IO-Link bietet viele Vorteile. Drohende Bauteilausfälle können frühzeitig erkannt, passende Ersatzteile rechtzeitig beschafft und notwendige Parametereinstellung automatisch übertragen werden. Anlagenstillstände können so vorausschauend vermieden werden, wodurch die Produktivität erhöht wird. Herzstück eines jeden IO-Link-Systems ist dabei der IO-Link-Master, der die Kommunikation mit den Sensoren und Aktoren regelt und die Daten dann an übergeordnete Steuerungssysteme oder die Cloud weitergibt.
Im Vergleich zur klassischen digital schaltenden Sensorik stellt IO-Link nicht nur simple Schaltsignale bereit, sondern ermöglicht auch den Zugriff auf detaillierte Identifikations-, Diagnose und Parameterdaten eines Sensors bzw. Aktors. Durch die Geräteinformationen, die IO-Link dabei bereitstellt, eröffnen sich neue Wege für smarte Sensorik. Bereits heute verfügen einige optische Sensoren von Pepperl+Fuchs über eine Verschmutzungserkennung und können so bei einer Verschmutzung der Linse eine Diagnosemeldung erzeugen. Hierdurch kann eine vorausschauende Wartung realisiert werden, bei der der Sensor gereinigt wird, noch bevor es durch Verschmutzung zu möglichen Ausfällen in der Produktion kommt.
Die Verbindungstechnik von IO-Link beruht hierbei auf den bereits vielfach bewährten ungeschirmten dreiadrigen Sensor- bzw. fünfadrigen Aktor Anschlüssen, wodurch bisherige Verbindungskabel uneingeschränkt weiterverwendet werden können. Auch die Rückwärtskompatibilität der IO-Link-Master zu bisherigen Devices ohne IO-Link-Schnittstelle ist gewährleistet. Hierfür kann jeder IO-Link-Port auch in den Betriebsarten als digitaler Ein- oder Ausgang betrieben werden. So können auch Bestandsanlagen einfach mit IO-Link modernisiert werden.
Funktionalität der Master
Die IO-Link-Master stellen die Daten der Sensoren und Aktoren über verschiedene Automatisierungsprotokolle wie Profinet, Ethernet/IP, Ethercat und vielen weiteren an das übergeordnete Steuerungssystem bereit. Dort werden die Daten verarbeitet und entsprechend der Logik der Anwendung wieder zurückgespielt, damit Aktorik wie Motoren oder Ventile angesteuert werden. Die genannten Protokolle sind allerdings relativ starr und ein Datenzugriff von außen z.B. zu Diagnosezwecken ist nur sehr eingeschränkt möglich. Während die genannten Protokolle vor allem auf Echtzeitanwendungen im unteren Millisekundenbereich ausgerichtet sind, können die IO-Link-Master von Pepperl+Fuchs die Daten parallel auch an Computer- oder cloudbasierte Systeme weitergeben. Hierfür unterstützen die Master die Protokolle OPC UA und MQTT, die sich durch Offenheit auszeichnen.
OPC UA ermöglicht die Kommunikation bis in die Cloud
OPC UA ist ein ethernet-basiertes Kommunikationsprotokoll, das einen einfachen und flexiblen Weg für die Kommunikation von Maschine zu Maschine oder von der Maschine in die Cloud ermöglicht. Hierbei zeichnet sich OPC UA vor allem durch seine Unabhängigkeit aus, wodurch Kunden eine maximale Flexibilität bei der Gestaltung ihrer IoT-Systeme erhalten. Neben der Herstellerunabhängigkeit umfasst diese auch eine Plattform- und Programmiersprachenunabhängigkeit. Kunden sind also frei, ob sie ihre Systeme in Umgebungen wie beispielsweise C/C++ oder JAVA programmieren möchten, und ob diese auf Windows, Linux oder anderen Betriebssystemen aufsetzen. Während OPC UA allerdings etwas schwergewichtig durch einen hohen Datenoverhead ist, kommt MQTT deutlich leichtgewichtige daher, wodurch sich entsprechend Datenbandbreite sparen lässt.
Hybride Steuerungssyteme aus SPS und Cloud
Durch die Kombination von deterministischem Feldbusprotokoll wie Ethernet/IP oder Profinet und OPC UA bzw. MQTT in einem Gerät können die neuen IO-Link Master der ICE2- und ICE3-Serie von Pepperl+Fuchs parallel mit einer Steuerung und einem übergelagerten PC-basierten System oder einer Cloud kommunizieren. So sind hybride Systeme möglich in denen die SPS die Applikation weiterhin über Profinet oder Ethernet/IP in Echtzeit steuert und der IO-Link-Master parallel Zustandsdaten über OPC UA in die Cloud überträgt, die für die Steuerung zwar ohne Belang, für eine andere Maschine oder ein zentrales Leitsystem aber wichtig sind.
Da Steuerungen speziell dafür designt sind, Eingangssignale der Sensorik schnellstmöglich zu verarbeiten und die aus der Steuerungslogik resultierenden Ausgangssignale wieder an die Aktorik zu übertragen, sind sie für die großen Mengen an Zustandsdaten, die im Zuge der Digitalisierung von Maschinen anfallen, nicht geeignet. Diese können deutlich preiswerter in übergelagerten Systemen verarbeitet werden, wodurch kostenintensive Rechenressourcen in der Steuerung gespart werden können.
Stand-alone-Betrieb ohne übergeordnete Steuerung
Die IO-Link-Master der ICE2- und ICE3-Serie gehen allerdings auch noch einen Schritt weiter und ermöglichen neben dem lesenden Zugriff auf Zustandsdaten bei Bedarf auch den schreibenden Zugriff auf Prozessdaten. So können auch Applikationen komplett ohne klassische SPS realisiert werden, die vollständig aus der Cloud gesteuert werden. Die Anschaffung echtzeitfähiger Steuerungen mit ihrer hohen Performance ist meist mit sehr hohen Hardware- und Softwarekosten verbunden. Zusätzlich ist das Know-how von Steuerungsexperten notwendig, die in den spezialisierten Entwicklungsumgebungen zurechtkommen.
Für Applikationen, die keine Steuerung im Millisekunden-Takt benötigen, sind klassische Steuerungen daher meist überdimensioniert. Hier kommen immer häufiger IPCs zum Einsatz, die immer performanter werden und so die Steuerungsaufgaben zu geringeren Kosten übernehmen können. Durch das komplett web-basierte Konfigurationskonzept der neuen IO-Link-Master können auch diese Lösungen optimal umgesetzt werden. Sämtliche Konfigurationen des IO-Link-Masters als auch aller angeschlossenen IO-Link-Devices können über einen Standard-Webbrowser durchgeführt werden, ohne dass zusätzliche Softwaretools benötigt werden.
In die Zukunft investieren
Mit den neuen IO-Link-Mastern mit integrierter OPC-UA- und MQTT-Schnittstelle können Kunden sich bereits heute auf die Digitalisierung ihrer Anlagen vorbereiten. IO-Link ist hier vollkommen rückwärtskompatibel zu digitaler Sensorik und Aktorik. Auch die IIoT-Funktionalität kann jederzeit völlig flexibel aktiviert und deaktiviert werden. Kunden können so bereits heute ihre Anlagen entsprechend ausstatten und zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Zukunft das volle Potential von IO-Link nutzen. (ge)
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