Im Zuge von Qualitätssicherung, Sicherung des Anlagenbetriebes, der Warenverfolgung und anderer moderner Mechanismen in der automatisierten Fertigung steigt die Leistungsfähigkeit der beteiligten Komponenten und damit auch der Bedarf nach Austausch von Informationen. Die Folge: Der Vernetzungsgrad steigt. Dieser Trend spiegelt sich auch beim Blick in die Kommunikationsstrukturen in der Automation: z.B. werden Peripheriebaugruppen inzwischen überwiegend dezentral über Feldbussysteme angebunden und zur Archivierung von Produktionsdaten kommunizieren Steuerungseinheiten mit den Unternehmensnetzwerken. Bei dieser Betrachtung fällt auf, dass diese Entwicklung an einer Stelle im Prozess bisher vorübergegangen ist: Sensoren und Aktoren an die Peripheriebaugruppen der Steuerungseinheiten werden seit jeher über digitale und analoge Spannungs- bzw. Stromsignale angebunden. Während viele andere Verbindungen inzwischen den Austausch komplexester Informationen und damit eine fast grenzenlose Transparenz im Automatisierungsverbund ermöglichen, muss in der Feldebene für jedes einzelne Signal noch eine einzelne Schnittstelle vorgesehen werden, die zudem nur eine Informationsrichtung zulässt. Dabei wird diese Schnittstelle den Funktionen von modernen Sensoren und Aktoren schon längst nicht mehr gerecht: Reine Mess- oder Schalteinheiten stellen moderne Feldgeräte längst nicht mehr dar. Parameter oder Diagnoseinformationen, Feedback-Signale in Aktoren oder Validierungsinformationen in Sensoren werden von der Intelligenz heutiger Feldgeräte bereits unterstützt. Allerdings ist diese über die konventionelle Schnittstelle nicht oder nur schwer zugänglich: Parameter müssen über Vor-Ort-Bedieneinheiten, meist Taster oder Potentiometer eingestellt werden. Diagnoseinformationen werden über individuelle Leuchtsignale am Gerät abgelesen. Und nach dem Austausch eines defekten Gerätes muss dieses neu parametriert werden. Der Grund dafür ist: Die Signaleinzelverdrahtung wird der gestiegenen Funktionsvielfalt der Feldkomponenten einfach nicht mehr gerecht. IO-Link ist nun mit dem Anspruch an den Start gegangen, diesen letzten Flaschenhals in der Fertigungsautomation zu beseitigen.
Die Idee
25 namhafte Hersteller der Automatisierungstechnik haben sich in einem Arbeitskreis unter dem Dach der Profibus Nutzerorganisation (PNO) zusammengefunden, um eine neue standardisierte Schnittstelle zu definieren. Ziel dieser Arbeitsgruppe ist, einen an die im Folgenden formulierten Anforderungen orientierten Standard zu definieren und zu etablieren (Bild 1). Die Anbindung des Prozesssignals soll also intelligenter werden, ohne dass Topologie und Verdrahtungstechnik verändert werden. Mehr noch: Dieses Interface soll an alle verbreiteten Feldbussysteme anbindbar sein. Zur Wahrung der Topologie gehört auch, dass für die dezentrale Anbindung von Prozesssignalen typischerweise Einzelstrecken bis zu 20m überbrückt werden müssen, unter Verwendung konventioneller, ungeschirmter Signalleitungen sowie Steck- bzw. Klemmentechnik. Außerdem verlangt der enorme Verbreitungsgrad der konventionellen Anbindung nach Inves-titionsschutz. Es wird also eine neue Schnittstelle mit erweiterter Funktionalität, gleichzeitig aber auch Kompatibilität mit der am meisten verbreiteten Form der Signalanbindung, der Sensor-Schnittstelle gefordert (Bild 2). IO-Link vereint beide Anforderungen in sich, indem das System physikalisch auf der bekannten 3-Leiter Anbindung von Sensoren, einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung aufsetzt, diese allerdings je nach Bedarf entweder zur Übertragung eines einfachen Schaltsignals oder zur bidirektionalen seriellen Kommunikation nutzt. Die serielle Kommunikation basiert auf einer digitalen, bidirektionalen asynchronen Datenübertragung, der Spannungshub zwischen 0- und 1-Signal beträgt dabei 24V. Die technologische Kompatibilität baut auf eine intelligente Umschaltung zwischen beiden Übertragungsmodi: Beim Startup des Interfaces versuchen die angeschalteten Komponenten zunächst eine serielle Kommunikation entsprechend der IO-Link-Spezifikation aufzubauen. Sollte eine der beiden Schnittstellen IO-Link nicht unterstützen, so schaltet der intelligente Partner automatisch in den sogenannten SIO-Mode (Standard Input/Output), den einfachen Schaltbetrieb um. Die Umschaltfähigkeit