Nachrüstung von KMU für Industrie 4.0 mit IO-Link
In der aktuellen Unternehmenslandschaft hinken kleine und mittelgroße Unternehmen bei der Digitalisierung im Vergleich zu größeren Akteuren noch hinterher. Die globale industrielle Fertigung entwickelt sich rasant in Richtung Digitalisierung, und moderne Fertigungsprozesse werden ständig überwacht, analysiert und optimiert
Zwischen den wenigen vollständig digitalisierten Produktionsstandorten und den übrigen, die noch immer auf analoge Verfahren angewiesen sind, besteht jedoch weiterhin eine erhebliche Lücke. Der Aufbau einer neuen intelligenten Fabrik ist kapitalintensiv, daher ist die Nachrüstung bestehender Infrastruktur mit digitalen Funktionalitäten pragmatischer als deren Ersetzung. Dieser Artikel erläutert, wie sich KMU mithilfe der IO-Link-Technologie auf Industrie 4.0 nachrüsten lassen.
Abbildung 1: IO-Link-Kompatibilität mit bestehenden Branchenprotokollen (Quelle: Banner Engineering)
IO-Link ist eine Standardschnittstelle für 1:1-Verbindungen (Punkt-zu-Punkt) mit Sensoren, Aktoren oder anderen Geräten gemäß der internationalen Norm IEC 61131-9. Dabei wird mithilfe eines drei- oder vieradrigen ungeschirmten Standardkabels eine Verbindung zwischen dem IO-Link-Gerät und dem IO-Link-Master hergestellt. Der IO-Link-Master ist im Wesentlichen ein Gateway, das die Kommunikation über Feldbusse oder produktspezifische Backplane-Busse erleichtert und IO-Link-Geräte zu Feldbus-I/O-Knoten macht. An jeden Port kann ein IO-Link-Gerät angeschlossen werden. Daher ist IO-Link eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und kein Feldbus. IO-Link-Master können, wenn es sich um eine Komponente des I/O-Systems handelt, im Schaltschrank installiert werden oder direkt im Feld als Remote-I/O mit IP65/67-Schutz. Der Master kann IO-Link-Kanäle haben, die als Ports bezeichnet werden. Jeder Master-Port ist mit einem speziellen IO-Link-Gerät verbunden, das entweder im SIO-Modus (Standard-I/O) oder im bidirektionalen Kommunikationsmodus betrieben werden kann. IO-Link lässt sich nahtlos in bestehende industrielle Architekturen wie Fieldbus oder Industrial Ethernet integrieren und mit vorhandenen SPS, HMIs, Sensoren oder Aktoren verbinden, was eine schnelle Einführung dieser Technologie ermöglicht.
Das IO-Link-Netzwerk verwendet ungeschirmte 3- oder 5-adrige Standardkabel mit M8- und M12-Steckverbindern. Diese Kabel haben eine maximale Länge von 20 Metern. Die Kommunikation zwischen Master- und Agent-Geräten erfolgt im Halbduplex mit drei Übertragungsraten (Baudraten): COM 1 = 4,8 kbaud, COM 2 = 38,4 kbaud und COM 3 = 230,4 kbaud.
Abbildung 2: Pinbelegung des IO-Link-Geräts (Quelle: SIEMENS)
In einem IO-Link-System liegt der Versorgungsbereich für den Master zwischen 20 V und 30 V und für das Gerät zwischen 18 V und 30 V. Das IO-Link-Gerät muss, sobald L+ den 18-V-Schwellenwert überschreitet, innerhalb von 300 ms funktionsbereit sein. Das IO-Link-System arbeitet in zwei Kommunikationsmodi: Standard-I/O (SIO) und Single-Drop Digital Communication Interface (SDCI). Im SIO-Modus ist die Rückwärtskompatibilität mit vorhandenen Sensoren im Feld gewährleistet, wobei 0 V oder 24 V für das Aus- oder Einschaltsignal an den IO-Link-Master verwendet werden. Im IO-Link-Modus erfolgt die Kommunikation bidirektional mit einer von drei Datenraten: Das IO-Link-Gerät unterstützt nur eine Datenrate, während der IO-Link-Master alle drei Datenraten unterstützen muss.
