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Flexibel via Funk

23. Juni 2022, 7:25 Uhr | Sandra Nippert
Flexibel via Funk
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IO-Link ist zentraler Baustein für die Fabrik der Zukunft: Als digitale Schnittstelle ermöglicht er eine feldbusunabhängige Punkt-zu-Punkt-Verbindung sowie eine nahtlose Kommunikation zwischen Sensor und Automatisierungssystem. Was bringt die kabellose Variante?

An Automatisierungslösungen werden im industriellen Umfeld hohe Anforderungen gestellt. Die daraus resultierenden Herausforderungen beeinflussen die Art und Weise, ob und wie Daten generiert und transportiert werden können. Vor allem in engen Platzverhältnissen oder mobilen sowie dynamischen Anwendungen ist die Verkabelung von Sensoren und Aktoren häufig die größte Hürde bei der Implementierung verschiedenster Use Cases. Hier bietet sich der Umstieg auf die Wireless-Technologie an, die Leitungen und Kabel durch die berührungslose Datenübertragung obsolet werden lässt. Und auch bei der Nach- oder Umrüstung vorhandener Anlagen kann die Nutzung von Wireless-Technologien sinnvoll sein, insofern als ein Eingriff in die bestehende Anlagenarchitektur hierbei nicht nötig ist.

Für die Fabrik der Zukunft und das Industrial Internet of Things (IIoT) ist IO-Link ein zentraler Baustein. Der Kommunikationsstandard ermöglicht als digitale Schnittstelle sowohl eine feldbusunabhängige Punkt-zu-Punkt-Verbindung als auch die nahtlose Kommunikation zwischen Sensor und Automatisierungssystem. Durch die Erweiterung um eine kabellose IO-Link-Variante sind neue Anwendungsfelder denkbar.

Wireless in der industriellen Automation

IO-Link Wireless ist ein internationaler Funkstandard, der das 2,4 GHz ISM- Frequenzband nutzt, so dass dieser Standard weltweit lizenzfrei verwendbar ist. Doch für welche Anwendungsszenarien?

In der Robotik beispielsweise stehen dynamische Bewegungsabläufe auf drei Achsen auf der Tagesordnung. Eine Verkabelung ist hier durch diese erschwerten Bedingungen oftmals aufwendig und kostspielig. Werden Sensoren und Aktoren fest verdrahtet, besteht zudem das Risiko eines Ermüdens oder Brechens der Kabel und Kontakte durch Torsionskräfte. Die Folge: Maschinenstillstand. Eine berührungslose Datenübertragung ermöglicht bei Roboterarmen neue Anwendungen – in Kombination mit berührungsloser Stromversorgung sind künftig sogar ganz neue Anwendungsfälle denkbar.

Auch für fahrerlose Transportsysteme bietet sich IO-Link Wireless als Lösung zum Generieren wertvoller Daten an. Agieren die Transportsysteme unter hohen Geschwindigkeiten, konnte bisher durch die Notwendigkeit fester Verdrahtungen und Verkabelungen auf dem Schlitten keine Sensorik verwendet werden. Über IO-Link Wireless können nun auch bei solchen Transportsystemen Sensoren installiert werden, um Daten berührungslos an die nächste Steuerung zu übergeben. Dazu hält die Basiseinheit mit einer Reichweite von 10 bis 20 m jederzeit Kontakt zu den installierten Komponenten und greift die benötigten Daten ab, um sie gesammelt zur weiteren Analyse zur Verfügung zu stellen.

Generell gilt: IO-Link Wireless eignet sich insbesondere für Einsatzbereiche, die wenig Platz für Sensorik bieten, jedoch eine hohe Prozesssicherheit erfordern. Ohne die Notwendigkeit einer Verkabelung können Condition Monitoring-Sensoren so auch an schwer zugänglichen Stellen installiert werden – etwa als Nachrüstung an bestehenden Maschinen und Anlagen.

Mit der Erweiterung des Portfolios um eine kabellose IO-Link-Variante etabliert sich also ein neuer Kommunikationsstandard für die intelligente Fabrikautomation. Wie sieht dies nun etwa bei Balluff konkret aus?

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Anstatt per Kabel empfängt der Wireless-Master die Sensordaten per Funk über eine Bridge (rechts) oder einen Hub (links).
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Anstatt per Kabel empfängt der Wireless-Master von Balluff die Sensordaten per Funk über eine Bridge oder einen Hub. IO-Link Wireless baut auf der standardisierten IO-Link-Technologie (IEC 61131-9) auf und erfüllt so alle Ansprüche der Fabrikautomation. Da IO-Link Wireless in einem Frequenzbereich von 2,4 bis 2,483 GHz weltweit lizenzfrei nutzbar ist, sind Störungen beispielsweise durch den gleichzeitigen Betrieb von WLAN-Systemen ausgeschlossen. Die implementierte Frequency Hopping-Funktion ermöglicht es, überlastete Frequenzkanäle zu vermeiden. Durch zusätzliches Blacklisting lassen sich darüber hinaus bekannte bereits belegte Kanäle direkt ausschließen.

