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Aktuelles aus der Sensorik

Sensoren, Drehgeber, Näherungsschalter, Seilzug, induktiv, kapazitiv, inkremental

pepperl10312Fachartikel

Hannover Messe Halle 9, Stand D06

Immer mehr Sensoren bieten heute intelligente Funktionen zur Fern-Parametrierung und Diagnose, die die Handhabung und den Betrieb vereinfachen und die Total Cost of Ownership (TCO) senken. Die Produktgruppe dieser Sensoren mittlerer Komplexität gewinnt zunehmend an Bedeutung, ist jedoch auf eine leistungsfähige effiziente Schnittstelle angewiesen. Pepperl+Fuchs zeigt in diesem Beitrag, wie hier IO-Link ins Spiel kommt. Es überträgt nicht nur sämtliche Daten über dieselbe dreiadrige Leitung, sondern wird auch künftig die bestehende Schnittstellenvielfalt auf wenige Standards reduzieren.

 



Bild oben: Sensorschnittstelle heute

pepperl20312Für die Anbindung von Sensoren an Steuerungen gibt es zahlreiche historisch gewachsene Standards, die vielfach noch in Gebrauch sind, aber der gestiegenen Funktionalität moderner Geräte nicht mehr gerecht werden. In vielen Anwendungen ist daher ein Mix aus diversen Schnittstellen parallel im Einsatz. Dazu gehören auf der analogen Seite die 4...20-mA-Stromschnittstelle und die 0...10-V-Spannungsschnittstelle während zur digitalen Kommunikation im einfachsten Fall ein Schaltausgang ausreicht und ansonsten serielle Punkt-zu-Punkt-Schnittstellen wie RS232 und RS422 dienen. Eine Ebene darüber angesiedelt sind Bussysteme wie Profibus, CAN und das Aktuator-Sensor-Interface (AS-i) sowie die auf Industrial-Ethernet basierenden Lösungen.

Mehrere Schnittstellen für denselben Sensor

Die typische Konstellation im Bereich von Sensoren mit mittlerem Kommunikationsbedarf sieht heute folgendermaßen aus: Um den Zugriff auf die erweiterten Funktionen intelligenter Sensoren zu ermöglichen, findet man dort neben ein oder mehreren analogen Ausgängen oder Schaltausgängen für die eigentlichen Sensorsignale zum Beispiel zusätzlich eine serielle RS232-Schnittstelle. Ein und derselbe Sensor benötigt somit gleich mehrere Schnittstellen unterschiedlicher Ausprägungen. Solche Doppelt- und Mehrfach-Verbindungen verursachen unnötige Kosten, die nicht nur im Sensor und der Steuerung sondern auch in Form von Steckverbindern, Busanschaltungen und teils aufwändigen geschirmten Verkabelungen liegen.

Hier ist aus technischer und wirtschaftlicher Sicht eine Konsolidierung längst überfällig, insbesondere vor dem Hintergrund aktueller Innovationen wie dem Trend zum „Messen statt Tasten“. Unter Letzterem versteht man eine neuartige Kategorie von Sensoren, die außer dem herkömmlichen Schaltsignal den genauen Abstand zum erfassten Zielobjekt zur Verfügung stellen und dem Anwender so mehr Schutz vor Fehlschaltungen und eine höhere Prozesssicherheit bieten. Aus den genannten Gründen führt daher in Zukunft kein Weg an IO-Link vorbei. Als serielle digitale Punkt-zu-Punkt-Verbindung ist das System auf solche Anforderungsszenarios ausgerichtet. Es eignet sich nicht nur zur Übertragung der analogen und digitalen Sensorsignale, sondern fungiert gleichzeitig als Parametrier- und Diagnoseschnittstelle oder sonstige Funktionen. IO-Link ist konsequent im unteren Bereich positioniert und bedient quasi die letzte Meile vom Sensor zur Busanschaltung oder gegebenenfalls direkt zur Steuerung.

IO-Link: herstellerunabhängig, kostengünstig und flexibel

In keinem Fall darf man IO-Link als weiteres Bussystem verstehen. Die Ausrichtung und die Stärken des Systems sind bei den ersten Vorstellungen vor wenigen Jahren nicht klar genug kommuniziert worden, so dass diesbezüglich missverständliche Interpretationen in Umlauf waren. Inzwischen hat sich hier eine klare Sicht durchgesetzt und zahlreiche Produkte von verschiedenen Herstellern sind aktuell mit IO-Link verfügbar. Auch steuerungsseitig bieten nahezu alle Anbieter entsprechende Ein-/Ausgabe-Baugruppen an. Der Preis eines IO-Link-Eingangskanals liegt interessanterweise bereits knapp unterhalb desjenigen für einen Analogkanal.

