Auf der SPS/IPC/Drives in Nürnberg werden fast alle namhaften Steuerungshersteller sowie die meisten Sensor- und Aktorhersteller Produkte mit IO-Link-Interface vorstellen. Nun muss die Technologie in realen Applikationen ihre Vorteile als Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle zwischen Steuerungen und der Sensor/Aktor-Ebene beweisen. Unbestritten ist die Bedeutung der Schnittstelle für künftige Generationen intelligenter Sensoren und Aktoren. IO-Link schließt hier eine Lücke, die kein anderer bekannter Kommunikationsstandard erfüllt. Eine Vielzahl der Sensoren kommt mit einem einfachen 24-V-Schaltausgang aus. Hierunter fallen die meisten induktiven und optischen Positionsschalter. Die verwendete Schnittstelle – ein Schaltausgang mit pnp-Logik – ist weltweit genormt und wird von allen Steuerungsherstellern unterstützt, abgesehen von der teilweise in USA und Japan noch benutzten npn-Variante. Für die einfache Sensorik wird dies wohl auch in Zukunft so bleiben. IO-Link würde die Anschaltung solch einfacher Sensorik nicht verbessern, sondern allenfalls verteuern.

Am anderen Ende der Leistungsskala stehen komplexe Sensoren, beispielsweise Vision-Sensoren. Diese Kategorie benötigt eine hoch performante Schnittstelle zur Übertragung von großen Datenmengen zur Steuerung, etwa Live-Bilder für Wartungszwecke. Für diese Geräteklasse hat sich Ethernet als Kommunikationsstandard weitgehend etabliert. Allerdings ist es nicht gelungen, einen weltweit einheitlichen Dialekt zu etablieren, so dass die Protokolle in der Regel von der jeweiligen Steuerung abhängen.

Die Aufgabe: Integration intelligenter Sensoren

Bei einfachen und komplexen Sensoren gibt es keine Diskussionen über die optimale Schnittstelle: Schaltausgang und Ethernet

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Zwischen diesen beiden Extremen gibt es eine weitere Gerätekategorie: intelligente Sensoren mit einem mittleren Kommunikationsbedarf. Diese Sensoren gewinnen in den nächsten Jahren an Bedeutung, da sie mehr als nur eine binäre Information (Ein/Aus) generieren. Das fängt an bei Sensoren mit mehr als einem Schaltausgang, setzt sich fort über die Vielzahl analoger Messgrößen und endet bei der Inline-Parametrierung. Der vermehrte Einsatz solcher Sensoren erschließt dem Maschinenbau erhebliche Effizienz-Potenziale; denn nur was messbar ist, lässt sich auch steuern und regeln. Allerdings müssen solche Messstellen gegenüber herkömmlichen Lösungen bezahlbar bleiben. Immer mehr Sensorhersteller haben dies erkannt und bieten günstige Analogsensoren an. Den Kostenaspekt gilt es ebenso beim Interface zur Steuerung zu berücksichtigen. Die derzeitige Lösung – eine 4- bis 20-mA-Schnittstelle und/oder ein serieller Kommunikationskanal für Parameter – ist bei intelligenten Sensoren kostenseitig jedenfalls ein echtes Hemmnis.

Funktional die ideale Schnittstelle für diese Klasse von Sensoren ist IO-Link, die sich auf der Sensorseite als relativ preiswert erweist. Und auch der Eingangskanal in der Steuerung ist meist günstiger als ein Analog-Eingangskanal. Bislang gibt es kein alternatives oder gar vorteilhafteres Konzept am Markt, zumal IO-Link abwärtskompatibel zum binären Schaltausgang ist. Dies macht eine Migration sowohl für Sensorhersteller als auch Anwender leicht.

IO-Link bietet die einzigartige Chance, die komplette Sensorwelt – vom einfachen Binärschalter bis hin zum komplexen Vi­sion-Sensor – mit nur drei weltweit standardisierten Schnittstellen zu bedienen:

■ Binäre Sensoren über den Schaltausgang,
■ komplexe Sensoren per Ethernet
■ und für den Rest der Sensorik eben IO-Link.

