22.11.2018
Grundlagen

IO-Link: Standardisierte I/O-Technologie (IEC 61131-9) im Wandel

Sensordaten sind der Rohstoff für Produktionsanlagen der Generation Industrie 4.0. Die Kommunikation auf dem letzten ­Meter sprich IO-Link ist hier von enormer Relevanz. Dies bietet für IO-Link an vielen Stellen neue Chancen und Möglichkeiten.

IO-Link ist ein Erfolgsmodell, dies zeigen bereits die stetig steigenden Mitgliederzahlen (2016 um 23 Prozent und 2017 um 29 Prozent zum jeweiligen Vorjahr). Doch interessant sind nicht nur die absoluten Zahlen der Knoten – die lagen Anfang April bei mehr als acht Millionen – sondern auch die Beschleunigung. Anfang 2016 steigerte man die Gesamtzahl der Knoten um 47 Prozent, im vergangenen Jahr konnte man eine Steigerung von 52 Prozent verzeichnen. Das ist sicher ein deutliches Zeichen, dass die Technologie im Markt angekommen ist und die Vorteile erkannt und genutzt werden.
Das bedeutet aber auch, dass IO-Link im Wandel ist und sich an die neuen Gegebenheiten anpassen muss. Zwar wurde die Technologie ursprünglich entwickelt, um eine einfache Verdrahtung intelligenter, komplexer Sensoren und Aktuatoren mittels einer simplen, standardisierten 3-adrigen Sensorleitung zu erhalten. Doch geschah dies zu einem Zeitpunkt, als das Wort ‚Industrie 4.0‘ noch unbekannt war. Um zukünftig alle Ideen zu diesem Thema zu Ende denken zu können, müssen Konzepte entwickelt werden, wie man auf diese einfache Verdrahtung im IO-Link-System quasi verzichten kann. Seit 2016 wird daher in der IO-Link Community intensiv an der IO-Link-Wireless-Technologie gearbeitet. Mittlerweile wurde die Spezifikation IO-Link Wireless System Extensions im März 2018 freigegeben und steht damit allen Geräteherstellern weltweit zur Verfügung.
 

IO-Link Wireless
Die zugrunde liegende Funktechnologie basiert auf der IEEE 802.15.1. Verwendet werden Transceiver für das 2,4GHz-ISM-Band, das in 80 Funkkanäle mit einem Abstand von 1 MHz unterteilt wird. Auf der physikalischen Ebene besteht also eine gewisse Ähnlichkeit mit Blue­tooth. Verschiedene Mechanismen erhöhen die Robustheit und ermöglichen die Koexistenz mit WLAN-Systemen, wodurch insgesamt die, in der Fertigungsautomatisierung erforderliche Verfügbarkeit, erreicht wird.

Schließlich soll der Anwender keine signifikanten Unterschiede zur verdrahteten Technik von IO-Link merken.

Mit IO-Link auf der funktional sicheren Seite
Doch das Thema Wireless ist nur ein Aspekt, der zukünftig eine große Rolle spielen wird. Im vergangenen Jahr wurde auch intensiv am Thema IO-Link Safety gearbeitet. Bisher war die funktionale Sicherheit in der Automatisierung geprägt durch Abschaltfunktionen wie Not-Aus oder Not-Halt. Daher sind entsprechende binäre Sensoren wie Taster, Lichtgitter, Laserscanner weit verbreitet. Mit IO-Link Safety wird es möglich sein, mehrere analoge Messungen sicher zu erfassen und dann die Sicherheitssteuerung entscheiden zu lassen, ob abgeschaltet bzw. sicher angehalten werden muss. Prinzipiell lassen sich solche Applikationen auch schon auf der Feldbus-Ebene mit einem funktional sicheren Kommunikationsprofil (FSCP) durch sichere Feldgeräte lösen. Derzeit gibt es jedoch weltweit bereits mehr als zehn FSCPs mit regionalen Schwerpunkten. Für Gerätehersteller wären die Entwicklungsaufwände für die Kommunikationsanschaltungen größer als für die eigentliche Sicherheitstechnologie, wenn sie weltweite Vermarktung anstreben.
Bei der Lösung mit IO-Link Safety passt ein universelles FS-Device zu allen FSCPs, sofern es mindestens einen FS-Master für diesen FSCP gibt. Da es in der Regel spezialisierte Hersteller sind, die sich mit IO-Link-Mastern an bestimmten Feldbussen befassen, ist es naheliegend für diese Spezialisten, sich der FS-Master-Variante zu widmen. Die FS-Device-Hersteller können sich somit ausschließlich auf die Sicherheitsaufgabe ihrer Geräte konzentrieren. Finalisiert wurde dies mit der Spezifikation IO-Link Safety System Extensions, die im April 2017 freigegeben wurde. Damit werden Lösungen bis zu SIL 3 ermöglicht. Mittlerweile liegt eine positive Konzeptbeurteilung durch den TÜV Süd, das IFA (Institut für Arbeitsschutz der deutschen gesetzlichen Unfallversicherung) und der BGHM (Berufsgenossenschaft Holz und Metall) vor. Wie IO-Link setzt auch IO-Link Safety auf die Feldbus- und System-Unabhängigkeit. Schließlich ist es für Anlagen- und Maschinenbauer wichtig, auf eine standardisierte Installation und Gerätefunktionalität auf der Sensor-/Aktor-Ebene, also der IO-Link-Device-Ebene, zu setzen, also unabhängig davon, welches Feldbussystem darüber zum Einsatz kommt.