IO-Link ist international standardisiert in der Norm IEC 61131-9, wodurch herstellerunabhängig Kompatibilität und Investitionsschutz sichergestellt sind. Die Schnittstelle unterstützt auf Basis des 24-Volt-Pegels und einer preiswerten ungeschirmten Dreileiterverkabelung bis 20 m Länge Übertragungsraten von 4,8 KBaud, 38,4 KBaud und 230,4 KBaud. Ein klarer Vorteil gegenüber herkömmlichen analogen Schnittstellen liegt außerdem in der unverfälschbaren Datenübertragung, da analoge Messwerte bereits im Sensor digitalisiert werden. IO-Link bietet auch für zeitkritische Aufgaben genügend Reserven, die Zykluszeiten bei der Übertragung von 16-Bit-Werten mit der mittleren Geschwindigkeit von 38,4 KBaud liegen bei 2 ms. Wichtig für eine sanfte Migration ist die volle Abwärtskompatibilität zum PNP-Schaltausgang.

Einfacher Zugriff über Standard-Werkzeuge

Mit diesen Eckdaten ist IO-Link perfekt auf das Anforderungsprofil von Sensoren mittlerer Komplexität zugeschnitten und erlaubt vielschichtige Rationalisierungen. Neben der einfachen Übertragung aller denkbaren Datenformate vom Sensor zur Steuerung und umgekehrt, tun sich etliche Möglichkeiten bei der Organisation und Verwaltung auf. Jeder IO-Link-Sensor verfügt über eine standardisierte Gerätebeschreibung IODD (IO Device Description), auf die die Anwender mittels geeigneter Software-Werkzeugen einfach zugreifen können. Konfigurationsdaten von Geräten lassen sich zentral in Steuerungen bzw. Datenbanken ablegen und nach Produktumstellungen oder einem Austausch verzögerungsfrei wieder in den Sensor laden. Auch das Klonen von Parametersätzen ist eine Kleinigkeit.

Nicht unerwähnt bleiben sollen auch die Grenzen von IO-Link. So bleibt das große Feld der binären Sensoren mit einfachem 24-V-Schaltausgang weitgehend unberührt von IO-Link. Es macht in der Regel zahlenmäßig den größten Anteil der Sensorik im Bereich der Fabrikautomation aus, zu dem unter anderem die vielen induktiven und optischen Positionsschalter gehören. Als Quasistandard hat sich hier weltweit der Transistorausgang gemäß PNP-Schaltlogik etabliert, wenn man einige Anwendungen in den USA und Japan außer Acht lässt, die noch die NPN-Variante verwenden. Der Einsatz von IO-Link auf dieser untersten Sensorebene würde kaum nennenswerte Vorteile bieten, sondern die Anschaltung eher verteuern. Oberhalb des Einsatzbereiches von IO-Link liegt die Gruppe anspruchsvoller Sensoren zu denen beispielsweise Vision-Sensoren gehören. Sobald große Datenvolumina im Mittelpunkt stehen, etwa für die Übertragung von Live-Bildern, sind Ethernet-basierte Schnittstellen als Kommunikationsstandard die richtige Wahl.

Das Ergebnis: Sensoren mit intelligenten Funktionen

IO-Link ist die standardisierte, innovative und kostengünstige Sensorschnittstelle für Sensoren mit intelligenten Funktionen. Das serielle digitale System eignet sich zur Übertragung sämtlicher Kommunikationsdaten eines Gerätes, egal ob es sich um Analogwerte, digitale Schaltsignale, oder Konfigurations- und Diagnosedaten handelt. So spielt IO-Link eine zentrale Rolle bei der Reduzierung der unüberschaubaren Schnittstellenvielfalt auf die drei Standards 24-V-Schaltausgang, IO-Link und Ethernet. Da IO-Link volle Abwärtskompatibilität zu binären Schaltausgängen bietet, können Anwender IO-Link praktisch ohne Risiko einführen: IO-Link-Sensoren arbeiten problemlos an einem herkömmlichen digitalen Steuerungseingang, ebenso wie ein vorhandener Sensor mit PNP-Schaltausgang an einen IO-Link-Eingang anschließbar ist.


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