des Interfaces bietet weitere Möglichkeiten: Sensoren und Aktoren lassen sich vom Hersteller gezielt so entwickeln, dass die IO-Link-Kommunikation nur bei Bedarf aktiviert wird, für die Übertragung eines Prozess-Schaltsignals werden die Interfaces in den Schaltbetrieb umgeschaltet. Andererseits kann für die prozessmäßige Übertragung von Messwerten die Kommunikation zyklisch, mit einer typischen Zykluszeit von 2ms stattfinden (Bild 3). Damit stehen Projekteur, Inbetriebnehmer und Anlagenbetreiber endlich auch die Möglichkeiten offen, die bisher nur Geräte am Feldbus unterstützten: Alle Parameter, Diagnoseinformationen, Rückmeldungen und sons-tige Ereignisse am Feldgerät stehen mit IO-Link anlagenweit zur Verfügung. Dies erlaubt z.B. auch die zentrale Datenhaltung und damit auch eine transparente Projektierung bis auf die Feldebene. Für die Praxis bedeutet dies z.B.: – Stoßfreie Umparametrierungen bei Chargenwechseln – Durchgängige Diagnose von Fehlermeldungen – Ein Austausch von Feldgeräten ohne Nachparametrierungen
Der Nutzen
Diese Eigenschaften machen sich insbesondere an Feldgeräten bezahlt, da diese durch ihre exponierte Lage im Feld besonderen Aufwand bei Inbetriebnahme und Wartung bedeuten: Die Parametrierung von z.B. manchen Sensoren ist bisher so aufwendig, weil dieses nur am Gerät möglich ist. D.h., dass diese Sensoren einzeln vor Ort parametriert werden müssen. An der Maschine sind Sensoren zudem oft nur schwer zugänglich. Häufig werden dabei sogar gleiche Parameter in ganzen Sensorgruppen verwendet. Eine Reproduktion der eingestellten Parameter war bisher nicht möglich. IO-Link bietet mit der zentralen Parameterhaltung eine effektive Multiplikation einmal erstellter Parametersätze statt der Einzelparametrierung jedes einzelnen Gerätes. Im Anlagenbetrieb sorgen IO-Link-Feldgeräte für eine schnelle Fehlerbeseitigung, weil die Gerätediagnose ebenfalls zentral verfügbar wird, und nicht mehr die Anlage nach Leuchtsignalen abgesucht werden muss. Auch der Austausch von defekten Geräten wird beschleunigt: Ein Parametersatz wird automatisch nachgeladen, ein neuerliches Einstellen des Sensors oder Aktors entfällt. Durch die Flexibilität, die dieses System mit sich bringt, kann die Prozessdatenbreite der Funktionalität des Feldgerätes angepasst werden. Soll z.B. neben dem Messwert noch eine Schaltinformation übertragen werden, so ist dies durch die flexible Protokollstruktur von IO-Link möglich. Bis zu 32Byte Prozessdaten können so zwischen Prozessgerät und Steuerungsebene übertragen werden.
Die nächsten Schritte
Dies bedingt natürlich, dass je nach Hersteller und Feldgerät immer wieder verschiedene Prozessdatenbreiten und -strukturen abgebildet werden müssen. So wünschenswert diese Flexibilität bei komplexen Feldgeräten auch ist, bei einfachen Sensoren z.B. erschwert das die gewohnte Austauschbarkeit verschiedener Feldgeräte untereinander, da bei Wechsel der Hardware auch die Software-Implementierung adaptiert werden muss. Dies zu erleichtern ist die Aufgabe einer einheitlichen Beschreibungssprache, die die Funktionalität und das Prozessdatenabbild für die Steuerungsebene bereitstellt. Eine entsprechend dieser Beschreibungssprache durch den Gerätehersteller bereitgestellte Beschreibungsdatei wird in die Engineeringumgebung geladen. Die Funktionalität des Gerätes steht anschließend in der Konfigurationsoberfläche des Engineering-Tools im Klartext zur Verfügung. Dieser Teil der Spezifikation soll bis Ende 2007 abgeschlossen sein, so dass in 2008 erste Geräte mit passender Beschreibungsdatei zur Verfügung stehen werden. Ferner wird derzeit noch eine Testspezifikation und eine Spezifikation für die übergeordnete Zertifizierung von IO-Link-Komponenten erarbeitet, die eine reibungslose Zusammenarbeit verschiedenster IO-Link-Komponenten garantieren soll. Die Implementierung von IO-Link in die Engineering-Systeme wird dann intuitiv möglich sein. Mit IO-Link stehen alle Daten der Sensorik und Aktorik anlagenweit zur Verfügung. Damit ist die letzte Kommunikationslücke in der Automatisierungstechnik geschlossen und auch die Ebene der Feldgeräte findet Anschluss an die Anlagenvernetzung. Die Vorteile liegen auf der Hand: Schnellere und transparentere Projektierung, Inbetriebnahme und Wartung ersparen Zeit und Kosten in jeder Phase des Anlagenzyklus. Kasten:
