IO-Link: Die Verbindung vom Sensor zum Edge-Computing

Jede Produktionslinie in einer Fabrik erzeugt riesige Mengen an Sensordaten, doch ein Großteil dieser Informationen blieb bisher ungenutzt. Der Grund dafür ist, dass herkömmliche Sensorverbindungen auf einfachen Schaltsignalen oder Analogausgängen beruhen, die einen einzelnen Prozesswert ohne zusätzlichen Kontext über den Gerätezustand oder die Betriebsbedingungen liefern. IO-Link geht diese Einschränkung direkt an und bietet eine standardisierte digitale Kommunikationsschicht (IEC 61131-9), die Sensoren und Aktoren einen direkten, bidirektionalen Dialog mit der allgemeinen Steuerungsarchitektur ermöglicht.

Abbildung 1: Jede Produktionslinie in einer Fabrik erzeugt riesige Mengen an Sensordaten. (Bildquelle: Adobe Stock)

Anstatt die bestehende Feldbus- oder Industrial-Ethernet-Infrastruktur zu ersetzen, fungiert IO-Link als ergänzende Schnittstelle auf der untersten Ebene der Automatisierungshierarchie. Dabei werden die ungeschirmten drei- oder fünfadrigen Kabel und die Standardsteckverbinder M5, M8 oder M12 verwendet, die die Hersteller bereits vorrätig haben, wobei Kabellängen von bis zu 20 Metern unterstützt werden. Jedes IO-Link-Gerät wird an einen dedizierten Port eines IO-Link-Masters angeschlossen, der die Daten auf Feldebene aggregiert und an speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Edge-Gateways oder Cloud-Plattformen weiterleitet, wodurch bestehende Investitionen erhalten bleiben und ein hochauflösender Datenkanal bis zum einzelnen Sensor eröffnet wird.

Von der reaktiven Wartung zur vorausschauenden Strategie

Die meisten Einrichtungen schwanken noch immer zwischen einem von zwei Wartungsmodellen, von denen keines ideal ist. Bei der reaktiven Wartung wird im Wesentlichen auf einen Ausfall gewartet, was häufig zu ungeplanten Ausfallzeiten und übereilten Reparaturen führt, während kalenderbasierte Präventivpläne den Austausch von Komponenten auslösen können, lange bevor sie tatsächlich benötigt werden. IO-Link bietet eine dritte Möglichkeit, indem es Wartungsteams mit kontinuierlichen Diagnosen auf Sensorebene ausstattet, die die tatsächliche Performance der Geräte in Echtzeit anzeigen.

Ein guter Anwendungsfall für IO-Link-Komponenten ist ein Drucksensor an einer pneumatischen Montagestation. Bei einem Standard-Analoganschluss meldet er nur den aktuellen Druckwert. Eine IO-Link-fähige Version desselben Sensors kann jedoch gleichzeitig die interne Temperatur, die kumulierten Betriebsstunden, die Signalstärke und alle Fehlercodes über dasselbe dreiadrige Kabel übermitteln. In ähnlicher Weise kann ein fotoelektrischer Sensor, der Teile auf einem Förderband überwacht, eine fortschreitende Verschmutzung der Linse erkennen, lange bevor die Erkennungsgenauigkeit so weit nachlässt, dass Teile nicht mehr erfasst werden. Dank dieser detaillierten Diagnose können die Wartungsintervalle auf der Grundlage des tatsächlichen Gerätezustands und nicht auf der Grundlage von Annahmen festgelegt werden, wodurch ein vorzeitiger Austausch sowie unerwartete Ausfälle vermieden werden.

Wenn ein Sensor doch einmal ausgetauscht werden muss, beschleunigt die in IO-Link integrierte Datenspeicherfunktion den Prozess erheblich, da der IO-Link-Master den kompletten Parametersatz des vorherigen Geräts speichert und innerhalb von Sekunden automatisch in das Ersatzgerät schreibt. So können Techniker einen Tausch durchführen, ohne die Einstellungen manuell neu eingeben zu müssen, was die mittlere Reparaturzeit verkürzt und die Produktionslinien mit minimaler Unterbrechung weiterlaufen lässt.