Durch die internationale Standardisierung in der IEC 61131-9 als „Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators“ (SDCI) wird der Status von IO-Link als herstellerunabhängige Schnittstelle festgeschrieben. Das garantiert die Kompatibilität der Geräte verschiedener Hersteller und die Kontinuität der Spezifikation. Beides ist wiede­rum Vorrausetzung für den Schutz der Investitionen von Anwendern in IO-Link.

Fehleinschätzung: IO-Link ist ein Feldbus

IO-Link zielt auf "Intelligentere" Sensoren mit mehreren Binär-Ausgängen, analog arbeitende Sensoren oder zusätzlicher Funktionen wie Teach-in und Diagnose

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Anfänglich von einigen Anbietern als neuer Feldbus angepriesen, warf das sofort die Frage auf, wo sich IO-Link im Vergleich zu AS-i, CAN und Profibus positioniert. IO-Link ist aber gar kein Bussystem, sondern eine digitale serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung und steht im Wettbewerb zu klassischen analogen Schnittstellen (4 bis 20 mA und 0 bis 10 V) auf der einen Seite und etablierten, aber aufwen­digen seriellen Schnittstellen, wie RS 232 und RS 422, auf der anderen Seite. Die Ansätze einiger Hersteller, IO-Link als Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen einer Sensor/Aktor-Box und der überlagerten Steuerung zu benutzen, sind im Wettbewerb zu parallel verdrahteten Sensor/Aktor-Boxen zu sehen. Die vielfältigen Vorteile in der Topologie, wie sie nur Feldbusse bieten, lassen sich damit nicht realisieren. Auch dies ist ein Beleg, dass IO-Link eine optimierte serielle industrietaugliche Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle darstellt.

Ein weiterer Kostenpunkt, den IO-Link beseitigt, sind die Aufwendungen für die Parametrierschnittstelle, die viele analoge Sensoren vorhalten – in der Regel eine RS-232-Schnittstelle. Neben dem meist zur Übertragung des Analogsignals notwendigen teureren abgeschirmten Kabels werden zusätzliche Adern für die serielle Schnittstelle benötigt. Beides – der Analog-Ausgang am Sensor und das Kabel – verteuern die Messstelle. Zudem müssen steuerungsseitig ein Analog-Eingang und möglicherweise ein serieller Port vorhanden sein.
Ein Standardsensor mit IO-Link-Schnittstelle deckt dagegen alles ab und benötigt lediglich ein ungeschirmtes 3-adriges Standard-Kabel. Beides ist deutlich preisgünstiger als derzeitige Lösungen. Zudem bieten die meisten SPS-Hersteller den IO-Link-Eingangskanal inzwischen unterhalb des Preises eines Analogkanals an. In Summe resultiert daraus eine erhebliche Kos­tenersparnis bereits beim Einkauf, die bei mindestens 20 % liegt. Mittelfristig führt dies dazu, dass es hinsichtlich der Kosten keine Unterscheidung mehr zwischen analogen und binären Sensoren geben wird: Der Standardsensor hat künftig eine IO-Link-Schnittstelle und liegt preislich auf dem Niveau bisheriger binärer Sensoren.

Neben der Übertragung zusätzlicher Sensordaten, bietet IO-Link aufgrund der zeitgleichen Übertragung von Parameterdaten weitere Ansätze für innovative Automationskonzepte. Beispielsweise lassen sich Schaltschwellen für die Sensorik zusammen mit anderen Konfigurationsparametern zentral in der Steuerung verwalten und archivieren. Bei einer Produktumstellung der Maschine oder einem Sensoraustausch werden die zentral archivierten Parametersätze wieder in den neuen Sensor geladen. Eine manuelle Parametrierung des Sensors entfällt. Das spart Zeit und reduziert Fehlermöglichkeiten, so dass auch weniger qualifiziertes Personal solche Wartungsarbeiten vornehmen kann. Letztendlich hilft IO-Link, die Lifecyle-Kosten zu reduzieren. Ohne Zusatzaufwand können Sensoren jetzt Messwert-Informationen, Schaltsignale oder zusätzliche Status-Informationen zusammen mit dem Messwert (Prozessdatum) übermitteln. Damit kann die Steuerung je nach Anforderung flexibel auf die für die jeweilige Anwendung benötigte Informa­tion zugreifen – etwa neben den im Sensor generierten Schaltsignalen auf den gemessenen Abstand – und für weitergehende Steuerungsfunktionen nutzen. Die Grenzen zwischen binärer und messender Sensorik verschwimmen somit zunehmend.

