Mitarbeiterin steht a IO-Link-Schnittstelle bei der Firma Festo

Mit IO-Link und IO-Link wireless könnte eine Standardsprache für Industrie 4.0 entstehen. Komponentenhersteller wie Festo, Siemens, Balluff oder Sick erhoffen sich eine große Verbreitung im Maschinenbau. Sie engagieren sich gemeinsam mit 120 anderen Unternehmen im IO Link Konsortium. - Bild: Festo

| von Sabine Spinnarke

„Mit über 3,5 Millionen IO-Link-Knoten im Feld konnte die installierte Basis um 63 % gegenüber dem Vorjahr gesteigert werden“, heißt es seitens des IO-Link-Konsortiums. Mithilfe der Anschlusstechnik IO-Link werden Sensordaten von der Maschine zur Steuerung übertragen. „IO-Link wirbt damit, sehr schlank zu sein, kostengünstig und einfach zu handhaben“, zählt Ralf Reines die Vorteile dieser Technologie auf.

Reines ist Referent für Forschung und Technik beim VDW, dem Verband der Werkzeugmaschinenhersteller – also Sprachrohr potenzieller IO-Link-Anwender. Doch die Hoffnung, diese Punkt-zu-Punkt Verbindung löse alle Kommunikationsprobleme auf Feldbusebene, zerschlägt sich schnell: „IO-Link-Leitungen dürfen maximal 20 Meter lang sein. Der IO-Link eignet sich aus diesem Grund nicht für große Maschinen“, so Reines.

Dennoch gelte IO-Link, als geeignetster Kandidat für Industrie 4.0, so Vertreter des IO-Link Konsortiums: „Damit ist IO-Link die einzige Technologie zur intelligenten Ankopplung von Sensoren und Aktuatoren, wie sie für eine digitale Fabrik zwingend erforderlich ist.“ Schon heute sei eine Verbindung bis zur ERP-Ebene möglich.

Grenzen des IO-Link

An eine flächendeckende Verbreitung von IO-Link glaubt Reines hingegen weniger. Dafür sei  die Welt des Maschinenbaus zu vielfältig: „Es gibt Hunderte von Werkzeugmaschinenbauern und Tausende von Anwendungen, von denen jede andere Rahmenbedingungen erfordert.“ Daher komme es oft vor, dass ein und derselbe Maschinentyp mit verschiedenen Steuerungen und Bussen angeboten werde. Es gebe immer Argumente für die eine oder für die andere Variante. „Die Grenzen der Physik können nicht ausgehebelt werden“, erklärt Reines. So gibt es aus Sicht des Maschinenbaus den 'Ideal-Bus' leider nicht, „sonst würden nicht so viele Bus-Technologien und -Standards nebeneinander existieren.“

Intelligente Sensoren im Maschinenbau

Industrie 4.0 und Big Data sind im Kommen. Demgegenüber verschließt sich auch der Maschinenbau nicht und integriert mehr und mehr intelligente Sensoren in seine Maschinen – unter Vorbehalt jedoch: „Es sind einige wesentliche Fragen noch nicht beantwortet: Nämlich, wem gehören die Daten, wer darf sie auslesen, wie werden sie ausgelesen – das ist alles noch nicht gelöst“, sagt der VDW-Mann und zieht zur Illustration ein Beispiel-Szenarium heran.

„Nehmen wir die Daten aus dem Produktionsprozess für ein bestimmtes komplexes Werkstück, vielleicht einen Motorblock. Ein Hersteller fertigt diesen Block in seiner Produktionsanlage. Dabei entstehen viele Informationen über den Vorgang des Produktionsprozesses. Das ist das ureigenste Know-how des Herstellers. Er möchte sicher nicht, dass diese Daten seinen Wettbewerbern uneingeschränkt zur Verfügung stehen.“

In einer Online-Umfrage haben wir unsere Leser um ihre Einschätzung gebeten. Von den knapp 80 Teilnehmern halten etwa 12 % IO-Link und OPC UA für gesetzte Industrie 4.0 Standards, der Rest beurteilt die Suche nach so einem Standard für technologisch nicht sinnvoll (18 %) oder ist der Meinung, dass keine Technologie in der Lage ist, alle Bedürfnisse industrieller Anwender abzudecken (37 %), ein Anteil von 33 % geht sogar so weit, für Industrie 4.0 insgesamt 'schwarz zu sehen'.

