In der modernen Industrieautomation ist eine zuverlässige, schnelle und effiziente Sensorkommunikation unerlässlich. Als Wegbereiter für Industrie 4.0-Anwendungen sorgt IO-Link für eine nahtlose Kommunikation bis in die unterste Feldebene und ermöglicht dadurch eine einfache Integration von Sensoren und Aktoren in moderne Automatisierungsumgebungen. Nachfolgend erläutern wir Ihnen die wichtigsten Aspekte von IO-Link sowie die damit verbundenen Vorteile für industrielle Prozesse.
IO-Link ist die erste weltweit standardisierte Schnittstelle für die feldbusunabhängige Kommunikation zwischen Sensoren/Aktoren und der Steuerungsebene eines Automatisierungssystems. Die Technologie ermöglicht eine bidirektionale Datenübertragung und erleichtert die Diagnose und Parametrierung von angeschlossenen Geräten.
Die IO-Link-Kommunikation findet immer zwischen zwei Endpunkten statt, nämlich einem IO-Link Master und einem IO-Link Device (Sensor/Aktor). Die Datenübertragung zwischen Master und Device erfolgt über standardisierte und kostengünstige 3-oder 5-adrige Kabel. Durch die digitale Datenübertragung werden typische Probleme einer analogen Übertragung (Signalverluste, elektromagnetische Störungen, Ungenauigkeit, etc.) eliminiert. Der IO-Link Master stellt das Bindeglied zu einem übergeordneten Automatisierungssystem bzw. zu einer Steuerungseinheit (SPS) dar. Die Kommunikation erfolgt dabei typischerweise über Industrial Ethernet (PROFINET, EtherNet/IP, Modbus TCP etc.).
Ein IO-Link-System besteht immer aus mehreren Komponenten. Dazu zählen:
Typische IO-Link-Architektur
Zu den IO-Link Devices (oder auch IO Devices) zählen Sensoren, Aktoren oder RFID-Reader, die über das IO-Link-Protokoll direkt mit einem IO-Link Master kommunizieren. Ihr großer Vorteil liegt in der Fähigkeit, sowohl Prozessdaten als auch Service- und Diagnosedaten wie Betriebszustände oder Fehlermeldungen zu übermitteln.
Der IO-Link Master ist ein zentraler Baustein in einem IO-Link-System und dient als Bindeglied zwischen IO-Link Devices (Feldebene) und einer Steuerungseinheit (Steuerungsebene). Für den Anschluss der Devices stellt er mehrere IO-Link Ports (typischerweise 4 oder 8) bereit, sammelt die Daten der angeschlossenen Geräte und leitet sie gebündelt an die übergeordnete Steuerungseinheit weiter. Er versorgt die Devices mit Spannung, verwaltet sie und übernimmt die Konfiguration und Diagnose der Geräte.
Zudem bietet er verschiedene Fehlererkennungsfunktionen und erleichtert die Integration in bestehende IT-Systeme, was die Effizienz und Flexibilität in Automatisierungslösungen deutlich steigert, insbesondere im Kontext von Industrie 4.0. Üblicherweise verfügt ein Master über einen integrierten Webserver, sodass ein Fernzugriff möglich ist und sämtliche Funktionen direkt über das Netzwerk genutzt werden können.
Automatisierungspyramide ohne und mit IO-Link
IO-Link Safety ist eine Erweiterung der IO-Link-Technologie, die speziell für sicherheitskritische Anwendungen im industriellen Umfeld entwickelt wurde. Sie ermöglicht die Integration von Sicherheitsfunktionen in die IO-Link-Architektur und erweitert den bestehenden IO-Link-Standard um eine sicherheitsgerichtete Kommunikation zwischen Sensoren bzw. Aktoren und einer Sicherheitssteuerung (Safety Controller).
Ähnlich wie IO-Link Safety ist auch IO-Link Wireless eine Erweiterung der herkömmlichen IO-Link-Kommunikation, die es ermöglicht, Sensoren und Aktoren drahtlos mit Steuerungssystemen zu verbinden. So kann die IO-Link-Kommunikation ohne physische Verkabelung per Funk durchgeführt werden, wodurch Installation, Flexibilität und Skalierbarkeit in industriellen Umgebungen verbessert werden. Häufig wird IO-Link Wireless bei schwer zugänglichen bzw. beweglichen Systemkomponenten oder bei teuren und komplizierten Installationen eingesetzt.
