Sensor sorgt für mehr Transparenz

Kommunikation - Innerhalb eines Jahres hat sich der von Sick initiierte IO-Link als serielle Schnittstelle zwischen Sensor und E/A-Baugruppe etabliert.

21. Juli 2006

Hannover Messe 2005: Die Sick AG, Waldkirch, präsentiert mit dem Lichttaster WT18-3 den ersten Standard-Sensor mit Kommunikationsschnittstelle. Interpack 2005: Meurer Verpackungssysteme stellt die erste Maschine mit der neuen Sensor-Generation aus. Zur Hannover Messe 2006 hat sich der Technologietrend etabliert: Der von Sick initiierte und von zahlreichen Sensorherstellern im gleichnamigen Arbeitskreis unterstützte Standard IO-Link ist bei der Deutschen Kommission Elektrotechnik (DKE) als Normungsantrag für IEC akzeptiert.

Die wichtigsten Vorteile, die IO-Link als serielle Schnittstelle zwischen Sensor und E/A-Baugruppe bietet, sind umfangreiche Möglichkeiten zum Parameter-Download aus einer Maschinensteuerung, eine umfangreiche Ferndiagnosefähigkeit, eine erhöhte Anlagenverfügbarkeit und die automatische Anlagendokumentation. Aus diesen Gründen werden neben dem WT18-3 auch andere feldbusfähige IO-Link-Sensoren wie der WT4-3, der WT27-3 oder die Glas-Lichtschranke WL12G von Sick innerhalb kürzester Zeit die von Experten prognostizierte Beachtung finden.

Besonderes Sensorkonzept, besondere Informationen

Technologischer Hintergrund ist die kostengünstige Erweiterung des Schaltausgangs zur Kommunikationsschnittstelle. Beste Voraussetzung für IO-Link bringen neben der Glas-Lichtschranke WL12G von Sick vor allem die Taster der 3er-Baureihe mit ASIC-basiertem Sensorkonzept mit.

Mit dem Reflexions-Lichttaster WT18-3 wurde erstmals ein kommunikationsfähiger Sensor vorgestellt, der neue Möglichkeiten bei der Objekterfassung im anspruchsvollen Umfeld aufzeigte. Es war das erste Gerät seiner Art mit einer neuen, speziell für Taster entwickelten Chiptechnologie. Ihr Ziel: Das Erkennen und Unterdrücken beziehungsweise Ausblenden der ständig zunehmenden passiven und aktiven Störquellen, wie zum Beispiel von Mobiltelefonen, Funkgeräten, Lichtquellen, Antrieben, spiegelnden Oberflächen oder anderer Geräte, im Einsatzumfeld optoelektronischer Sensoren.

Der Sensorchip besteht aus einem Empfänger mit 16 Elementen mit programmierbarem virtuellen Trennsteg für die elektronische Einstellung der Hintergrundausblendung. Aufgrund dieses Konzeptes war es erstmals möglich, neben Binärinformationen auch umfangreiche Servicedaten aus dem Anlagenumfeld zu erfassen und so beispielsweise ein Hochregallager »mit den Augen des am Regalbediengerät montierten Sensors« zu betrachten. Die neue Chiptechnologie war somit die Voraussetzung, um die bislang übliche Binärschittstelle zwischen Sensor und E/A-Geräten um Kommunikationsfunktionen zu erweitern.

Kommunikation liefert mehr Informationen

IO-Link ist kein klassisches Bussystem, sondern eine feldbusneutrale Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit bekannter Topologie für den Dialog zwischen Sensor und Steuerung. Dadurch kann man die Vorteile von Automatisierungslösungen mit anlagenweiter, durchgängiger Kommunikation bis zum einzelnen Sensor oder Aktor nutzen. Physisch können IO-Link-Sensoren über ein Anschlussmodul an Feldbusse angekoppelt und sowohl am Bedienpanel der Maschine als auch in einer entfernten Leitwarte erkannt und angesprochen werden.

Bedingt durch das neue Konzept ist es möglich, nicht nur digitale Schaltzustände und digitalisierte Analogwerte zu übertragen, sondern auch zahlreiche Zusatzinformationen wie etwa eine Verschmutzungswarnung, das Vorhandensein von Störquellen im Einsatzumfeld, die Qualität des Schaltsignals, die aktuelle Tastweite oder die Seriennummer des Sensors.

Josef Reischl aus der Abteilung Innovationsmanagement beim österreichischen Lagertechnik-Spezialisten TGW, das die Lichttaster WT18-3 von Sick bereits erfolgreich einsetzt, beschreibt seine Erfahrungen mit der neuen Sensor- bzw. Kommunikationstechnologie: »Mit Hilfe einer speziellen Visualisierungssoftware können wir sowohl beim Testaufbau im Haus als auch in der Anlage vor Ort den Lichtempfang des Sensors darstellen, diesen dem Detektionsobjekt oder dem Umfeld zuordnen und online Anpassungen an der Sensoreinstellung vornehmen. Passive Störer, wie etwa Lichtreflexionen im Anlagenumfeld, lassen sich so identifizieren. Gleichzeitig wird durch die bi-direktionale Datenübertragung zwischen Sensor und E/A-Einheit sofort erkennbar, welche Auswirkungen beispielsweise die Reduzierung der Frequenz, die Eingrenzung des Sichtfensters auf dem Empfänger oder eine Verschiebung des Trennsteges per Software auf das Erfassungsergebnis haben.«

