02.10.2023 – Kategorie: Komponenten & Systeme

IO-Link: Übersetzer zwischen zwei Welten

IO-LinkQuelle: Gefran

IO-Link ist Übersetzer zwischen Sensoren beziehungsweise Aktoren auf der einen Seite und den Feldbus-Systemen der industriellen Fertigung auf der anderen. Zudem kann IO-Link neben den Mess- oder Regelwerten weitere Prozess­parameter erfassen und diagnostizieren. Mit seinen IO-Link-Lösungen trägt Gefran zu einer höheren Prozesssicherheit und Anlagenverfügbarkeit durch vorausschauende Instandhaltung und Wartung bei.

Das Internet of Things (IoT) lebt von intelligenten Produktionsprozessen und einer schnellen Kommunikation. Dazu müssen steigende Datenmengen mithilfe von hochgenauen Sensoren erfasst, mit Aktoren geregelt und mit Feldbussen übertragen werden. Allerdings sind Feldbus-Systeme wie Ethercat, Profinet, Profibus, CANopen & Co. herstellerabhängig und nicht frei verfügbar. Zudem unterscheiden sie sich hinsichtlich integrierbarer Teilnehmerzahl, übertragener Datenmenge und -geschwindigkeit sowie ihrem Aufbau, der erforderlichen Infrastruktur und überbrückbaren Entfernungen. Damit Sensoren und Aktoren Feldbus-übergreifend eingesetzt und intelligent vernetzt werden können, benötigen sie entsprechende Schnittstellen und Kommunikationsprotokolle, die als Übersetzer zwischen ihnen und den Feldbussen fungieren: hier kommt IO-Link ins Spiel.

Sensoren für alle Ansprüche

Gefran steht mit seinen Sensoren und Aktoren an der Basis der Datengenerierung. Das Unternehmen integrierte als erster Hersteller IO-Link in Sensoren für die unterschiedlichsten industriellen Branchen und Anwendungen. Die Geräte mit digitaler IO-Link-1.1-Schnittstelle erfassen, regeln und übertragen nicht nur die eigentlichen Messgrößen, sondern filtern diese auch und setzen sie in Relation zueinander. Sie sind damit in der Lage, den nachfolgenden Systemen neben den reinen Daten auch deren Auswertung und eine Fülle zusätzlicher Informa­tionen zur Verfügung zu stellen. Dazu zählen typischerweise die Betriebsstundenanzahl, Maximalwerte von Druck und Temperatur sowie das Auslösen von Alarmevents. Abhängig vom jeweiligen Sensor oder Aktor werden auch Größen wie Energieverbrauch, Beschleunigung, Geschwindigkeit und Neigung ausgelesen.

IO-Link ermöglicht mit bis zu 230,4 Kilobaud eine besonders schnelle Kommunika­tion zwischen Sensor beziehungsweise Aktor und den nachfolgenden Systemen – in beide Richtungen. Über einen IO-Link Master können dabei bis zu acht Aktoren/Sensoren individuell konfiguriert und verwaltet werden. Standardisierte, ungeschirmte Verbindungskabel garantieren zudem eine vereinfachte Installation. Damit ist das Kommunikationsprotokoll vor allem für mittelgroße Anlagen mit vielen Sensoren die effizienteste Lösung.

Zu den Mess- und Regelprodukten mit IO-Link-Mehrwert, die das Unternehmen im Portfolio hat, gehören neben Schmelzedrucksensoren für hohe Temperaturen und linearen Positionsaufnehmern auch Druck- und magnetostriktive Wegsensoren sowie Leistungssteller und Halbleiterrelais. Bei all diesen Sensoren und Aktoren gestattet das IO-Link-Protokoll aufgrund der Vielzahl an erfassten Messgrößen und Daten die Selbstdiagnostik und lässt Rückschlüsse auf den Betriebszustand der Anlage zu. Damit leisten die IO-Link-Geräte einen entscheidenden Beitrag zur vorausschauenden Instandhaltung, tragen ganz wesentlich zur Effizienzsteigerung des gesamten Prozesses bei und erleichtern die Identifikation von Fehlerursachen im Reparaturfall. „Unsere IO-Link-Produkte digitalisieren die auf der Feldebene gesammelten Daten. Das erleichtert unseren Kunden den Übergang zu einem datengesteuerten Unternehmen“, erklärt Torsten Fuchs, Geschäftsführer von Gefran Deutschland.

