit von IO-Link. Durch die bidirektionale Kommunikation können Sensoren somit nicht nur Messwerte liefern, sondern zudem auch zusätzliche Informationen über ihren Zustand und ihre Leistung. Diese Echtzeitdaten ermöglichen eine präventive Wartung und verbessern folglich die Anlagenverfügbarkeit erheblich. Ferner erleichtert IO-Link die Parametrierung von Geräten, da Einstellungen über die Steuerungsebene vorgenommen werden können, ohne jedoch physisch vor Ort eingreifen zu müssen.

Die Kommunikation basiert auf einer seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen einem IO-Link-Master und einem IO-Link-fähigen Sensor oder auch Aktuator. Diese Verbindung erfolgt über herkömmliche dreiadrig verdrahtete Leitungen und ermöglicht somit eine zuverlässige Übertragung von digitalen Daten und Befehlen. Das grundlegende Kommunikationsprotokoll basiert auf einem asynchronen, halbduplexen Verfahren, bei dem Telegramme verwendet werden, die aus einem Startbit, Datenbits, Paritätsbit und einem Stoppbit bestehen. Diese Struktur gewährleistet eine zuverlässige und zudem fehlerfreie Übertragung der Daten, während die Kommunikation in zyklischen Intervallen erfolgt, wobei der IO-Link-Master Daten von den angeschlossenen Geräten abfragt.

Verschiedene Kommunikationsklassen des IO-Link-Standards

Die Kommunikation beginnt immer mit einem „Wake-up“-Ereignis, gefolgt von einer „Start-up“-Nachricht des Masters, um somit die unterstützte Geschwindigkeit des Geräts zu bestimmen. Weitere Kommunikationsparameter werden ausgelesen, sowie die Hersteller-ID und Geräte-ID überprüft, um schließlich die Kommunikation zu validieren. Innerhalb des Standards sind drei Übertragungsgeschwindigkeiten festgelegt, die als Kommunikationsklassen bekannt sind: COM1, COM2 und COM3. Jede Klasse bietet dabei unterschiedliche Geschwindigkeiten und eignet sich somit für spezifische Anwendungsanforderungen.

COM1: COM1 stellt die langsamste Kommunikationsklasse dar. Sie zeichnet sich durch längere Kommunikationszyklen aus, die besonders für Anwendungen relevant sind, in denen Stabilität und Präzision eine größere Rolle spielen, als eine schnelle Aktualisierungsrate. Die Übertragungsgeschwindigkeit von COM1 beträgt 4,8 kbit/s.

COM2: COM2 hingegen bietet mittlere Übertragungsgeschwindigkeiten. Sie eignet sich für Anwendungen, die eine ausgewogene Balance zwischen Geschwindigkeit und Präzision erfordern. Die Übertragungsgeschwindigkeit von COM2 beträgt 38,4 kbit/s. Diese Geschwindigkeitsklasse kann von Prozessen genutzt werden, die eine höhere Anzahl von Prozessdaten erfordern.

COM3: Die Geschwindigkeitsklasse COM3 bietet die höchste Übertragungsgeschwindigkeit im IO-Link-Standard. Sie zeichnet sich durch kürzeste Zykluszeiten aus und ist deswegen besonders für Anwendungen relevant, in denen eine hohe Geschwindigkeit der Datenaktualisierung von entscheidender Bedeutung ist. Die Übertragungsgeschwindigkeit von COM3 beträgt 230,4 kbit/s.

Flexible Kommunikation dank IO-Link

Die Auswahl der geeigneten Kommunikationsklasse hängt von den individuellen Anforderungen der Anwendung ab. Die Flexibilität dieser unterschiedlichen Geschwindigkeiten ermöglicht es also, die optimale Balance zwischen Geschwindigkeit, Präzision sowie Datenübertragungsrate zu finden. Insgesamt tragen die verschiedenen Kommunikationsklassen dazu bei, dass die IO-Link-Kommunikation schließlich effizient an die jeweiligen Anwendungsbedürfnisse angepasst werden kann.

Der Zugriff auf die übermittelten Daten erfolgt über den IO-Link-Master. Dieses intelligente Gateway fungiert somit als Schnittstelle zwischen den Sensoren und Aktuatoren einerseits sowie der übergeordneten Steuerung andererseits. Der IO-Link-Master sammelt nicht nur Daten von den angeschlossenen Geräten, sondern übersetzt diese auch in ein für die Steuerung verständliches Format. Dies ermöglicht folglich eine reibungslose Integration der Daten in den Produktionsprozess und eröffnet anschließend verschiedene Möglichkeiten für umfassende Analysen und die Überwachung im laufenden Prozess.