Wie funktioniert IO-Link?

Grafik zur Funktionsweise von IO-Link
Einfache Anschlüsse: IO-Link-Geräte können einfach und komfortabel über Feldbus-Anschaltbaugruppen oder SPS-IO-Baugruppen als IO-Link-Master verbunden werden. - Grafik: IO-Link Konsortium

Sowohl bei einfachen binären als auch bei komplexen intelligenten Geräten erfüllt IO-Link alle Voraussetzungen, um sich als Standard-Schnittstelle für den Anschluss von Sensoren und Aktoren auf Maschinenebene zu etablieren.

Grundsätzlich überträgt IO-Link Daten zwischen einem IO-Link-Master und einem angeschlossenen IO-Link-Gerät (Device) als Slave. Als IO-Link-Master stehen sowohl Feldbus-Anschaltbaugruppen als auch SPS-Schnittstellenbaugruppen zur Verfügung. Bis zu 32 Byte Prozessdaten können mit unterschiedlichen Übertragungsraten (COM1=4,8 kBit/s, COM2=38,4 kBit/s, COM3=230,4 kBit/s) in einem Zyklus übertragen werden.

Für jedes IO-Link Gerät gibt es mandatory eine Gerätebeschreibungsdatei, die sog. IODD = IO Device Description. In der IODD sind alle Eigenschaften der IO-Link Devices beschrieben. So sind nicht nur die Kommunikationseigenschaften, sondern auch alle Parameter, Fehlermeldungen und Diagnosen mit den zugehörigen Texten beschrieben.

In der Norm IEC 61131-9 ist IO-Link unter der Bezeichnung Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators (SDCI) normiert.

2006 fand sich die Gründungsmannschaft des IO-Link-Konsortiums unter dem Dach der Nutzerorganisation PNO zusammen. Heute zählt das Konsortium 124 Mitglieder.

So erläutert das IO-Link Steering Commitee die Funktionsweise von IO-Link:

  • IO-Link ist eine serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung für die Signalübertragung zwischen Sensoren und Aktoren und der IO-Ebene der Maschine.
  • IO-Link ist eine serielle Schnittstelle, die sowohl die Energieversorgung als auch Signale gleichzeitig über eine konventionelle Dreidrahtleitung abwickelt.
  • Im Gegensatz zu anderen seriellen Schnittstellen wie RS-232 oder USB benötigt IO-Link keine geschirmten Kabel und ist abwärtskompatibel für nicht IO-Link-fähige binäre Sensoren und Aktoren mit Dreidrahtanschluss (sogenannter SIO Modus).
  • IO-Link ist, verdeutlicht man sich die Kosten-Nutzen-Relation, überaus preiswert.
Verpackungsmaschine mit Lichtschranken von Sick
Verpackungsmaschine, Wrap-Around-Packer mit Lichtschranken von Sick.
Die IO-Link-Technologie bietet vielfältige Möglichkeiten der kosteneffizienten bidirektionalen Kommunikation zwischen Sensoren und Automatisierungssystemen. So kann der Sensor etwa vorab melden, dass demnächst ein Ausfall stattfindet. - Bild: Sick

Verpackungsmaschine mit Lichtschranken von Sick

Ein Beispiel für den Einsatz von IO-Link ist der Wrap-Around-Packer 424 W2 des Verpackungsspezialisten Somic. Die Maschine eröffnet mit intelligenter Sensor- und Steuerungstechnik – unter anderem mit IO-Link-Sensoren von Sick – zusätzliche Optionen für mehr Betriebssicherheit, Verpackungsqualität und Ausbringleistung.

„Als IO-Link-Sensoren setzen wir zum Erfassen und Zählen der Produkte im Einlauf in die Maschine Lichtschranken von Sick ein “, sagt Stefan Julinek, Gesamtleiter Konstruktion bei Somic. Die IO-Link-Funktionen ermöglichen den Kunden von Somic, ihre Verpackungsmaschine schnell und sicher in Betrieb zu nehmen, eine gleichbleibend hohe Qualität der Verpackungsprozesse, eine verbesserte Verfügbarkeit der Endverpackungsmaschinen sowie die Möglichkeit zur Ferndiagnose.

