Auf zur Schnittstelle

Zusammenarbeit - Der IO-Link ist eine Standard-Schnittstelle für Aktoren und Sensoren. Sie soll Innovationsbarrieren beseitigen und hat bereits Barrieren zum Wettbewerb aus dem Wege geräumt. Denn die preiswerte Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle ist ein Ergebnis der Teamarbeit und war ein Highlight der Hannover Messe.

08. Mai 2006

Die Abfrage an einem Zylinder erfolgt heute üblicherweise über binäre Sensoren, die mechanisch verstellt werden. Dazu müssen sie immer zugänglich sein und sind zudem den harten Umwelt­einflüssen ausgesetzt. Sollen solche Sensoren in den Zylinder integriert werden, ist der konstruktive Aufwand sehr groß, auch aufgrund eingeschränkter Einstellmöglichkeit.

Auch die Installationskosten externer Sensoren steigen dann überproportional an, wenn zusätzliche Informationen benötigt werden. Dies bedingt gleichzeitig höhere Anforderungen an die Sensoren. Nimmt man Maschinenstillstände in Automatisierungsanlagen unter die Lupe, fällt eine häufige Ausfallursache auf: defekte Sensoren. Sie fallen meist durch ungünstige Umgebungsbedingungen aus, also Reinigungsmittel, Feuchte, mechanische Kräfte oder Anhaftungen. Die Integration von preiswerten Wegmesssystemen in das robuste Aluminiumgehäuse eines pneumatischen Zylinders schafft einige Probleme aus der Welt. Mechanische Justage und damit die Anforderung nach Zugänglichkeit der Sensoren entfallen. Selbst Plug & Work-Lösungen sind möglich.

Wie kommt hier IO-Link ins Spiel?

Der Anwender von Zylinderschaltern ist es gewohnt, die Sensoren mechanisch zu justieren. Entsprechend der Anforderungen an die Anwendung bezüglich Schaltpunkt und Betriebsreserve ist dies eine individuelle, aber selten eine reproduzierbare Angelegenheit.

Bei elektronisch einstellbaren Positionssensoren (EPS) ist eine mechanische Verstellung nicht möglich. Einstellungen durch Teach-In sind der pragmatische Weg. Allerdings stellt sich sie Frage, wohin mit dem Mensch-Maschine-Interface (MMI, engl. HMI von human mashine interface), das aus Tasten und Anzeigen besteht. Soll die Betriebsre­serve mit eingestellt werden, sollte ein unmittelbarer visueller Feedback gegeben werden. Dies ist nur mit großem Aufwand am Zylinder machbar. Die Anforderungen an den Zylinder, speziell IP-Schutzart und Korrosionsschutz, muss auch das MMI erfüllen. Dies benötigt Bauraum und verursacht hohe Kosten. Viele Anwendungsvorteile gehen dadurch verloren, wie von einigen im Markt zaghaft vorgestellten Systemen bekannt ist.

Welchen Sensortyp integriert man am besten im Sensor? »Unter sämtlichen physikalischen Wirkprinzipien ist der Mikrowellensensor der Favorit«, findet Armin Seitz. Er leitet bei Festo den Geschäftsbereich Sensoren. Die ›Mikrowelle‹ ist störfest und unempfindlich gegenüber Verschmutzung in einem Zylinder - wie er durch Abrieb, Öl oder Fett entsteht. Die nächste Frage lautet, wie wird der Sensor im Zylinder bedient? Am besten über eine serielle Schnittstelle, »die wir dann auch entwickelt haben», schildert Armin Seitz.

