IO-Link sinnvoll nutzen
28. Juni 2022
Diskutiert werden hier eine Vielzahl von Anwendungen, die von der Verwendung des IO-Link–Kommunikationsprotokolls profitieren.
Mit dem Aufkommen von Industrie 4.0 wurde intelligente Automatisierung durch fortschrittliche Steuerungen, Überwachung und Diagnose definiert. Solche Fähigkeiten sind jedoch nur durch industrielle Konnektivität möglich, die Steuerungen und Maschinengeräte auf einer einzigen Plattform – wie IO-Link – für einen kontinuierlichen Datenaustausch vereinheitlichen kann.
Die Schlüsseltechnologien für die industrielle Konnektivität sind standardisierte Netzwerke und Geräte mit integrierten Kommunikationsfunktionen. Protokolle für diese Funktionen gibt es zuhauf. Allerdings erfüllen nicht alle Industrieprotokolle die Anforderungen der heutigen Automatisierung an Datenaustausch und Intelligenz, während IO-Link für eine Vielzahl dieser modernen Anwendungen geschaffen wurde.
IO-Link ist ein drahtgebundenes Punkt-zu-Punkt–Kommunikationsprotokoll, das eine intelligente bidirektionale Datenkommunikation zwischen Geräten ermöglicht. Typischerweise verfügen lokale Controller über mehrere IO-Link–Ports, an die verschiedene IO-Link–Geräte unabhängig voneinander angeschlossen werden können. Diese Knoten-zu-Knoten–Endpunktverbindungen machen IO-Link zu einem Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsprotokoll. Die harmonisierte IO-Link–Schnittstelle ist durch die Norm IEC 61131-9 definiert.
Modi korrelieren mit Verwendungen
Das IO-Link-Kommunikationsprotokoll macht jeden Steckerport eines IO-Link–Controllers für vier Kommunikationsmodi geeignet. Dazu gehören ein vollständig deaktivierter Modus sowie die Betriebsmodi IO-Link, Digital Input (DI) und Digital Output (DO).
Der IO-Link–Betriebsmodus unterstützt die bidirektionale Datenkommunikation mit Feldgeräten und wird typischerweise bei der Datenerfassung für Überwachung, Test und Diagnose eingesetzt. Ein lokaler Controller-Port im DI-Modus akzeptiert digitale Eingänge und funktioniert, wenn der Port mit Sensoren verbunden ist – in diesem Zusammenhang als Eingabegeräte. Im Gegensatz dazu fungiert ein Port im DQ-Modus als digitaler Ausgang, typischerweise wenn der Port mit einem Aktor (in diesem Zusammenhang effektiv einem Ausgabegerät) verbunden ist oder wenn eine System-SPS eingerichtet ist, um Anweisungen direkt an ein anderes IO-Link–Gerät zu senden.
Es ist erwähnenswert, daß die Ports an einem IO-Link–Primary problemlos zwischen den Modi wechseln können. Beispielsweise kann der mit einem Sensor verbundene Port eines Controllers im DI-Modus ausgeführt werden – und dann in den IO-Link–Kommunikationsmodus wechseln, wenn Diagnose- und Überwachungsdaten vom Sensor vom Controller angefordert werden.
Umsetzbare Statusmitteilungen
Die Maschinenüberwachung ist mit IO-Link–Geräten möglich, die so eingerichtet sind, daß sie einen Status melden, der wiederum das System über notwendige Anpassungen und Korrekturen informieren kann. Betrachten Sie eine Anwendung in der Werkzeugmaschinenindustrie – die von IO-Link–Drucksensoren, die das Spannen von Werkstücken mit einem Druck überprüfen, der für ein beschädigungsfreies und dennoch sicheres Halten während des Materialabtrags geeignet ist. IO-Link–Sensoren unterstützen hier im Wesentlichen die Optimierung von Maschinenaufgaben für weniger Ausschußwerkstücke.
IO-Link–Geräte können auch umsetzbare Statuskommunikationen durchführen, um erweiterte Wartungsroutinen für minimierte Ausfallzeiten zu unterstützen. Beispielsweise können IO-Link–Positionssensoren an einer Montagemaschine kontinuierlich die Endpositionen von Roboter-Wirkgliedern melden, um sicherzustellen, daß sich keine außerhalb der Reichweite oder Ausrichtung befinden.
Durch die Analyse von Diagnosedaten, die von IO-Link-Geräten bereitgestellt werden, ist es möglich, Fehler und mögliche Ausfälle vorherzusagen und zu korrigieren, bevor sie auftreten. Schwachstellen in einer Maschine oder Anlage können auch identifiziert werden, um betriebliche Änderungen auf Unternehmensebene, Kaufentscheidungen und zukünftige Maschinenkonstruktionen zu beeinflussen.