Massedrucksensoren mit IO-Link

Eines der ersten Produkte waren die Massedrucksensoren der Baureihe IL. Diese Sensoren, die sämtlich PLd- und SIL2-zertifiziert sind, bietet der Hersteller sowohl mit den Füllmedien NaK (ILK), Öl (ILW) und Quecksilber (ILM) als auch in der füllmedienfreien Impact-Version (ILI) für Drücke bis zu 2000 bar und Temperaturen bis 538 Grad Celsius an. Ausgestattet mit IO-Link werden die Massedrucksensoren kalibrier- und skalierbar und stellen ein Temperatursignal in der Messspitze als zweiten Prozessparameter bereit. Gleichzeitig zählt der Sensor mit IO-Link seine Betriebsstunden, und er erfasst und speichert die Maximalwerte von Druck- und Temperatur.

Magnetostriktive Wegsensoren mit IO-Link

Mit seiner Serie Hyperwave WPL (Hyperwave Profil IO-Link) hat der Hersteller kontaktlose magnetostriktive Positionsaufnehmer mit IO-Link für Messlängen bis 4000 Millimeter im Programm. Diese Wegaufnehmer sind extrem messgenau und resistent gegen EMV-Störungen und Vibra­tionen. Die Sensoren können deutlich mehr, als einfache analoge Messsignale zu senden. Azyklisch werden zusätzlich Informationen wie beispielsweise die gesamte gemessene Länge, Bewegungszeit, Höchstgeschwindigkeit und -beschleunigung erfasst. Diese Daten geben Aufschluss über den Betriebszustand von Sensor und Maschine. Zusätzlich speichern die Sensoren die Maximalwerte von Temperatur, Beschleunigung und Geschwindigkeit und können zudem als einzige Wegaufnehmer auf dem Markt jederzeit Daten über Cursor-Position und Bewegungs­geschwindigkeit liefern. In der Version mit zwei SSC-Ausgängen (Switching Signal Channel) lassen sich außerdem Steuer- und Alarmgrenzwerte einstellen.

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Die kontaktlosen magnetostriktiven Positionsaufnehmer der Serie Hyperwave WPL mit IO-Link 1.1 garantieren eine optimale Integration und Kommunikation mit Industrie-4.0-Architekturen. Bild: Gefran

Ultraschnelle Druckmessumformer mit IO-Link-Schnittstelle

Nach den Massedruck- und Wegsensoren stattet das Unternehmen auch seine kompakten, robusten und kalibrierbaren Druckmessumformer der Baureihe KS-I für Hydrau­lik- und Pneumatik-Anwendungen mit einem digitalen IO-Link-1.1-Ausgang und fortschrittlichen Diagnosefunktionen aus. Die Sensoren erfassen Druck und Temperatur mit einer Abtastfrequenz von 1000 Samples per Second. Laut Hersteller ist kein anderer vergleichbarer Drucksensor so schnell. Die Speicherung der Höchstwerte von Druck und Temperatur sowie der erreichten Druckspitzenwerte und der Anzahl der Arbeitsstunden sind dabei für die vorausschauende Wartung im Rahmen von Industrie 4.0 unerlässlich. Im Hinblick auf die zyklischen Daten sind die beiden detailliert parametrierbaren Schaltlogik-Signalkanäle SSC und zwei physikalische SIO-Ausgänge von besonderer Bedeutung. Die Sensoren sind für Messbereiche von vier bis 1000 bar in einem Prozesstemperaturbereich von -40 bis +125 Grad Celsius verfügbar, mit einer Genauigkeit von unter ±0,5 Prozent FS.

