Vor elf Jahren Jahren in den Markt gekommen, ist IO-Link in der Industrie mittlerweile breit etabliert. Dass von Anwender-Seite früher oder später der Wunsch aufkommt, mit der kommunikativen Schnittstelle auch Maschinen sicher machen zu können, verwundert nicht. Darauf hat die IO-Link-Community reagiert und eine entsprechende Safety-Spezifikation auf den Weg gebracht. Parallel stellte dazu die Firma Balluff – einer der Pioniere beziehungsweise seit Anbeginn treibende Kraft hinter der IO-Link-Entwicklung – mit ‚Safety over IO-Link‘ auf der SPS IPC Drives 2016 eine eigene Lösung für die sicherheitsgerichtete Kommunikation auf Basis von IO-Link vor.

Mit zwölf sicheren Eingängen und zwei sicheren Ausgängen in einer robusten Metallausführung und durchgängig steckbar ist dieses sichere E/A-Modul von Balluff überall einsetzbar.

© Balluff

Das sichere E/A-Modul ist in der Lage, sämtliche Signale wie beispielsweise Schaltkontakte oder OSSD-Si-gnale sicher zu  verarbeiten. Es überwacht die angeschlossene Sensorik, übermittelt deren Status an die über-geordnete Profisafe-Steuerung und kann auf umgekehrtem Wege Aktoren sicher abschalten. Eine weitere  Besonderheit ist, dass das Gerät auch simple Standard-Sensorik und -Aktorik aufnehmen kann und damit gegebenenfalls einen zusätzlichen Standard-Sensor-/Aktorhub überflüssig macht. Realisierbar sind mit diesem Ansatz Sicherheitsanforderungen bis PLe/SIL3.

Charakteristisch an der Sicherheitslösung ist: Der eingesetzte IO-Link-Master ist und bleibt ein nicht sicherheitsgerichtetes Standardgerät. Mit anderen Worten: Sicherheitsbezogene Signale werden unangetastet durch den Master hindurch über alle dazwischen- liegenden Ebenen hinweg zur Steuerungsebene getunnelt und erst dort verarbeitet. Dass dafür ein vorhandener IO-Link-Master genutzt wird, der selbst kein Safety-Gerät ist, erweist sich als Kostenvorteil. 

Wie eingangs angesprochen, ist ‚Safety over IO-Link‘ von Balluff nicht der einzige IO-Link-Safety-Standard. Auch die IO-Link-Community hat ein neues Kapitel aufgeschlagen: Mit der ­Freigabe und Veröffentlichung der IO-Link-Safety-Spezifikation durch die IO-Link-Community sowie der erfolgreichen Konzeptbeurteilung durch den TÜV Süd steht der Umsetzung in Systeme und Geräte nichts mehr im Wege. Ein einsatzfähiges Geräteportfolio basierend auf diesem Standard ist laut Andreas Glasenapp allerdings frühestens Ende 2018 verfügbar.

Bekanntlich ist auch Balluff Mitglied in der IO-Link-Community und trägt seit Jahren zur Schaffung universeller Standards bei. Ein ­Widerspruch? „Keineswegs“, betont Matthias Bristle, Produktmanager Safety bei Balluff, und ergänzt: „Wir betrachten Safety over IO-Link als Ergänzung zur noch nicht einsatzfähigen Community-Lösung.“

Zwei Safety-Ansätze – wo ist der ­Unterschied?

Technisch ist das am Markt noch nicht verfügbare ‚IO-Link Safety‘ etwas anders aufgebaut als Safety over IO-Link: Es basiert nicht auf dem Tunneling-Prinzip und nutzt keine vorhandenen IO-Link-Master, sondern erfordert einen neuartigen integrierten IO-Link-Safety-Master. Zudem ist die Lösung   – abhängig von der Konfiguration des Safety-Masters – grundsätzlich an alle überlagerten Feldbus-Safety-Protokolle adaptierbar. IO-Link Safety folgt damit im Kern dem IO-Link-Prinzip der Feldbus-Unabhängigkeit. Demgegenüber ist Safety over IO-Link – zumindest derzeit – an das Protokoll Profisafe/Profinet und an mit diesen Standards kooperierenden Steuerungen gebunden.

Was den Konfigurationsaufwand für IO-Link ­Safety betrifft: Die Authentifizierung ergibt sich aus der Zuordnung zum Master-Port, und die Überwachungszeit je Device wird automatisch ein­gestellt. Wie bei IO-Link können Devices ohne den Einsatz eines Engineering Tools ausgetauscht werden. Ein ausgetauschtes Device erhält nach Wiederanlauf automatisch die gespeicherten Parameter seines Vorgängers. Zudem sorgt die Authentifizierung dafür, dass Verwechslungen aber auch Manipulationen ausgeschlossen werden.

Matthias Bristle, Balluff: "Wir sind überzeugt, dass die Koexistenz beider Systeme der weiteren Entwicklung von IO-Link zunächst einmal guttun wird."