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Über den IO-Link-Master werden die intelligenten Sensoren und Aktoren mit der Steuerung verbunden.
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Die Geräte kommunizieren über einen Knotenpunkt (IO-Link Master) direkt mit der Steuerung, was eine stabile und kontinuierliche Verbindung von Master zu Device sicherstellt. Dabei ist IO-Link Wireless flexibler als kabelgebundene Varianten und bietet hohe Skalierbarkeit. Mit einem IO-Link Master mit fünf Tracks lassen sich über acht Ports insgesamt 40 IO-Link Devices verbinden. Weitere Devices können – je nach Notwendigkeit in der Anwendung – über einen zusätzlichen Master angebunden werden.

Großes Augenmerk bei der Entwicklung von IO-Link Wireless lag für Balluff auf der hohen Zuverlässigkeit: Eine Latenz von 5 ms sowie eine Paketdatenfehlerrate von 10-9 ermöglichen eine direkte Anbindung sowie schnelle und zuverlässige Datenübertragung – mit derselben Kommunikationsstabilität wie beim kabelgebundenen IO-Link-Standard. Damit liegt die Fehlerrate deutlich geringer als bei anderen Wireless-Technologien wie beispielsweise WLAN, Bluetooth oder 5G. Da über IO-Link – sowohl bei kabelgebundenen als auch Wireless Varianten – zumeist nur Prozessdaten übertragen werden, ist eine unverschlüsselte Verbindung ausreichend. Mit einer Reichweite von 10 bis 20 m bewegen sich die Daten außerdem in einem eingeschränkten Betriebsumfeld – Fragen zum Thema Datensicherheit stellen sich beim Einsatz des Systems daher nicht.

Einfach in Bestandsanlagen nachrüsten

Alle IO-Link Wireless-Komponenten – Master, Bridge oder Hub – eignen sich insbesondere für Retrofit-Lösungen, da sie sich unabhängig von der bereits bestehenden Maschinenarchitektur in Bestandsanlagen integrieren lassen. Dafür müssen – im Gegensatz zu verkabelten Varianten – keine Kabelkanäle aufgebrochen oder in die Bestandsarchitektur eingegriffen werden. Produktmanager Michael Zahlecker erklärt: „Der Eingriff ist sozusagen minimalinvasiv. Für die Implementierung von IO-Link Wireless wird nur eine Spannungsversorgung benötigt. Diese ist aber in bestehenden Maschinen bereits vorhanden – zusätzliche Kabel sind also nicht notwendig“.

Hinsichtlich der Inbetriebnahme sind alle Devices über den integrierten Webserver konfigurierbar. Auch für modular aufgebaute Anlagenkonzepten bietet sich IO-Link Wireless an, da zusätzliche Komponenten jederzeit ohne aufwendigen Eingriff in die Maschinenarchitektur ergänzt werden können.

Ergänzung zu kabelgebundenen Lösungen

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Die Autorin: Sandra Nippertist tätig im Bereich Corporate Communication bei Balluff in Neuhausen a.d.F.
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Die zunehmende Flexibilisierung in der modernen Fertigung wird einen Anstieg des Anteils an Wireless-Lösungen im industriellen Umfeld bedingen, wobei diese kabelgebundene Lösungen ergänzen werden. Gerade die Kombination unterschiedlicher Lösungen eröffnet vielfältige Möglichkeiten: Hierbei spielen die Anforderungen der Anwender eine zentrale Rolle: Wohin werden die Daten gesendet – per Funk an eine Cloud oder zur nächsten Basisstation? Werden Daten wie bei IO-Link Wireless zunächst zur nächsten Steuerung transportiert? Oder müssen Daten in Echtzeit zur Verfügung stehen? All diese Fragen beeinflussen die Kombination verschiedenster Wireless- oder kabelgebundener Lösungen. Das heißt, IO-Link Wireless steht in keinerlei Konkurrenz zu kabelgebundenen Lösungen, sondern stellt vielmehr eine vielversprechende Erweiterung dar. Die Übertragungsrate liegt bei einem Byte alle 5 ms – eine höhere Datenmenge kann die Geschwindigkeit dabei minimal verlangsamen.

Zugrunde liegen sollte jedem Anwendungsfeld also eine gründliche Analyse der Ausgangssituation. Themen wie Stromübertragung, Zuverlässigkeit sowie die Datenübertragung in Echtzeit sind Faktoren, die bedacht und abgewogen werden sollten.


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