Die wohl wichtigste Funktion der IO-Link-Sensoren ist die automatische Verschmutzungsüberwachung. „Die Maschine meldet sich eigenständig bei einer Verschmutzung der Optik. Über ein IO-Link-Profibus-Modul sind die Lichtschranken – unterstützt von Sick-eigenen-Funktionsblöcken – in die Steuerung der Somic-Verpackungsmaschine integriert“, erklärt Julinek.

Schlauchbeutelmaschine der Firma Leuze
Schlauchbeutelmaschine: Rezepturwechsel in rascher Folge bedeuten mit IO-Link keinen großen Aufwand mehr, da der Sensor sich bequem über die SPS parametrieren lässt. - Bild: Leuze electronic

Schnelle Rezepturwechsel mit Kontrastschalter von Leuze

Sensoren, wie etwa der Kontrastschalter KRT 18 B von Leuze electronic, scannen in Verpackungsmaschinen die vorbeifliegenden Markierungen, an der die Folie geschnitten wird. Über eine 2/3-Draht-Standard-Parallel-Verdrahtung ist der Sensor mit der SPS verbunden.

Dank IO-Link kann er Zusatzinformationen senden und empfangen. Der Sensor lässt sich komfortabel über die SPS parametrieren. Somit kann der Maschinenbetreiber schnell und einfach zwischen verschiedenen Folienformaten  wechseln. Außerdem lässt sich der Schaltpunkt direkt an der Maschine visualisieren und auch einstellen. Ein weiterer Vorteil ist die automatische Nachregelung, sollte die Schnittmarke etwa verblassen. Der Kontrastschalter justiert sich selbstständig, das spart Zeit.

Dieter Eßlinger, Produkt Marketing Manager bei Leuze electronic: „Viele, vom Kunden benötigte Informationen stellen wir schon heute parallel zur Verfügung. Wir bieten dem Anwender entweder über IO-Link und unsere Sensorstudio-Software oder andere IO-Link Master-Tools mit den geeigneten IODDs oder integrierten Webserver (webConfig) die erforderlichen beiden Kanäle, um Prozess- und Zustandsdaten parallel zu verarbeiten.“

Drallräummaschine bei Karl Klink mit Balluff-Box
„Dank IO-Link konnten wir die Maschineninstallation an der CNC-Drallräummaschine vereinfachen und die Güte der Signalübertragung messender Sensoren steigern“, sagt Marcus Beffert, Karl Klink. - Bild: Balluff

Drallräummaschine mit Balluff-Box

Bei der Drallräummaschine von Klink fährt der Hubtisch mit Werkstück über die 'Räumnadel'. Dabei wird das Räumwerkzeug auch noch gedreht. Eine automatische Zuführung an der Rückseite sorgt für das Be- und Entladen der Werkstücke, während der vordere Zugang für den Einrichtbetrieb, Werkzeugwechsel, Wartung oder das manuelle Be- und Entladen genutzt werden kann.

„Bis vor Kurzem hatten wir unsere Anlagen noch in reiner Parallelverdrahtung mit großen Klemmenkästen an der Anlage realisiert“, erläutert Marcus Beffert, Leiter Softwareentwickung, Karl Klink. „Dies hatte den Charme, Änderungen auch nachträglich sehr leicht vornehmen zu können. Außerdem konnten wir so alle Erfordernisse der Automobilindustrie abdecken, die unterschiedliche Systeme wie ET 200, Cube, Profibus und Interbus einsetzt.

Erkauft haben wir uns dies allerdings durch einen erheblichen Aufwand bei der Erstinstallation und der Fehlervermeidung.“ Doch nun wollten die Konstrukteure Temperaturwerte und Drücke zentral am Bedienfeld visualisieren, dabei hätte eine analoge Lösung den Nachteil, dass bei längeren Kabeln das Signal verfälscht werden könnte.

Mit IO-Link hingegen reicht eine ungeschirmte Standard-Dreidrahtleitung, um bis zu 16 Standardsensoren über einen Sensorhub von Balluff innerhalb der Anlage einzusammeln und per IO-Link über einen Profibus-Master an die Steuerung weiterzuleiten. Der seriellen IO-Link-Schnittstelle genügt für alle Übertragungsaufgaben ein gewöhnliches, ungeschirmtes dreiadriges Standardkabel, das den IO-Link-fähigen Aktor oder Sensor per Stecker mit einem IO-Link Master verbindet. Daneben bedarf es keiner weiteren Anschaltbox.