Verbesserung der Qualitätssicherung durch digitale Transparenz

Eine verlässliche Qualitätssicherung basiert auf der Konsistenz der Messungen, und genau hier liegt das Risiko bei analogen Sensorverbindungen. Analoge Signale verschlechtern sich bei langen Kabelwegen und sind anfällig für elektromagnetische Störungen, d. h. der Wert, den eine SPS empfängt, kann geringfügig von dem abweichen, was der Sensor tatsächlich gemessen hat. Dies scheint zwar ein geringes Risiko zu sein, aber bei Hunderten von Messpunkten in komplexen Produktionsumgebungen summieren sich diese kleinen Ungenauigkeiten und können Prozesse außerhalb akzeptabler Toleranzen bringen. Auch hier beseitigt IO-Link diese Variable, indem es die Messdaten direkt am Sensor in ein digitales Signal umwandelt und damit sicherstellt, dass der an der Steuerung ankommende Messwert genau dem an der Quelle erfassten Wert entspricht.

IO-Link kann auch die Handhabung von Produktwechseln in Anlagen verbessern. In Abfüllanlagen, Verpackungsanlagen und Montagezellen mit mehreren Varianten müssen Techniker beim Wechsel zwischen Produktrezepten die Sensorparameter in der Regel manuell einstellen. Dieser Prozess ist zeitaufwändig und anfällig für Konfigurationsfehler, die bei den ersten Chargen nach einer Umstellung zu Qualitätsabweichungen führen können. Mit IO-Link kann die SPS neue Parameterprofile gleichzeitig an alle angeschlossenen Sensoren übertragen und so einen vollständigen Rezepturwechsel innerhalb von Sekunden statt Minuten durchführen. Da diese Profile digital gespeichert und bei Bedarf abgerufen werden, ist jeder Wechsel identisch mit dem vorherigen.

Produktivitätssteigerung vom Sensor bis zum Netzwerkrand

Der bidirektionale Datenfluss von IO-Link-Systemen verbessert nicht nur die Sensorleistung, sondern schafft auch eine durchgängige Informationspipeline, die die Fabrikhalle mit der Analyse auf Unternehmensebene verbindet. IO-Link-Master können Daten auf Feldebene konsolidieren und über industrielle Ethernet-Protokolle wie PROFINET, EtherNet/IP und EtherCAT zur Verfügung stellen, so dass sie für Edge-Gateways zugänglich sind, die eine lokale Vorverarbeitung und Entscheidungslogik mit geringer Latenz ausführen. Die gleichen Daten können an MES-, ERP- oder andere Cloud-basierte Plattformen weitergeleitet werden, um eine umfassendere betriebliche Intelligenz zu erhalten.

Diese Sensor-zu-Edge-Architektur ermöglicht Überwachungsszenarien, die mit einer herkömmlichen Verkabelung unpraktisch wären. So kann beispielsweise ein Druckluftsystem mit IO-Link-Durchflusssensoren ausgestattet werden, die die Verbrauchsdaten digital melden. So können Einrichtungen Lecks lokalisieren, die Energiekosten pro Maschine verfolgen und die pneumatische Leistung optimieren, ohne separate Überwachungshardware einsetzen zu müssen. Dasselbe digitale System unterstützt die Überwachung von Kühlkreisläufen, die Verfolgung des Zustands von Förderbändern und die Erfassung von Umweltbedingungen in der gesamten Anlage.

Die Vorteile erstrecken sich auch auf die Installation und Inbetriebnahme, da IO-Link-Geräte automatisch über ihre IODD-Dateien (IODD: IO Device Description) identifiziert und konfiguriert werden, wodurch die Ersteinrichtung schneller erfolgt und weniger von Benutzern mit spezifischen Kenntnissen abhängig ist. Durch den Verzicht auf analoge SPS-Eingangskarten können Hersteller das Systemdesign optimieren und die Kosten für die Verkabelung pro Punkt im Vergleich zu analogen Installationen senken. Die Interoperabilität mit mehr als 500 Geräteherstellern weltweit stellt außerdem sicher, dass Einrichtungen skalieren können, ohne an das Ökosystem eines bestimmten Herstellers gebunden zu sein.

IO-Link-Lösungen von DigiKey: vom Sensor bis zum System

Der Einsatz eines IO-Link-Systems erfordert die Auswahl der richtigen Kombination von Sensoren, Mastern und Verbindungskomponenten von Anbietern mit echter Erfahrung in der industriellen Automatisierung. Der IO-Link-Produktkatalog von DigiKey vereint das gesamte Ökosystem von fünf führenden Anbietern, von denen jeder seine eigenen Stärken einbringt.

