Von André Loburg

Seit einigen Jahren zeichnet sich ab, dass konventionelle Sensoren und Aktoren immer „intelligenter“ werden und auch Parameter- und Diagnoseleistungen zur Verfügung stellen. Bis dato hörte diese Intelligenz allerdings an der Schnittstelle der Sensoren und Aktoren auf, da es keine genormte und bidirektionale Anbindung hin zur Steuerungsebene gab. Daher war es üblich, alle Parameter vor Auslieferung einer Maschine oder in deren Inbetriebnahmephase händisch oder mit Hilfe eines PCs direkt am Sensor oder Aktor einzustellen. Die Sicherungskopie dieser eingestellten Parameter verblieb sehr oft im PC oder auf dem Papier des Inbetriebsetzers. Kam es später wegen eines Defekts zu einem Sensor- oder Aktortausch, so waren diese Parameter häufig nicht verfügbar und mussten erneut durch das Instandhaltungspersonal in das neue Gerät eingegeben werden.

Bevor jedoch der Sensoroder Aktortausch überhaupt stattfinden konnte, musste vielfach erst der Hersteller und Typ des Sensors/Aktors aus den Schaltungsunterlagen oder im Zuge einer Vor-Ort-Besichtigung ermittelt werden, weil eine durchgängige Diagnose und Typerkennung nicht gegeben war. Deshalb konnte auch die vorbeugende Instandhaltung einer Anlage oder Maschine nicht effizient erfolgen, weil etwa Qualitätsdaten über die Güte von Sensoren oder Schaltspiele für Aktoren weder vorhanden noch auswertbar waren.

Auf Abhilfe sann am 26. September 2003 die Profibus Nutzerorganisation. Sie initiierte seinerzeit einen Arbeitskreis namhafter Automatisierungs-, Sensorik- und Aktorikhersteller mit dem Ziel, den „letzten Meter“ innerhalb einer durchgehenden Automatisierungsstruktur (Automatisierungspyramide) kommunikativer und intelligenter zu machen. Das Ergebnis dieser Arbeiten heißt IO-Link und geht jetzt mit ersten Applikationen ins Feld.

Wo liegt der Anwendernutzen?

Herkömmliche Automatisierungsstruktur: Eine durchgängige Diagnose von der Leittechnik aus ist nicht möglich

Die neue Kommunikationstechnik IO-Link bietet Vorteile in allen Phasen des Maschinen-Lifecycles wie Installation, Engineering, Inbetriebnahme, Betrieb und Wartung. In der Installationsphase hat der Maschinenbauer die Arbeitserleichterung, zukünftig nur noch eine Leitung verlegen zu müssen, nämlich eine standardisierte ungeschirmte 3-Draht-Leitung zwischen der Steuerungsebene und dem jeweiligen Sensor beziehungsweise Aktor. Infolge dieser Vereinfachung bei der Montage ist es möglich, sowohl einen binär schaltenden Sensor/Aktor als auch eine mehrstufige Signalleuchte über die gleiche standardisierte 3-Draht-Leitung anzuschließen. Wesentlich einfacher wird auch die Verdrahtung analoger Messwertgeber, da diese nicht mehr mit einer geschirmten Leitung angeschlossen werden müssen. Dies spart Lagerhaltungskosten für unterschiedliche Leitungstypen ein, reduziert und vereinfacht den Verdrahtungsaufwand und senkt erheblich das Fehlerrisiko bei einer Installation.

Da die IO-Link-Anbindung angelehnt ist an die genormte Schnittstelle für Näherungsschalter (IEC 60947-5-2), ist für die Installation der Geräte kein zusätzliches Werkzeug nötig. Außerdem ist Kompatibilität zu bestehenden Sensor-/Aktor-Anbindungen gegeben, sodass es zulässig ist, IO-Link-Sensoren mit herkömmlichen Sensoren zu mischen. Die IO-Link-Sensoren können dann wahlweise an einem IO-Link-Master mit vollem IO-Link-Funktionsumfang betrieben werden oder an einer Standardbaugruppe als Standard-Digital-Ein-/Ausgang.

Das Engineering

IO-Link ermöglicht jetzt die benutzerfreundliche Sensor/Aktor-Parametrierung mit einem zentralen Engineeringtool.

Mussten intelligente Sensoren/Aktoren bisher direkt lokal vor Ort am Gerät oder über die jeweilige Herstellersoftware per PC-Kabel konfiguriert und parametriert werden, so kann dies bei IO-Link-Geräten jetzt vom PC-Arbeitsplatz oder von einer Warte heraus mit einem zentralen Engineeringtool erfolgen: über den Feldbus bis hin zum Sensor/Aktor. Diese Engineeringtools – beispielsweise Step 7 von Siemens – reduzieren dabei durch eine herstellerübergreifende Konfiguration und Datenhaltung nicht nur die zahlreichen Parametrierungstools diverser Hersteller, sondern bewirken auch reproduzierbares Setzen von Sensor- und Aktorparametern, weil diese jetzt zentral innerhalb eines Projektes und im gleichen Datenformat speicherbar sind. Parallel zur zentralen Datenhaltung wird beim Parametrieren wertvolle Zeit eingespart, zum einen wegen der für alle Sensoren/Aktoren einheitlichen Benutzerführung im Engineeringtool, zum andern wegen des Wegfalls der Vor-Ort-Einsätze.