Allerdings bekam der Entwicklerstolz gleich einen Dämpfer: Unabhängig davon, wie gut die Lösung ist - als proprietäre Schnittstelle findet sie auf dem Markt wenig Akzeptanz. Deshalb hat sich Festo an IQ-Sense, einer Siemens-Entwicklung beteiligt. Aber auch hier waren bald Grenzen in Sicht - diesmal waren es Systemgrenzen. »Siemens ist zwar ein Steuerungsexperte, hat aber in der Domäne der Feldgeräte wenig Marktmacht. Deshalb haben wir nach weiteren Verbündeten gesucht«, erinnert sich Seitz. Die gemeinsame Lösung wurde schließlich in IO-Link innerhalb der PNO gefunden. Aus vielen guten Ansätzen ist ein noch besserer entstanden, denn auch andere Parallelentwicklungen, wie die von Sick und Phoenix Contact gaben ihr Bestes an IO-Link ab. Armin Seitz: »Man stößt schnell an Grenzen, wenn man seine Schnittstelle alleine entwickelt«, das war eine der Erfahrungen, die jeder der Partner vor der Kooperation gesammelt hatte. Proprietäre Systeme sind vielleicht der Stolz der Erfinder, aber der Kunde muss sich in einer heterogenen Schnittstellen-Landschaft orientieren, nichts passt und alles ist kompliziert. Seitz: »Den entscheidenden Anstoß zur Initiative für die gemeinsame Schnittstelle haben die Anwender selbst gegeben.«

Armin Seitz gibt ein Beispiel: »Früher gab es den Druckschalter, der mit einer Schraube eingestellt wurde. Für unterschiedliche Applikationen gab es jeweils den passenden Druckschalter. Dann kamen elektronische Druckschalter mit bis zu 30 Parametern auf den Markt. Zum Austausch brauchte man einen Spezialisten, der diese Parameter wieder generieren konnte.« Während der Laufzeit der Maschine werden diese Einstellungen beispielsweise zur Verschleißkompensation geändert. Der Kunde ist häufig überfordert, die Einstellungen wieder herzustellen. Dann ist es fraglich, ob die Steuerung die notwendigen Werte speichern kann und wieder zurückspielt. Der Sensoriker muss also zum Erhalten der Daten mit dem Steuerungstechniker zusammenarbeiten. Seitz: »Viele Hürden, die kein Kunde leicht überwindet. Komponentenlieferanten sind deshalb in der Pflicht, eine

gemeinschaftliche Lösung vorzulegen.«

Mechatronische Entwicklung?

In erster Linie ist es ein elektronisches Thema. Bewegungsabläufe eines Zylinders können optimiert werden, wenn das Wegmesssystem auf das Ventil wirkt und den Zylinder mit maximaler Geschwindigkeit fahren lässt und ihn rechtzeitig vor der Endlage abbremst. Das läuft autark ohne die Steuerung. Denn hier ist Schnelligkeit und Intelligenz vor Ort gefragt. Eine Steuerung kann das in der heutigen Architektur nicht leisten. Hier geht der IO-Link als Schnittstelle für Aktoren und für Sensoren ins Rennen.

Wie war es bisher? Pneumatikzylinder werden von einem Ventil angesteuert und zwei Sensoren melden üblicherweise die Kolbenposition in der Endlage zurück. Hierfür werden die beiden Ventilspulen auf zwei Ausgänge der Steuerung angeschlossen, die beiden Sensoren auf zwei Eingänge. Im Klartext heißt dies, dass bis zu vier Anschlusskabel auf vier Eingangskanäle gelegt werden müssen. Das kostet Platz, Zeit und Geld. Künftig braucht man nur noch eine Strippe, mit der viele Aktoren und Sensoren direkt angesteuert werden können. »Damit wird die Aktorik, die Mechanik mit der Sensorik »verheiratet». Der Weg ist frei für mechatronische Lösungen wie sie heute kaum realisierbar sind«, schwärmt Armin Seitz von der neuen Schnittstelle.

Dann wären da noch die Kosten. Für Zylinder-Ventil-Kombination werden in der Regel achtpolige M12-Stecker verarbeitet. »Nachteil ist, dass sie im Vergleich zu standar­disierten vierpoligen M12-Steckverbindern exorbitant teuer ist.« Wenn es möglich ist, mit einem vierpoligen Verbinder die gleiche Performance wie mit einem achtpoligen zu erreichen, bedeutet das 30 bis 40 Euro we­niger Kosten für die elektromechanische Schnittstelle - bei etwa 100 Euro für eine Gesamtapplikation ist dies prozentual ein ziemlicher Kostenbatzen.

