Um die Effizienz von Maschinen weiter zu steigern, braucht es zunehmend flexiblere und leistungsfähigere Sensorik und Aktorik. Selbst die kleinsten schaltenden Sensoren, beispielsweise Magnetschalter, bieten schon heute die dazu notwendige Intelligenz. Für den einfachen und rückwärtskompatiblen Anschluss dieser intelligenten Geräte auf der untersten Feldebene empfiehlt sich IO-Link als Kommunikationsstandard, der die Parametrierung und Diagnose speziell auch von kleinen Sensoren stark erweitert beziehungsweise in vielen Fällen gar erst ermöglicht. Zusätzlich bietet IO-Link bei der Analogwert-Übertragung messender Sensoren einen Vorteil gegenüber der immer noch üblichen 4- bis 20-mA-Schnittstelle: Neben dem Analogwert können zusätzliche Schaltpunkte ohne Mehraufwand mit höchster Genauigkeit in einem Prozess-datum digital übertragen werden.

Trotz dieser vielfältigen Vorteile ist es für die Akzeptanz von IO-Link unabdingbar, die Integration eines IO-Link-Geräts in die Steuerung für Anwender weiterhin möglichst einfach zu halten. Dies sicherzustellen, ist für Automatisierungsanbieter eine Herausforderung, da in einer Anlage die verschiedensten Sensoren von unterschiedlichen Herstellern zusammenzuführen und an einer Steuerung zu betreiben sind. Ein zusätzlicher Programmieraufwand darf durch intelligente Sensorik allerdings nicht entstehen. Hieraus leiten sich die Forderungen nach einer schnell durchführbaren fehlerfreien Integration und auch nach einem leistungsfähigen Geräteprofil ab.

Derzeit werden zur Konfiguration für jedes Gerät oft noch spezielle Software oder spezifische Funktionsblöcke benötigt. Auch das Einstellen von Schaltpunkten über Teach-in erfolgt herstellerspezifisch in verschiedenen Ausprägungen, zum Beispiel über Tasten oder zusätzliche Schaltleitungen. Die Kon-sequenz: Bei der Inbetriebnahme müssen Installateure fast immer das spezielle Datenblatt des Geräts zu Rate ziehen.

Profile helfen durch Vereinheitlichungen, den Integrationsaufwand gering zu halten und vereinfachen das Handling. Beispielsweise kann ohne Zusatzaufwand und Änderungen am Steuerungsprogramm ein Ultraschall-Sensor gegen einen optischen Distanzsensor ausgetauscht werden. Dazu ist eine aus Steuerungssicht gleichbleibende Prozessdatenschnittstelle ebenso notwendig wie die standardisierte Nutzung weiterer Funktionen, zum Beispiel Schaltpunkteinstellungen oder das Auslösen von Teach-Vorgängen. Das Smart-Sensor-Profil, welches direkt auf der IO-Link-Kommunikation aufsetzt, erfüllt nun diese Forderungen. Da die Interoperabilität der Geräte mit den IO-Link-Mastern bereits mit der „Kommunikations-Spezifikation“ festgeschrieben und gewährleistet ist, waren auf Protokollebene keine Ergänzungen notwendig.

Profil für eine Gerätekategorie

In der ersten Version beinhaltet das Smart-Sensor-Profil schaltende und messende Sensoren. Anders als beispielsweise das spezifische Encoder-Profil ist dieses Profil nicht auf bestimmte Geräte begrenzt, sondern gilt für eine komplette Geräte-klasse von messenden oder schaltenden Sensoren. Sowohl ein induktiver Näherungssensor als auch ein schaltender Pegelwächter können mit diesem Profil in die IO-Link-Kommunikation eingebunden werden. Messende Drucksensoren verhalten sich auf der IO-Link Schnittstelle identisch zu messenden Distanz- oder Ultraschall-Sensoren.

Eingliederung des Smart-Sensor-Profils: Anders als beispielsweise das Encoder-Profil gilt das Smart-Sensor-Profil für die komplette Geräteklasse messender und schaltender Sensoren.

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Diese Allgemeingültigkeit des Profils wurde erreicht, indem das Verhalten in so genannten sensorunabhängigen Funktionen beziehungsweise Funktionsklassen beschrieben wird. Dazu zählen:

• Identifikation der Geräte,
• Prozessdatenschnittstelle,
• Teach-Funktionalität,
• Verhalten und Einstellung von Schaltschwellen
• sowie Diagnose.

Geräte, die dem Profil entsprechen sollen, müssen wenigstens die Funktionsklassen Identifikation und Prozessdatenschnittstelle verbindlich umsetzen.

Bezüglich der Identifikation erweitert das Profil die „Kommunikations-Spezifikation“ des bisherigen IO-Link-Profils um wichtige Elemente, indem es verschiedene Datenobjekte verpflichtend vorschreibt. Das heißt: Ein Gerät, das dem Smart-Sensor-Profil entspricht, hält mehr Informationen über sich vor, als es der reine IO-Link-Standard vorschreibt. Außer dem Hersteller- und Gerätenamen sind das die Softwareversion sowie die Profilkennung. Über letztere gibt das Gerät Auskunft, welche Profile und welche Funktionsklassen es unterstützt.