Die Dialogfähigkeit zwischen Sensor und Automatisierungssystem per IO-Link eröffnet auch bei Konstruktion, Design, Bau, Betrieb und Wartung von Maschinen neue Perspektiven. Dazu Walter Schmidt, Betriebsleiter bei Meurer Verpackungssysteme: »Beim Wechsel einer Verpackungscharge muss der dialogfähige Taster nicht mehr wie früher mechanisch justiert und die Tastweite neu eingestellt werden; dies geschieht jetzt automatisch durch den Download der Parametersätze über IO-Link aus dem Automatisierungssystem. Im Betrieb meldet der Sensor selbstständig, wenn Probleme auftreten, zum Beispiel bei einer Verschmutzung der Optik, bei Dekoränderungen an Produkten oder bei einer abnehmenden Güte des Schaltsignals. Dadurch kann der Maschinenbetreiber seine Anlage vorbeugend warten, etwa in einer geplanten Betriebspause, und so Ausfallzeiten durch ungeplante Stillstände von Verpackungsprozessen vorbeugen.«

Diese Nutzenpotenziale, wie sie von Anwendern aus unterschiedlichen Branchen genannt werden, haben auch zahlreiche andere Sensorikhersteller, Automatisierungsanbieter und Maschinenhersteller erkannt: Unter dem Dach der Profibus Nutzerorganisation e.V. (PNO) sind sie in einem eigenständigen Arbeitskreis zusammengeschlossen. Sie unterstützen über die DKE (Deutsche Kommission Elektrotechnik) den bei der IEC (International Electrotechnical Commision) vorliegenden Normungsantrag IO-Link.

Offen, einfach umsetzbar und investitionssicher

IO-Link ist als offene Schnittstelle konzipiert. Sie definiert unter anderem die Übertragungsphysik, das feldbusneutrale Schnittstellenprotokoll für die Übertragung der Prozess- und Servicedaten sowie Möglichkeiten der Systemintegration.

Hierdurch sowie durch die zu erwartende Annahme des Normungsantrages durch die IEC ist gewährleistet, dass IO-Link sich an alle industrieüblichen Feldbus-, Steuerungs- und Automatisierungssysteme anbinden lässt.

So erfolgt die Kommunikation dann durch Pulsmodulation der DC24V Versorgungsspannung als serielles UART-Protokoll. Die Zykluszeit für die Übertragung der typischerweise 2 Byte Prozessein- und -ausgangsdaten beträgt zwei Millisekunden. Für sehr schnelle Schaltvorgänge lässt sich das Konzept um einen Echtzeit-Ausgang erweitern. Damit gehen die zahlreichen Vorteile von IO-Link nicht zu Lasten der Prozessgeschwindigkeit. Die Übertragung von bis zu 32 Byte Diagnose-, Parameter- und sonstiger Servicedaten erfolgt wechselwirkungsfrei zum Schaltausgang.

Der Maschinenbauer wie auch der Anwender können somit schnell und einfach von den Vorteilen von IO-Link profitieren. Neben dem Einsatz dialogfähiger Lichttaster - WT4-3, WT18-3, WT27-3 oder WL12G von Sick - oder entsprechender Sensoren anderer Hersteller wird für eine Feldbusanbindung lediglich das IO-Link-Anschaltmodul benötigt. An dieses lassen sich gegenwärtig bis zu vier Sensoren über ungeschirmte, maximal 20 Meter lange dreipolige Standardkabel anschließen. Damit ist das Konzept kompatibel zur bislang üblichen Schalt- und Anschlusstechnik. Gegebenenfalls können auch nicht kommunikationsfähige Sensoren angeschlossen werden, die dann jedoch nicht die Vorteile des IO-Link nutzen.

Anwender stehen in den Startlöchern

Die von Sick initiierte und von anderen Unternehmen unterstützte Standardisierung von IO-Link steht kurz vor dem Abschluss. Der größte Teil der Spezifikationen ist bereits definiert und verabschiedet. Dementsprechend warten zahlreiche Anwender sowie Maschinenhersteller nur noch auf die Verfügbarkeit von Produkten.

Drei Branchen dürften dabei mit zu den Ersten gehören, die aus den Startlöchern kommen: In der Pharmaindustrie unterstützt IO-Link unter anderem schnelle Rezepturwechsel und die Validierung ganzer Maschinen und Anlagen. Die Verpackungstechnik profitiert bei der Automatisierung von Formatwechsel-Prozessen sowie der Ferneinstellbarkeit kritischer Applikationen, in denen es auf hohe Genauigkeit und sichere Reproduzierbarkeit ankommt.

In der Lager- und Fördertechnik ermöglicht es IO-Link, von entfernter Stelle aus die Prozesse mit den Augen des Sensors zu sehen. Dadurch können dezentral über vorhandene Visualisierungslösungen Sensoroptimierungen vorgenommen werden, zum Beispiel zur Unterdrückung passiver Störer im Hintergrund, ohne die Leistung einer Maschine oder Anlage zu beeinträchtigen.

IO-Link: Zukünftiger Kommunikationsstandard?

IO-Link - soviel steht wohl fest - wird künftig erhebliche positive Auswirkungen auf das Design und die steuerungstechnische Konzeption von Maschinen und Anlagen haben. Aus bislang weitgehend passiven Funktionselementen werden jetzt aktive Teilnehmer, die mit der Leitebene im Dialog sind und neben Schaltsignalen auch Zustandsinformationen oder Fehler eigenständig melden. IO-Link bietet somit die Sensorkommunikation der Zukunft. Es integriert aber gleichzeitig auf einfache Weise die bis heute üblichen Technologien und zeichnet sich daher durch ein hohes Maß an Investitionssicherheit aus.

Zdenko Hrncjar, Sick

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2006