Die verschiedenen IO-Link-Mastern unterstützen jeweils unterschiedliche Kommunikationsprotokolle zur Verbindung mit der Steuerung. Diese Protokolle können Ethernet-basierte Standards wie z.B. Profinet, EtherNet/IP, Modbus TCP oder MQTT, aber auch Feldbusse wie z.B. Profibus oder DeviceNet umfassen. Die Auswahl des Protokolls hängt immer von den Anforderungen der Anwendung und der bereits vorhandenen Infrastruktur des Unternehmens ab. Dies ermöglicht eine nahtlose Integration von IO-Link-Geräten in bestehende Netzwerke und erleichtert die Kommunikation zwischen den Komponenten der Automatisierungssysteme.

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In der heutigen Industrielandschaft gibt es eine breite Palette von Herstellern, die IO-Link-Master anbieten. Branchengrößen wie z.B. Siemens, Pepperl+Fuchs, Balluff, Turck oder auch IFM Electronic sind bekannte Akteure in diesem Bereich. Diese Unternehmen bieten unter anderem eine Vielzahl von IO-Link-Mastern an, die sich in Bezug z.B. auf Anzahl der Anschlüsse, unterstützter Schnittstellen und Zusatzfunktionen unterscheiden.

Die IODD (IO Device Description) ist eine standardisierte, elektronische Gerätebeschreibung, die spezifische Informationen über einen IO-Link-fähigen Sensor oder Aktuator enthält. Diese Beschreibung stellt sicher, dass die Kommunikation zwischen einem IO-Link-Master und einem angeschlossenen Gerät auch herstellerübergreifend reibungslos verläuft und zudem alle relevanten Daten korrekt interpretiert werden.

Funktionen von IODD

1. Automatische Konfiguration: Dank der IODD kann ein IO-Link-Master automatisch die Konfigurationsparameter eines angeschlossenen Geräts erkennen und einrichten. Dies reduziert anschließend den manuellen Aufwand erheblich und minimiert außerdem mögliche Fehlerquellen bei der Gerätekonfiguration.
2. Erweiterte Diagnose: Die IODD ermöglicht es, detaillierte Diagnoseinformationen von IO-Link-Geräten abzurufen. Dies umfasst beispielsweise Statusmeldungen, Fehlercodes und Betriebszustände. Diese Diagnosedaten sind essentiell für eine präventive Wartung und verbesser zudem die Anlagenverfügbarkeit.
3. Flexibilität bei Gerätetausch: Wenn ein IO-Link-Gerät ausgetauscht werden muss, ermöglicht die IODD eine reibungslose Wiederinbetriebnahme. Der Master kann automatisch die erforderlichen Konfigurationsdaten aus der IODD des neuen Geräts extrahieren und anwenden.
4. Zugriff auf erweiterte Funktionen: Die IODD kann zusätzliche Funktionen und Parameter eines Geräts beschreiben, die über die Grundfunktionen hinausgehen. Dies ermöglicht dadurch eine präzisere Anpassung und Feinabstimmung der Geräte für spezifische Anwendungsanforderungen.
5. Zukunftssicherheit: IODD kann Aktualisierungen und Erweiterungen von Gerätefunktionen unterstützen. Dies ermöglicht es, IO-Link-Geräte mit neuen Features zu versehen, ohne die Kompatibilität mit bestehenden Anlagen zu beeinträchtigen.
6. Reduzierte Inbetriebnahmezeiten: Durch die Verwendung von IODD werden Inbetriebnahmezeiten verkürzt, da alle notwendigen Geräteinformationen bereits digital verfügbar sind. Dies beschleunigt die Einrichtung von Anlagen und erhöht die Effizienz.

Insgesamt trägt die IODD wesentlich zur Intelligenz und Benutzerfreundlichkeit von IO-Link-Geräten bei. Sie ermöglicht eine transparente Kommunikation, optimiert die Konfiguration und erleichtert die Wartung.

Die Kommunikation erfolgt über ein auf das Internet-Protokoll aufbauendes Netzwerkprotokoll wie z.B. Modbus TCP, MQTT oder HTTP und erfordert dabei zwingend einen externen IO-Link-Master, der das Internet-Protokoll unterstützt. Über Node-RED kann sich das System anschließend mit einem Node für das gewählte Netzwerkprotokoll mit dem Master verbinden und schließlich die gewünschten Werte abrufen. Die empfangenen Werte können dann von Node-RED aus direkt in eine interne oder externe Datenbank, wie z.B. die InfluxDB Times Series Data Platform, übertragen werden. Alternativ können die Daten aber auch direkt in Node-RED oder einem ausgelagerten Analyse-Modul analysiert und/oder zusammengeführt werden. Die Ergebnisse können dann in einem Dashboard visualisiert oder auch anderen Netzwerkteilnehmern per MQTT auf einem Broker bereitgestellt werden.

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