Einheitlicher Zugriff auf Prozesswerte

Auf der Prozessdatenschnittstelle wird das Verhalten der „Kommunikations-Spezifikation“ konkretisiert und vereinheitlicht. Als eine Besonderheit müssen die Profilparameter zusätzlich im Smart-Sensor hinterlegt werden und sind somit jederzeit online von der SPS auslesbar. Profilspezifische Funktionsblöcke lesen diese Daten aus und nutzen sie, um die Prozessdaten von verschiedenen Sensoren umzurechnen und anschließend dem Steuerungsprogramm in einer einheitlichen Form bereitzustellen. Obwohl unterschiedliche Sensoren mit eventuell unterschiedlichen Auflösungen genutzt werden, resultiert daraus eine identische Darstellung aller Prozesswerte in der Steuerung. Damit ist eine Austauschbarkeit der Geräte ohne Engineeringaufwand gewährleistet und bietet dieselbe Einfachheit wie schaltende oder messende Sensoren an klassischen 4- bis 20-mA-Schnittstellen. Dies stellt einen gewaltigen Fortschritt in der Anwenderfreundlichkeit dar.

Profilspezifische Funktionsblöcke definieren in der Steuerung beispielsweise ein 14-Bit-Prozessdatum und wandeln die Sensorwerte in ein identisches Format.

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Eine andere, sehr wichtige neue Eigenschaft des Smart-Sensor-Profils liegt in seiner grundsätzlichen Struktur: Als so genanntes generisches Geräteprofil erlaubt dessen objektorientierter Aufbau, spezialisierte Profile darauf aufzusetzen. Somit bildet dieses Profil das Gerüst und die Basis für alle kommenden Erweiterungen. Interessenten für weitere Profile sind aufgerufen, zusammen mit dem IO-Link-Konsortium diese Erweiterungen zu erstellen.

Das Beispiel eines analogen Drucksensors zeigt eine mögliche Umsetzung des Profils. Der Sensor hat fünf verschiedene Funktionsklassen für Identifikation, Prozessdaten, Teach, Diagnose und Schaltpunkte (zweifach) implementiert. Bei diesem Gerät kann das Steuerungsprogramm über die im Profil festgelegten Definitionen unter anderem die Schaltpunkte und die Schaltlogik verändern. Des Weiteren lässt sich standardisiert ein Zweipunkt-Teach starten und die erweiterte Identifikation lesen. Die genauen Indices und Werte definiert das Profil. Ein Schreibvorgang auf das IO-Link „Systemcommand“ (Index 2) mit dem Wert 0x43 löst beispielsweise den Teach-Vorgang des Schaltpunkts 1 aus.

Alle Beteiligten profitieren

Durch das Profil ergeben sich verschiedene Vorteile, sowohl für Gerätehersteller und Anbieter von Automatisierungssystemen als auch für Systemintegratoren und Anwender. Allgemein zählen dazu ein geringerer Integrationsaufwand und die einheitliche Datenstruktur aus Sicht der Steuerung. Anwender und Integratoren können sich auf ein einfaches und vereinheitlichtes Geräteverhalten an der IO-Link-Schnittstelle verlassen.

Implementierungsbeispiel des Smart-Sensor-Profils: Der Drucksensor hat fünf verschiedene Funktionsklassen implementiert: Identifikation, Prozessdaten, Teach, Diagnose und Schaltpunkte (zweifach).

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Auch ein applikationsbedingter Wechsel zu einem anderen Sensorprinzip verursacht künftig keinen zusätzlichen Projektierungsaufwand. Gerätehersteller haben mit dem Smart-Sensor-Profil nun eine verlässliche Vorgabe, wie Funktionen und die Prozessdatenschnittstelle zu implementieren sind. Zudem profitieren sie von Profil-Funktionsblöcken, welche alle die am meisten genutzten Gerätefunktionen in den verschiedenen Automatisierungssystemen optimal unterstützen. Steuerungshersteller haben die Möglichkeit, mit den Profil-Funktions-blöcken den Integrationsaufwand für Anwender drastisch zu reduzieren und die IO-Link-Sensorik zu einem integralen Bestandteil ihres Automatisierungssystems zu machen.

Mit dem Smart-Sensor-Profil stehen für IO-Link-Geräte erstmals zusätzlich zur Gerätebeschreibung IODD nun in einem Profil vereinheitlichte Funktionen bereit. Sensoren lassen sich mit deutlich reduziertem Aufwand in die Steuerungswelt integrieren, ohne dabei Einschränkungen in der Flexibilität hinnehmen zu müssen. Im Profil wurden dabei die in der Praxis am meisten verwendeten übergreifenden Funktionalitäten wie der Teach-Vorgang, die Schaltpunkt-Parametrierung oder die Prozessdatendarstellung berücksichtigt. Zudem ist das Profil durch seinen objektorientierten Ansatz zukunftsfähig, erweiterbar und dient als Basis für alle nachfolgenden Profile.

Autor: Frank Moritz ist Leiter des Arbeitskreises IO-Link Technology und Produktmanager Sensor & Connectivity bei der Firma Sick in Waldkirch.