Alle in einem Boot

Wie kommt es nun, dass so viele - auch harte Wettbewerber − in einem Boot sitzen? Armin Seitz erklärt es mit dem Kundennutzen, der allen am Herzen liegt: »Das ist ein gemeinsamer Nenner der IO-Link-Partner. Denn der Kunde braucht solche Lösungen - und eigentlich ist alles ja ganz einfach: Ein induktiver Näherungsschalter könnte im Nennschaltabstand von Faktor 4 auf Faktor 5 erhöht werden. Das erfordert hohen Entwicklungsaufwand, während die Systeme nicht stabiler werden. Der Wettbewerbsvorsprung ist marginal. Wenn wir eine gemeinsame Schnittstelle entwickeln, ist der Kundennutzen auf Anhieb hoch.« Denn jeder der Partner habe die Signale vom Markt zur Standardisierung erkannt, ist Seitz überzeugt. Dass mit einem etablierten IO-Link weiter an den ›Differenzierungspotentialen‹ gearbeitet wird, steht außer Zweifel. Schließlich will der Markt weiter mit Innovationen versorgt werden, und die können mit IO-Link dem Kunden noch besser helfen. Der Mikrowellensensor von Festo ist nur eine neue Entwicklung, die IO-Link als Schnittstelle integriert hat. Der Zylinder mit dem Mikrowellensensor ist nur ein Pilotprojekt unter vielen - von vielen anderen IO-Link-Pionieren.

Peter Schäfer

VORSPRUNG DURCH STANDARDS

»Sensoren, die Spürnasen im Produktionsprozess, gehören zu den Schlüsselelementen unseres Portfolios, das wir durch eigene Entwicklungen und Akquisitionen ausbauen.

Als interessante Themen in der Sensorik gelten momentan IO-Link, ein neuer Kommunikationsstandard für Aktoren und Sensoren, sowie Bildverarbeitungssysteme, um die Produktionsqualität effizient zu sichern oder zu erhöhen. Namhafte deutsche Hersteller von Sensor- sowie Automatisierungstechnik haben sich im Arbeitskreis IO-Link unter dem Dach der Profibus Nutzerorganisation (PNO) zusammengefunden. Ziel ist es, einen durchgängigen Standard für Sensoren und Aktoren zu erarbeiten, mit Beibehaltung der kostengünstigen Punkt-zu-Punkt-Verbindung von Sensor zu E/A-Baugruppe. Dies soll dem Anwender einen Technologiesprung bieten, der ihm Potenzial für weitere Kostensenkungen schafft - bei Inbetriebsetzungs- und Instandhaltungskosten sowie bei der Anlagenverfügbarkeit. Kernidee von IO-Link ist, die in den letzten Jahren immer leistungsfähiger gewordenen Sensoren auf standardisierter Basis besser mit der Automatisierungsebene zu verknüpfen. Siemens vermarktet seit Jahren kommunikationsfähige Sensoren mit IQ-Sense-Schnittstelle, die all diese Kundenvorteile bieten.«

Kommunikation

»Als neuer Standard für die Datenübertragung in der untersten Feldebene bietet IO-Link eine integrierte Kommunikationsschnittstelle für Sensoren und Aktoren. Die integrierten Parametrierungs- und Diagnosemechanismen können damit überlagerten Engineering-Systemen transparent zugänglich gemacht werden. Namhafte Hersteller von Sensor- und Automatisierungstechnik haben sich unter dem Dach der Profibus-Nutzerorganisation zusammengeschlossen, um IO-Link als offene, feldbusneutrale Schnittstelle zu beschreiben. Phoenix Contact hat dabei federführend an der Spezifikation der physikalischen Schnittstelle, der IO-Link-Protokolle sowie der Integration in bestehende Feldbussysteme gearbeitet. Die Spezifikation, die von der DKE (Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE) zur IEC-Normung angenommen worden ist, wird derzeit abschließend überarbeitet. Auf der Hannover Messe 2006 hat Phoenix Contact die erste Implementierung der IO-Link-Schnittstelle in ein Gerät der Produktlinie Fieldline-I/O mit der Ausführung in Schutzart IP 65/67 vorgestellt.«

Erschienen in Ausgabe: 03/2006