Im IO-Link-Modus werden 24 V-Impulse im NRZ-Format (Non-Return-to-Zero) auf der C/Q-Leitung verwendet, wobei 24 V zwischen CQ und L- als logische 0 und 0 V zwischen CQ und L- als logische 1 interpretiert wird. Im IO-Link-Modus kann sich Pin 2 als digitaler Eingang im DI-Modus befinden.
Bei IO-Link-Master werden zwei Typen von Ports unterschieden: Klasse A (Typ A) und Klasse B (Typ B). Bei einem Port der Klasse A sind die Funktionen der Pins 2 und 5 nicht vorgegeben. Der Hersteller definiert deren Funktion.
In der Regel wird Pin 2 ein zusätzlicher digitaler Kanal zugewiesen. Klasse B bietet eine zusätzliche Versorgungsspannung, die für den Anschluss von Geräten mit erhöhtem Strombedarf geeignet ist. In diesem Fall wird über die Pins 2 und 5 eine zusätzliche (galvanisch getrennte) Versorgungsspannung zur Verfügung gestellt. Zur Nutzung dieser zusätzlichen Versorgungsspannung ist ein 5-adriges Standardkabel erforderlich.
In einer Verpackungsanlage werden die Etiketten automatisch mit Hilfe einer Maschine an den Produkten auf dem Förderband angebracht. Wie in Abbildung 3 dargestellt, entfernt die Maschine die Klebeetiketten vom Trägerpapier und führt sie einem Stempel zu. Der Stempel drückt die Etiketten auf die Verpackungen, während diese auf einem Transportband vorbeilaufen. Dieser Vorgang birgt jedoch eine Herausforderung: Die Höhe des Stempels muss immer dann manuell angepasst werden, wenn die Etikettierung auf Kartons mit einer anderen Größe durchgeführt werden muss. Das kostet wertvolle Produktionszeit.
Abbildung 3: IO-Link-Technologie in Verpackungsanwendung (Quelle: Banner Engineering)
Um diese Herausforderung zu meistern, wird ein kompakter photoelektrischer Sensor (Q2XKLAF Laser Sensor) am Stempelkopf der Etikettiermaschine angebracht. Dieser Sensor erfasst Ziele in einer festen Entfernung. Während sich das Produkt auf dem Transportband bewegt, nimmt der Stempel ein Etikett auf und bewegt sich nach unten. Sobald sich das Produkt im Bereich des Festfeldsensors befindet, verlangsamt der Stempel bis zum Kontaktpunkt, wo er mit angepasstem Druck nach unten fährt, um das Etikett aufzukleben, und dann nach oben zurückfährt und den Vorgang wiederholt.
Dieser kompakte photoelektrische Sensor ist an den IO-Link-Master (DXMR110) angeschlossen, der herkömmliche teure Eingabekarten ersetzt. Über EtherNet/IP, Modbus/TCP und PROFINET kommuniziert der IO-Link-Master mit übergeordneten Steuerungssystemen. Der IO-Link-Master kann Daten an ein übergeordnetes Steuerungssystem bzw. ein Überwachungsgerät wie SPS, DCS, HMI, Cloud-Plattformen oder ein anderes kompatibles Gerät senden, die die IO-Link-Daten verarbeiten und interpretieren. Das spezifische Ziel hängt von der Systemarchitektur und der beabsichtigten Anwendung der IO-Link-Kommunikation ab.
Die Herausforderung, kleine und mittlere Unternehmen auf Industrie 4.0 umzustellen, kann durch eine Nachrüstung mit IO-Link-Technologie bewältigt werden. Element14 bietet umfassende Lösungen einschließlich IO-Link-Evaluierungsboards, Signalanzeigezubehör, Temperatursensoren, iDrucksensoren, Näherungssensoren/-schalter, Stromsensoren, Zubehör für Motorschutz oder Eingangs-/Ausgangsmodule für die Nachrüstung einer vorhandenen Anwendung mithilfe des IO-Link-Protokolls. Damit lassen sich die Maschinenwartung optimieren, Probleme ohne große Investitionen diagnostizieren und die gesamte Linie oder bestimmte Geräte ersetzen.
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