Twiist – mehr als ein Sensor

Das jüngste IO-Link-Produkt im Bereich Sensorik ist die Baureihe der multifunktionalen Twiist-Sensoren zur kontaktlosen und verschleißfreien Positionserfassung. Sie revolutioniert die Rolle der Messtechnik in der Automatisierung und definiert die Funktion von Sensoren neu: Die intelligenten Wegaufnehmer erfassen neben der Position auch andere Prozessgrößen wie Neigung, Drehung, Beschleunigung und Vibrationen in Echtzeit. Zudem messen sie die Temperatur, zählen die Betriebsstunden und lösen bei vorgegebenen Werten Alarmevents aus. Sie erkennen Unregelmäßigkeiten im Bewegungsablauf und tragen damit maßgeblich zu einer zuverlässigen Überwachung der Produktionsprozesse bei. Alle multivariablen Versionen des intelligenten Sensors verwenden ein patentiertes, dreidimensionales, auf dem Hall-Effekt basierendes Messsystem und sind kundenspezifisch anpassbar. Die langlebigen Positionsaufnehmer basieren auf dem magnetischen Messprinzip und verfügen neben dem IO-Link-1.1-Ausgang auch über CANopen-Digitalausgänge. In der Ausführung in IP67 eignen sie sich für besonders anspruchsvolle Umgebungen.

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Die Baureihe der ultraschnellen Druckmessumformer KS-I verfügen über einen digitalen IO-Link-1.1-Ausgang und fortschrittliche Diagnosefunktionen. Bild: Gefran

GRP-H – Halbleiterrelais mit IO-Link

Die einphasigen Halbleiterrelais der Serie GRP-H sind die ersten Solid State Relais (SSR) mit einer auf IO-Link-Standards basierenden Architektur. Sie zeichnen sich durch ein robustes, ultrakompaktes Design, eine hohe Modularität und einen weiten Strombereich von 15 bis 120 Ampere aus. Die Ausstattung umfasst alle Betriebsarten inklusive Phasenanschnitt, Sanftanlauf und Teillastbruch­erkennung für bis zu acht parallel angeordnete Heizelemente. Dank IO-Link erfassen und übertragen die SSR auch Betriebsstunden, Energieverbrauch und Strom- beziehungsweise Temperaturspitzen.

Für die schnelle, unkomplizierte Konfiguration– selbst im Feld – entwickelte der Hersteller die NFC App (Android + iOS). Sie vereinfacht mögliche Wartungseinsätze, da sie „per Knopfdruck“ die Konfiguration der Relais auslesen oder eine neue Konfigura­tion aufspielen kann – kabellos und ohne PC. Ein und dieselbe Konfiguration lässt sich auf diese Weise fehlerfrei auf viele verschiedene GRP-H-Relais übertragen.

Intelligente Miniatur-Leistungssteller der Serie GRM-H

Der jüngstes Aktor mit IO-Link ist der konfigurierbare Power Controller GRM-H. Der vollständig ausgestattete, einphasige Leistungssteller im Miniaturformat ist für einen Strombereich von 15 bis 120 Ampere und Lastspannungen bis 600 Volt AC ausgelegt. Er regelt lineare und nicht lineare elektrische Heizwiderstände inklusive NIR-Lampen (Nah-Infrarot) und Transformatoren – ist also für alle Ohm’schen Widerstände geeignet. Dazu verfügt der kleine Leistungssteller neben der nulldurchgangsschaltenden Impulspaketsteuerung in Voll- oder Halbwelle auch über die Möglichkeit, den Laststrom über den Phasenanschnittwinkel einzustellen. Zusätzlich bietet er verschiedene Feedbackfunktionen für Strom, Spannung und Leistung sowie einen einstellbaren Sanft­anlauf, eine Strombegrenzung und einen Relais-Ausgang.