Abbildung 2: IO-Link-Komponenten von Festo. (Bildquelle: Festo)

Mit jahrzehntelanger Erfahrung in der pneumatischen und elektrischen Automatisierung bietet Festo ein umfangreiches IO-Link-Portfolio an Drucksensoren, Durchflusssensoren, Positionsmeldern und Ventilanschlüssen. Die dezentrale I/O-Plattform CPX-AP-I umfasst ein IO-Link-Mastermodul mit 4 Ports und Schutzart IP65/67 für Installationen an der Maschine. Die IO-Link-fähigen Sensoren verfügen über per Software umschaltbare PNP/NPN-Ausgänge und einen integrierten Datenspeicher für eine schnelle Inbetriebnahme und einen nahtlosen Austausch.

Abbildung 3: IO-Link-Lösung von ifm. (Bildquelle: ifm)

Als Gründungsmitglied der IO-Link-Community hat ifm einen der umfangreichsten IO-Link-Kataloge aufgebaut. Das Sensorportfolio arbeitet mit vollständig digitaler Signalübertragung und umgeht so die Genauigkeitsverluste, die bei älteren Anlagen typischerweise mit der Analog/Digital-Wandlung einhergehen. Über die Sensoren hinaus erstreckt sich das ifm-Ökosystem auf Edge-Gateway-Geräte, die Felddaten sicher an Cloud-Plattformen wie „Microsoft Azure IoT Hub“ und „AWS IoT Core“ weiterleiten und so einen optimierten Weg von den Sensoren im Labor zu unternehmensgerechten Analysen bieten.

Abbildung 4: IO-Link-Komponenten von SICK. (Bildquelle: SICK)

SICK treibt IO-Link durch seine intelligenten Sensorlösungen und die SIG-Familien (SIG: Sensor Integration Gateway) weiter voran, die Feldgeräte um eingebettete Intelligenz erweitern. Die IO-Link-Sensoren des Unternehmens können dezentrale intelligente Aufgaben wie Zählung und Längenmessung direkt auf dem Gerät ausführen, was die Verarbeitungslast auf der SPS reduziert. Die FieldEcho-Software von SICK ergänzt diese Sensoren, indem sie browserbasierten Zugriff auf alle IO-Link-Gerätedaten bietet, IODD-Downloads automatisch abwickelt und eine REST-API für die Integration mit MES-, ERP- und Cloud-Diensten bereitstellt.

Abbildung 5: IO-Link-Technologie von Pepperl+Fuchs. (Bildquelle: Pepperl+Fuchs)

Pepperl+Fuchs verfügt über weitreichende Erfahrungen in der Fabrik- und Prozessautomatisierung und kombiniert ein breites Sensorportfolio an induktiven, kapazitiven, photoelektrischen und Ultraschall-Sensoren mit einer robusten Master-Infrastruktur. Der IO-Link-Master ICE11 zeichnet sich durch seine Multiprotokoll-Flexibilität aus, da er PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, CC-Link und MODBUS TCP von einem einzigen Gerät aus unterstützt, während das IIoT-Starterkit einen Master, Sensoren und die gesamte erforderliche Verkabelung für ein schnelles Prototyping direkt aus der Verpackung enthält.

Abbildung 6: Temperaturkopftransmitter iTEMP TMT36 mit IO-Link. (Bildquelle: Endress+Hauser)

Endress+Hauser bringt seine Erfahrung in der Prozessinstrumentierung in das IO-Link-Angebot von DigiKey ein und ist besonders stark in den Bereichen Lebensmittel und Getränke, Wasseraufbereitung und pharmazeutische Anwendungen. IO-Link-Temperatursensoren und Druckmessumformer bieten eine Dual-Mode-Fähigkeit und können durch eine einfache Konfigurationsänderung entweder im herkömmlichen analogen (4–20 mA) oder im digitalen IO-Link-Modus betrieben werden. Dadurch können Anlagen schrittweise auf digitale Kommunikation umgestellt werden, während bestehende Arbeitsabläufe beibehalten werden.

Fazit

IO-Link hat sich in kürzester Zeit von einer Nischentechnik zu einem entscheidenden Faktor für die datengesteuerte Fertigung entwickelt, mit einer schnell wachsenden weltweiten installierten Basis und einer breiten Unterstützung durch Anbieter aus verschiedenen Branchen. Durch die Bereitstellung bidirektionaler digitaler Kommunikation über Standard-Industriekabel bietet diese Technologie Herstellern die nötige Transparenz auf Sensorebene, um Wartungsprobleme vorherzusagen, die Messgenauigkeit aufrechtzuerhalten und Echtzeit-Felddaten an Edge- und Cloud-Plattformen weiterzuleiten, wo sie zur kontinuierlichen Verbesserung beitragen können.