Migration und Integration leicht gemacht

Mit IO-Link steht ein abwärtskopatibler Standard für die serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung so genannter Midrange-Sensoren zur Verfügung

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Selbst wenn eine Steuerungsumgebung IO-Link noch nicht unterstützt, macht der Einsatz von IO-Link-Sensoren Sinn und reduziert Kosten. Da IO-Link abwärtskompatibel zum binären Schaltausgang ist, arbeitet er problemlos an einem konventionellen digitalen SPS-Eingang. Der Sensor liefert dann zwar nur ein Schaltsignal, kann aber komfortabel über IO-Link als Offline-Parametrierschnittstelle konfiguriert werden. Mittels Adapter und der bei allen IO-Link-Geräten verfügbaren und standardisierten Gerätebeschreibung IODD (IO Device Description) lässt sich jeder Sensor per PC und über standardisierte Tools parametrieren. Über die im Sensor gespeicherten Parametersätze können weitere Sensoren schnell und fehlerfrei „geklont“ werden. Die manuelle und zeitaufwendige Einstellung über Bedienelemente am Sensor entfällt.

Die Einführung von IO-Link kann damit in überschaubaren Schritten erfolgen und die Zukunftssicherheit ist in jedem Migrationsschritt gewährleistet. Die bei anderen Technologiewechseln ansonsten notwendige Phase einer doppelten Lagerhaltung entfällt. Das vereinfacht den Einstieg und spart Kosten. Auch aus Sicht der Steuerungen führt IO-Link zu einer Reduzierung der Schnittstellenvielfalt und damit zu Kosteneinsparungen. Per DTM (Device Type Manager) oder mit der Gerätebeschreibung IODD können die Geräte transparent in die Steuerung eingebunden werden. Die Projektierung ist nicht komplizierter als die bei einem Sensor mit 4- bis 20-mA-Schnittstelle; IO-Link eröffnet aber neben erweiterten Einstellmöglichkeiten auch vielfältige Diagnosefunktionen: Die Steuerung erkennt, wenn bei einem Wechsel ein falscher Sensor angeschlossen wurde, da dieser sich mit seiner individuellen Kennung bei der Steuerung meldet. Dies können herkömmliche Analog-Sensoren nicht leisten. Bei entsprechender Auswertung der Sensorparameter kann die Steuerung zudem eine sehr detaillierte Fehlerdiagnose durchführen und bei Projektierung und Wartung gute Dienste leisten.

Die Summe dieser Vorteile zeigt, dass der steigende Einsatz von intelligenten Sensoren die Einführung von IO-Link geradezu erfordert, will man die Kosten bei Inbetriebnahme und Wartung im Griff halten und den Nutzen moderner Sensoren ausschöpfen. Dies haben die meisten Hersteller in der Automatisierungstechnik verstanden und arbeiten deshalb mit Hochdruck am Ausbau eines Produktportfolios von Sensoren und Aktoren mit IO-Link. Insofern ist zu erwarten, dass IO-Link bereits in naher Zukunft zum Kommunikationsstandard für Sensoren mittlerer Komplexität wird. Aus Sicht der Sensorhersteller wäre es wünschenswert, wenn IO-Link-Eingangskarten bei jedem SPS-Her­steller künftig zur Standard-Ausstattung aller Modellreihen gehören würden. Das Angebot an Sensorik mit IO-Link wird auf jeden Fall in
den nächsten Jahren rasant wachsen.

Autor: Dr. Peter Adolphs ist Geschäftsführer Entwicklung und Marketing bei Pepperl+Fuchs in Mannheim.