Einfache Datenintegration
Das Internet der Dinge (IIot) wie auch Industrie 4.0 erfordern eine transparente Kommunikation von der untersten Sensor/Aktor-Ebene bis hin zu einer neuen Generation mobiler und cloudbasierter Anwendungen. In der Automatisierungstechnik hat sich seit einiger Zeit auf der Transportschicht die Ethernet-basierte Kommunikation weitestgehend durchgesetzt, wenngleich sich wegen der Echtzeitfähigkeit und System spezifischen Kompatibilitäten bei den diversen Feldbussen verschiedene Protokolle ausgeprägt haben. Für den nahtlosen Datentransport in die IT- Welt haben sich jedoch andere Standards wie zum Beispiel OPC UA oder JSON (Java Script Object Notation) etabliert.
Die IO-Link Community hat eine Technische Arbeitsgruppe gegründet, um die Integration von IO-Link in OPC UA auf Basis vorhandener Anwendungsfälle (use cases) zu spezifizieren. Hier wird nun ein entsprechender Standard für ein Daten- und Funktionsmodell erarbeitet, um zukünftig IO-Link-Devices und IO-Link-Master entsprechend in OPC UA repräsentieren zu können. Hier erfolgt gerade das Review des OPC-UA-Companion-Standards durch die Mitglieder, das bis Ende des Jahres abgeschlossen sein wird.
Auch JSON gilt als einfaches, in der IT-Welt akzeptiertes Protokoll, welches über alle Systemgrenzen hinweg nutzbar ist und von allen gängigen Programmiersprachen direkt unterstützt wird. Zur Einfachheit einer Datenintegration im Sinne von Industrie 4.0 sind jedoch außer der über alle Schichten einfachen transparenten Übertragung auch die Interpretierbarkeit der Daten durch eine festgelegte und standardisierte Semantik gefordert. Es stehen dabei sowohl die Anbindung der IO-Link-Ebene an MES/ERP-Systeme ebenso im Fokus als auch die Vernetzung und Darstellung der Daten in mobilen Endgeräten wie Smartphones oder Tablets. Zusätzlich sollen auch Applikationen außerhalb der klassischen SPS-Automation mittles cloudbasierten Diensten wie zum Beispiel IFTTT und IO-Link Geräten realisiert werden können.

Definition: JSON-basiertes ­Austauschformat
Dieser Forderung nach der einheitlichen standardisierten Datendurchgängigkeit von der untersten Feldebene bis zu cloudbasierten Diensten hat sich die IO-Link Community angenommen und definiert erstmalig in einer eigenen Arbeitsgruppe ein JSON-basiertes Austauschformat und somit die einheitliche semantische Einbindung von der IO-Link Feldebene an die IT Welt.
Mit diesem standardisierten Austauschformat ergeben sich nun die grundlegend neuen Möglichkeiten wie zum Beispiel eines herstellerübergreifenden Engineerings, oder auch dem globalen Zugriff auf Messwerte oder andere Monitoring-Daten. Beispielsweise können klassische Konfigurationstools durch JSON via REST herstellerübergreifend angebunden werden. Zudem werden auch schlanke sensor to cloud(IIoT)-Applikationen über das weit verbreitete MQTT-Protokoll mit dem publisher/subscribe-Mechanismus einfach möglich. Damit wird zum Beispiel sogar die Umsetzung einer cloudbasierten Automatisierungsaufgabe mit Hersteller unabhängiger Komponenten möglich. Ziel der IO-Link-/JSON-Arbeitsgruppe ist es, noch im Jahr 2018 einen finalen Vorschlag für die Abbildung (Draft for Voting) abzuschließen.
Als vor einigen Jahren IO-Link entwickelte wurde, ahnte wohl keiner der Beteiligten, dass dies eine wesentliche Rolle bei der Umsetzung von Industrie 4.0-Projekten sein wird. Obwohl IO-Link nach wie vor eine Lösung für die einfache Verdrahtung darstellt, hat die Idee dahinter viel Raum für neue Optionen gerade im Hinblick auf zukünftige Kommunikationskonzepte ermöglicht.

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