Fortschrittliche Steuerung und Automatisierung
Steuerung und Automatisierung sind weitere Anwendungsfunktionen, die von IO-Link unterstützt werden. Wo eine IO-Link–Installation Funktionen unterstützt, die ohne menschliches Zutun ablaufen, verbindet sich der IO-Link–Controller häufig mit einem Host-System oder einer übergeordneten SPS, die empfangene Daten verarbeitet und dann direkt oder indirekt Aktoren im Design zu den entsprechenden koordinierten Antworten befiehlt. Eine solche automatisierte Steuerung erfordert, daß das IO-Link–System über standardisierte Feldbus- oder Ethernet-Protokolle und -Verkabelungen mit einer übergeordneten Steuerung verbunden ist. Tatsächlich verfügen die meisten IO-Link-Controller über Feldbus- oder Ethernet-Ports für solche Verbindungen.
Geräte in fortschrittlichen Steuerungsanwendungen mit IO-Link-Systemen können auf drei Arten integriert werden:
• Sie schließen direkt an den Host-Computer oder die SPS an.
• Sie verbinden sich mit einem IO-Link–Primary und kommunizieren über das IO-Link–Protokoll.
• Sie verwenden IO-Link–kompatible Kommunikation und verbinden sich über einen IO-Link–Hub mit einem IO-Link–Primärgerät.
Letzterer fungiert im Wesentlichen als Vermittler, um Nicht-IO-Link–Geräte mit dem primären zu verbinden.
Ein weiterer Vorteil von IO-Link–Systemen mit Feldbus- und Ethernet-Kommunikationsanbindung besteht darin, daß Fernverbindungen zulässig sind – was es Installateuren wiederum ermöglicht, IO-Link–Controller in einem Schaltschrank oder an den äußersten Maschinenbereichen zu platzieren, wenn dies für eine bestimmte Anwendung am sinnvollsten ist.
IO-Link-Controller können fortgeschrittenen Montageanwendungen zugutekommen, da sie als Low-Level-Controller dienen, die sowohl digitale als auch analoge Signale verarbeiten können.
Hier könnten sie:
• Übernehmen Sie die von IO-Link-Linearencodern generierten Daten auf den Achsen eines XY-Tisches.
• Verarbeiten Sie diese Daten als Gateway.
• Senden Sie die verarbeiteten IO-Link–Feldgerätedaten an die SPS oder eine andere Systemsteuerung.
Geräte-Intelligenz
Die dritte Anwendung von IO-Link besteht darin, Geräte intelligent zu machen. Besonders häufig bei Sensordesigns, die älteren Sensoroptionen ohne (oder bescheidenere) Programmierung ähneln, können diese IO-Link–fähigen Geräte Anweisungen empfangen, Selbsttestroutinen überwachen und ausführen und Daten generieren. Da Geräte mit IO-Link auch mehr als einfache zweiwertige Daten (Ja-Nein oder Pass-Fail) bereitstellen können, ist auch die Meldung präziser Werte möglich. Beispielsweise profitieren Aufgaben in der Prozessautomatisierung von IO-Link–Temperatursensoren, die über die Meldung eines hohen oder niedrigen Temperaturstatus hinausgehen, indem sie kontinuierlich den genauen Temperaturwert einer überwachten Zone oder eines überwachten Volumens melden.
Ein weiterer Vorteil von IO-Link für intelligente Feldgeräte ist die Kompaktheit seiner physischen Verbindungen im Vergleich zu den physischen Verbindungen von Feldbus- und Ethernet-Schnittstellen, die manchmal zu groß sein können, um auf Feldmikrogeräte zu passen.
Auch intelligente IO-Link–Komponenten lassen sich präzise ansteuern. Beispielsweise kann anstelle von grundlegenden Ein- und Ausschaltsteuerungen einem Aktuator befohlen werden, sich auszuschalten, sobald ein Szenario eine Reihe von Bedingungen erfüllt.
Es gibt jedoch einige Einschränkungen bei der Verwendung von IO-Link für Smart-Device-Anwendungen. Obwohl es eine drahtlose Form von IO-Link in der Entwicklung gibt, ist es immer noch ein drahtgebundenes Kommunikationsprotokoll – es unterliegt also immer noch allen Einschränkungen der Festverkabelung. Um die Datenintegrität zu erhalten, darf die IO-Link–Primär-zu-Gerät–Verkabelung 20 m nicht überschreiten. Da das IO-Link-Protokoll nur bis zu 32 Byte Daten pro Zyklus übertragen kann, ist es für den Einsatz mit Feldgeräten wie Kameras, die viele MB Daten pro Minute erzeugen können, nicht ausreichend.
Schlußfolgerung
IO-Link–Systeme werden in Hülle und Fülle eingesetzt, um bestehende Protokolle zu ergänzen, die nahezu unbegrenzte Steuerungs- und Datenerfassungssysteme unterstützen. Die Einfachheit von IO-Link–Systemen, die nur aus einem IO-Link–Primary und seinen Geräten und deren angeschlossenen drei- oder fünfadrigen Kabeln bestehen, hat die Akzeptanz vorangetrieben. Plug-and-Play-Installation und Wirtschaftlichkeit sind weitere IO-Link–Vorteile.
Die Bemühungen des IO-Link–Konsortiums der Mitgliedsunternehmen haben eine breite Kompatibilität zwischen Steuerungen, Geräten und Aktuatoren verschiedener Hersteller sichergestellt, was die größte Auswahl an Geräten für spezifische technische Anwendungsfälle ermöglicht.
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