Die Abkürzung IODD steht für IO Device Description. Es handelt sich hierbei um eine Datei, welche die Eigenschaften eines IO-Link Devices beschreibt. Sie enthält wichtige Informationen wie den Gerätetyp, die Hersteller-ID, die Kommunikationsparameter sowie Details zu den Funktionalitäten des Gerätes. IODDs ermöglichen es dem IO-Link Master und den übergeordneten Systemen, die angeschlossenen Geräte automatisch zu erkennen und korrekt zu konfigurieren.
Die Norm IEC 61131-9 ist ein internationaler Standard, der speziell für die Kommunikation zwischen Steuerungen und Geräten in industriellen Automatisierungssystemen erarbeitet wurde. Sie definiert die technischen Spezifikationen für "Single-drop digital communication interfaces" (SDCI), die allgemein bekannt sind als IO-Link.
IO-Link-Architekturen bieten zahlreiche Benefits, die von der Optimierung der Produktionsprozesse bis hin zur Reduzierung von Wartungskosten reichen:
Flexibilität, Produktionsperformance und Fernwartbarkeit sind wichtige Leistungsparameter von Maschinen bzw. Anlagen. Durch Sensoren mit IO-Link wird dem Anlagenbetreiber nun auch die unterste Feldebene zugänglich. Mit minimalem Aufwand lassen sich Sensorinformationen, Konfigurationsparameter und Diagnosedaten abrufen, um Anlagenzustände optimal bewerten zu können.
Durch den Einsatz von IO-Link kann der Aufwand für Montage und Inbetriebnahme deutlich reduziert werden. Möglich wird dies durch die vereinfachte Verkabelung und die Option, die Inbetriebnahme durch Parameterhaltung und -duplizierung zu automatisieren.
Bei der Montage werden fertig konfektionierte Kabel verwendet, wodurch keine Eigenkonfektionierung mehr notwendig ist und Fehlerquellen vermieden werden. Die Inbetriebnahme ist ebenfalls automatisiert möglich, da die Parameter in Sekundenschnelle heruntergeladen werden können und im Gerät verfügbar sind.
Durch die Feldbusunabhängigkeit sinkt die Lagervielfalt erheblich und jeder Sensor hat durch die IODD sozusagen immer seinen „Personalausweis" mit dabei.
Zeiten, in denen Anlagen aufgrund eines ausgefallenen Sensors unerwartet stillstehen, gehören mit modernen IO-Link-Systemen der Vergangenheit an. Schließlich helfen die in den Sensoren enthaltenen Funktionen wie Betriebsstundenzähler, Schleppzeiger sowie Fehler-und Kurzschlusserkennung dabei, kritische Sensorzustände rechtzeitig zu erkennen und zu beheben, sodass die Anlageneffizienz deutlich steigt.
Mit IO-Link besteht die Möglichkeit, sowohl zyklische als auch azyklische Daten mit übergeordneten Ebenen auszutauschen. So können zum Beispiel Parameterdaten während des laufenden Betriebs in einen Sensor geladen oder Diagnosedaten ausgelesen werden. Dank einer Übertragungsgeschwindigkeit COM 3 mit 230,4 kBaud und Zykluszeiten von teilweise weniger als 1 ms sind Daten schnell ausgetauscht und stehen in Sekunden zur Verfügung.
Die Device ID ist eine vom Hersteller zugewiesene eindeutige Kennung für jedes IO-Link Device. Sie ermöglicht es dem Master, das angeschlossene Device eindeutig zu identifizieren und die passende Gerätebeschreibung (IODD – IO Device Description) zuzuordnen. Sobald der Import der IODD in den Master durchgeführt ist, kennt der Master alle Eigenschaften des Devices. Bei einem Sensor können dies Eigenschaften wie Sensortyp (Temperatursensor, Drucksensor etc.), Messbereich oder die Genauigkeitsklasse sein. Die IODD enthält außerdem verschiedene Informationen zum Hersteller des Gerätes, wie beispielsweise den Herstellernamen, das Herstellerlogo oder die URL des Herstellers. Wird ein Sensor an einen Master Port angeschlossen, erfolgt ein Abgleich der Device IDs. Passt die Device ID des Sensors nicht zu der für diesen Port hinterlegten IODD, wird dies sofort erkannt und ein Fehler gemeldet. Somit kann beispielsweise das Vertauschen eines Sensors mit unterschiedlichen Messbereichen oder Genauigkeitsklassen sofort festgestellt werden. Der „falsche“ Sensor kann dadurch direkt nach der Montage getauscht werden und nicht erst im laufenden Betrieb, wodurch Stillstandzeiten reduziert werden.
Es gibt insgesamt 3 verschiedene Übertragungsgeschwindigkeiten, die als COM1, COM2 und COM3 bezeichnet werden:
Jedes IO-Link Device beherrscht eine der 3 Übertragungsraten und definiert somit die Kommunikationsgeschwindigkeit für den jeweiligen Port. Ein IO-Link Master beherrscht alle 3 Übertragungsraten.
Ein IO-Link-Profil ist eine standardisierte Sammlung von Funktionen und Parametern, die für bestimmte Gerätetypen oder Anwendungsfälle definiert sind. Diese Profile vereinfachen die Integration und den Austausch von IO-Link-Geräten, da sie unabhängig vom Hersteller die gleichen Funktionen und Datenformate verwenden. Derzeit sind folgende Profile verfügbar:
Das Common Profile stellt eine Basis zur Standardisierung bestimmter Funktionen über verschiedene Gerätetypen hinweg dar. Es definiert grundlegende Parameter und Funktionen, die für viele IO-Link-Geräte relevant sind, unabhängig von ihrem spezifischen Einsatzbereich. Dies erleichtert die Integration und das Management von Geräten verschiedener Hersteller innerhalb eines IO-Link-Systems.
Das Smart Sensor Profile ist speziell für intelligente Sensoren konzipiert und umfasst erweiterte Funktionen, die über die Grundfunktionen eines einfachen Sensors hinausgehen. Diese können beispielsweise erweiterte Diagnosedaten, Zustandsüberwachungsfunktionen und die Fähigkeit zur Selbstkonfiguration umfassen. Dieses Profil ermöglicht es Sensoren, nicht nur Daten zu sammeln, sondern auch Informationen über ihren eigenen Zustand und ihre Leistung zu verarbeiten und zu kommunizieren, was für eine vorbeugende Instandhaltung (Predictive Maintenance) entscheidend sein kann.
Das Firmware Update Profile definiert einen standardisierten Prozess für das Update der Firmware von IO-Link-Geräten über die IO-Link-Verbindung. Dieses Profil ist besonders wichtig, da es die Wartung und das Update von Geräten im Feld ohne die Notwendigkeit des physischen Zugangs oder Austauschs der Geräte ermöglicht. Das bedeutet, dass Updates schneller und kosteneffizienter durchgeführt werden können.
Die IO-Link Community arbeitet bereits an weiteren Profilen, welche den Funktionsumfang und den Anwendernutzen noch weiter steigern werden. Beispiele dafür sind das Smart Actuator Profile, das Lighting and Indication Profile und das Smart Power Systems Profile.
Die IO-Link Community ist eine Organisation, die sich der Weiterentwicklung, Standardisierung und Verbreitung der IO-Link-Technologie widmet. Sie wurde als Teil der PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO) gegründet, die wiederum eine der größten Gemeinschaften für industrielle Kommunikation weltweit ist. Sie setzt sich aus einer Vielzahl von Herstellern, Entwicklern, Systemintegratoren und Anwendern zusammen, die in den Bereichen der Automatisierungstechnik und industriellen Fertigung tätig sind.
Da die Technologie kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert wird, erkennen immer mehr Unternehmen die Vorteile von IO-Link. So gab es im Jahr 2023 bereits mehr als 35 Millionen installierte IO-Link Devices und damit 8,4 Millionen mehr als im Vorjahr. Dies liegt nicht zuletzt an der fortschreitenden Entwicklung von Industrie 4.0-Anwendungen und dem Industrial Internet of Things (IIoT), für das man mit IO-Link bestens gerüstet ist.
IO-Link-Knoten im Überblick
Obwohl IO-Link zahlreiche Vorteile bietet, kann die Implementierung Herausforderungen mit sich bringen, insbesondere in Bezug auf die Schulung des Personals und die Integration in bestehende Systeme. Die Notwendigkeit einer umfassenden Planung und möglicherweise auch einer Anpassung der bestehenden Infrastruktur kann zu anfänglichen Kosten führen, die jedoch durch die langfristigen Einsparungen und Effizienzsteigerungen gerechtfertigt werden. Um die Integration in bestehende Systeme reibungslos und effizient zu gestalten, lohnt sich auf jeden Fall die Unterstützung durch einen Experten.