Sollten die Daten eines Sensors oder Aktors einmal nicht im zentralen Engineeringtool vorhanden sein, so ist es möglich, diese über die von jedem Anbieter zur Verfügung gestellte IODD- oder GSD-Datei zu importieren. Nutzer haben dann die Wahl, die Parametrierung über den Portkonfigurator des Engineeringtools oder über die TCI–Schnittstelle (Tool Calling Interface) mit Hilfe eines Sensor-/Aktor-Herstellertools zu parametrieren. Bei der Parametrierung über die TCI-Schnittstelle können die Daten innerhalb des jeweiligen Formats des Sensor-/Aktor-Herstellers gespeichert werden.

Die Inbetriebnahmephase

Auch während einer Inbetriebnahme hat IO-Link Vorteile: Techniker müssen in der Startphase der Anlage/Maschine nur den festen Sitz der IO-Link-Verbindung prüfen, da Verdrahtungsfehler wegen der standardisierten 3-Draht-Leitung nahezu auszuschließen sind. Zusätzlich lässt sich die Erreichbarkeit/Parametrierung des IO-Link-Gerätes mit Hilfe des Engineeringtools testen. Benötigen mehrere Geräte innerhalb einer Maschine die gleiche Konfiguration/Parametrierung, so kann diese dupliziert und an jedes weitere Gerät gesendet werden.

Damit Inbetriebsetzern ein hohes Maß an Flexibilität bei der Sensor-/Aktor-Parametrierung bleibt, haben sie weiterhin die Möglichkeit, die Geräte direkt vor Ort zu editieren oder zu teachen. Später können sie dann festlegen, welche Einstelldaten über IO-Link in das zentrale Engineeringtool geladen und dort abspeichern werden sollen.

Erhöhung des Wirkungsgrades

Um den Wirkungsgrad von Anlagen und Maschinen zu steigern, ist es jetzt möglich, die Konfiguration/Parametrierung von IO-Link-fähigen Sensoren während des Betriebs vorzunehmen. Inbetriebsetzer können auf diese Weise eine Optimierung von Maschinen deutlich besser als bisher mit dem Prozess abstimmen und verkürzen wegen des direkten Datenzugriffes über den Feldbus nebenbei auch noch den Einstellprozess, da Parameter nicht direkt am Gerät eingestellt werden müssen. Nach Abschluss der Inbetriebnahme, also im laufenden Betrieb, erhält der Betreiber infolge vollständiger Transparenz – beginnend von der Leitebene bis hinunter in die Sensor-/Aktorebene – alle Diagnoseinformationen. Fällt etwa eine Maschine aus, so lässt sich jetzt von der Leitebene aus erkennen, welcher Sensortyp welchen Herstellers den Maschinenstillstand verursacht hat. Der neue Sensor kann dann zum Wartungseinsatz an der Maschine mitgebracht werden und er erhält nach Austausch von der SPS oder dem IO-Link-Master automatisch seine Parameterdaten. Diese automatische Parametrierung und die Vorabinformation über den defekten Sensor reduzieren die Stillstandszeiten einer Maschine deutlich.

Überwachung der Qualität

Nimmt die Qualität oder die Produktivität einer Maschine während der Betriebsphase ab, ist die Ursachenforschung mit Hilfe von IO-Link und dem Engineeringtool sehr einfach. So lässt sich der Verschmutzungsgrad eines optischen Sensors prüfen oder aber der Schaltpunkt eines Distanzsensors über das System neu kalibrieren, um damit Toleranzen einzuhalten und das Qualitätsniveau zu steigern. Die neue Technik eignet sich aber nicht nur zur Qualitätskontrolle und -steigerung, mit ihr ist auch eine flexible Produktion besser möglich als bislang. Werden beispielsweise schon seit zwei Tagen in einer Fabrik gelbe Fußbälle produziert und möchte der Hersteller nun blaue fertigen, so kann er dies aufgrund der IO-Link-Technik ohne Anhalten der Produktion bewerkstelligen: Denn ein Austausch der Konfigurations- und Parameterdaten des Farbsensors, der die Richtigkeit der Farben prüft, ist während des Betriebs jederzeit zulässig.

Autor

André Loburg ist Gruppenleiter des Produktmanagements Simatic Peripherie ET200 bei Siemens und Mitglied im PNO-Arbeitskreis „IO-Link Marketing“.