Die Steuerung des Miniaturleistungstellers erfolgt wahlweise analog, digital oder über eine IO-Link-Schnittstelle. Diese gestattet die Einbindung in übergeordnete Feldbussysteme und punktet mit schneller, bi-direktionaler Kommunikation. Zudem erlaubt IO-Link auch hier die Erfassung und Übertragung einer Vielzahl von Informationen, die für die Zustandsüberwachung genutzt werden können. Im Verbund mit einem oder zwei weiteren GRM-H-Leistungsstellern oder Halbleiterschützen aus der GRS- oder GRP-Familie können in einer Master-Slave-Anordnung auch dreiphasige Lasten, die im Dreieck oder im Stern verdrahtet sind, geregelt werden.

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Der Multifunktionssensor Twiist erfasst neben der Position auch Neigung, Drehung, Beschleunigung und Vibrationen sowie Temperatur und Anzahl der Betriebsstunden in Echtzeit. Bild: Gefran

Sensor mit IO-Link kann mehr Mess­größen erfassen

Sensoren und Aktoren werden anwendungsunabhängig bereits ab Werk mit Funktionen ausgerüstet, die dem Schutz des jeweiligen Geräts dienen. Dazu zählt beispielsweise die Selbstabschaltung oder die Ausgabe eines Fehlersignals bei Erreichen einer bestimmten Tem­peratur. Diese Informationen liegen also auf dem Sensor/Aktor vor. Da die Geräte üblicherweise nur in eine Richtung kommunizieren, und nur der eigentliche Messwert abgefragt wird, werden sie allerdings nicht ausgelesen.

IO-Link macht es nun möglich, auch diese Daten für eine Kommunika­tion mit der Maschinensteuerung zum Zweck der Zustandsüberwachung und vorausschauenden Wartung zu nutzen. Da die Steuerung jedes Gerät dank des Kommunikationsprotokolls eindeutig identifizieren kann und jederzeit seinen Zustand kennt, kann der Betreiber der Anlage einen Sensor oder Aktor rechtzeitig vor Ablauf seiner Lebensdauer gegen einen baugleichen Typ auswechseln. Das erspart kostspielige Stillstandzeiten und Produktionsausfälle.

Das Wichtigste zu IO-Link

IO-Link ist ein weltweit nach IEC 61131-9 standardisiertes, feldbusunabhängiges Übertragungsprotokoll für die bidirek­tionale Punkt-zu-Punkt-Kommunikation. Für die Anbindung benötigt es weder ein spezielles Kabel noch besondere Stecker, sondern lediglich einen ungeschirmten Drei-Leiter-Anschluss und Standardstecker. IO-Link-Chips sind klein. Die Datenübertragung erfolgt sehr schnell mit einer Geschwindigkeit von bis zu 230,4 Kilobaud. Darüber hinaus lässt sich IO-Link schnell und einfach parametrieren. Die gesamte Programmierung erfolgt durch das „Aufspielen einer Datenseite“. Auf dem gleichen Weg werden Daten ausgelesen.

Fazit: sicher, sauber und bereit für Industrie 4.0

Ausgestattet mit IO-Link ermöglichen Sensoren und Aktoren den Datenaustausch zwischen verschiedenen Automatisierungs­systemen. Dank ihrer Fähigkeit zur Diagnose der maßgeblichen Prozessparameter liefern sie eine entscheidende Grundlage für das Condition Monitoring sowie die vorausschauende Wartung und Instandhaltung. Damit beugen sie ungeplanten Maschinenausfällen vor. Darüber hinaus tragen die Geräte, die sämtliche gesetzlichen Sicherheitsanforderungen erfüllen, per se zur Optimierung der Produktqualität bei und steigern die Prozesssicherheit.

Die Autorin Danica Schwarzkopf ist Marketing Manager bei Gefran Deutschland.

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