© Balluff

Eine große Herausforderung ist die offene und sichere Parametrierung von sicherheitsgerichteten Komponenten. IO-Link-Safety-Devices besitzen immer eine Gerätebeschreibung – eine sogenannte IODD –, welche die Kommunikationseigenschaften, die Identifikation, die Parametrierung und die Dia-gnose vollständig enthält. Die einschlägigen Normen verlangen aber ein ‚Dedicated Safety Tool‘, um Manipulationen auszuschließen. Daher gibt es eine Software-Schnittstelle zur Integration der zu den Devices gehörenden Dedicated Tools in die IO-Link-Engineering-Tools. Das ‚Device Tool Interface‘ (DTI) ist laut der IO-Link-Community sehr einfach gehalten und stellt somit sicher, dass die Integration in die vorhandenen IO-Link-Engineering-Tools kein Problem darstellt und auf der Device-Seite auch vorhandene sicherheitsgerichtete Gerätesoftware leicht angepasst und weiterverwendet werden können. Wichtig hierbei sei, dass das Paket aus IO-Link-Safety-Device, IODD und ‚Dedicated Tool‘ unverändert weltweit in allen Systemumgebungen einsetzbar ist.

Der letztlich gegenüber dem Safety-Hub von Balluff technologisch anspruchsvollere und voraussichtlich deutlich aufwendigere Safety-Master erlaubt also die Implementierung eines einheitlichen, schlanken Protokolls anstatt unterschiedlicher Tunnels. Wenn in dem Zusammenhang gelegentlich Fragen nach AS-i aufkommen, schüttelt Andreas Glasenapp den Kopf: „Hier werden Äpfel mit Birnen ver­glichen, denn AS-i ist ein Feldbus, IO-Link hingegen eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Beide Konzepte haben ihren Platz am Markt und un-terschiedliche Vorteile. Speziell wenn es um Datentransparenz, Parametrierung  und  Diagnose geht – was schließlich wesentliche Voraussetzungen für den Einsatz in Industrie-4.0-Applika­tionen sind –, bietet IO-Link viele ­Vorteile.“

Fakt ist: Zwar können auf Basis der unlängst verabschiedeten Spezifikation die Hersteller jetzt beginnen, IO-Link Safety in ihre Systeme zu integrieren. Hand in Hand bereitet die Community parallel dazu die Testspezifikation und Testsysteme sowie die Zertifizierung vor. Derzeit gibt es allerdings für IO-Link Safety noch keine Komponenten. Wer seine vorhandene IO-Link-Infrastruktur schon heute um den Faktor Sicherheit ergänzen will, findet jedoch in Safety over IO-Link eine sofort verfügbare Technologie in einem System vor. „Ob es mittel- bis langfristig ein Nebeneinander oder ein Verschmelzen beider Systeme geben wird, vermag heute noch niemand vorauszusagen“, fasst Matthias Bristle zusammen. Gerätehersteller werden freilich daran interessiert sein, dass beide Konzepte untereinander kompatibel sind. In welcher Form das Realität werden wird, ist Bristle zufolge noch zu prüfen. Balluff werde in jedem Fall beide Konzepte unterstützen beziehungsweise dadurch für größtmögliche Kompatibilität sorgen.

Und für beide Konzepte gelte gleichermaßen: Was Anwender seit Jahren an IO-Link schätzen – nämlich Installationsvereinfachung, mehr Platz im Schaltschrank, Universalität, ungehinderter Datenaustausch, einfache wie transparente Parametrierungs- und Diagnosekonzepte mit Blick bis auf die Prozessebene – trifft künftig auch auf die  sicherheitsrelevanten Ebene zu. Indem Standard-Automatisierung und Sicherheit auf einfache und transparente Art zusammenführt beziehungsweise skalierbar und beliebig mischbar sind, sparen Anwender Zeit, Platz und Geld, weil aufwendig und parallel verdrahtete Sicherheitslösungen entfallen. Alles in allem führt die hoch integrative System-infrastruktur zu mehr Übersicht und Flexibilität, da Anlagen bei Bedarf bis zur letzten Minute umgebaut werden können – so wie es auch im Kontext von Industrie 4.0 zunehmend gefordert wird.

Was ist IO-Link?

IO-Link ist eine standardisierte IO-Technologie (IEC 61131-9), um mit Sensoren und Aktoren zu kommunizieren. 

Die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation basiert dabei auf dem bekannten 3-Leiter-Sensor/Aktor-Anschluss. Die Verbindung zwischen IO-Link-Master und -Device erfolgt über eine maximal 20 m lange, ungeschirmte Leitung. Die Anschlussbelegungen auf Basis M5, M8 und M12 sind standardisiert. Die große Mehrheit der IO-Link-Geräte wird mit einer M12-Steckverbindung ausgestattet, welche uneingeschränkt für den schaltenden und kommunikativen IO-Link-Betrieb nutzbar ist. Jeder Port eines IO-Link-Masters ist in der Lage, binäre Schaltsignale und Analogwerte (zum Beispiel 8 bit, 12 bit, 16 bit) zu verarbeiten. Die serielle IO-Link-Kommunikation findet über den gleichen Port statt.

Standardmäßig stehen 2 Byte Prozess-daten pro Zyklus zur Verfügung. Für die Übertragung zwischen IO-Link-Master und -Device werden 400 μs, bei einer Geschwindigkeit von 230 kbaud, benötigt. Der Anwender kann auch größere Datenpakete (Frametypen) wählen – bei entsprechend langsamerer Zykluszeit lassen sich Prozessdaten mit einer Länge von bis zu 32 Byte übertragen.

Jedes IO-Link-Device besitzt eine IODD (IO Device Description). Dabei handelt es sich um eine Gerätebeschreibungsdatei, in welcher Hersteller, Artikelnummer, Funktionalität etc. enthalten sind. Diese Informationen sind vom Anwender einfach auslesbar und weiter zu verarbeiten. Sowohl über die IODD als auch über eine interne Device-ID ist jedes Device eindeutig  identifizierbar.