Intelligente Sensorvernetzung

IO-Link-Kommunikation für Sensoren und Aktoren

17.12.13 | Autor / Redakteur: Rich Miron * / Gerd Kucera

Bild 1: IO-Link vereinfacht Sensorverbindungen in einer Reihe von Möglichkeiten, einschließlich der Möglichkeit Standardkabel zu verwenden.
Bild 1: IO-Link vereinfacht Sensorverbindungen in einer Reihe von Möglichkeiten, einschließlich der Möglichkeit Standardkabel zu verwenden. (Bild: Digi-Key)

Stets höhere Ansprüche in der Automatisierung von Abläufen verlangen ausgefeilte Techniken zur Vernetzung einer Vielzahl von Sensoren und Aktoren an das Hostsystem.

Intelligente Sensorik mit seiner Datenvorverarbeitung ist zu einer Schlüsseltechnologie in allen Bereichen geworden, in denen Wandler oder Antriebselemente mit präzisen und relevanten Messdaten versorgt werden müssen. Davon abhängig ist beispielsweise die gesamte Fertigungsindustrie mit ihrer sensiblen Automatisierungstechnik. Aber auch Konsumprodukte wie Kommunikationssysteme, Automobile, Unterhaltungs- und Haushaltsgerätegeräte sind mehr denn je auf Sensorik angewiesen.

Durch neue Anwendungen, etwa in intelligenten Gebäuden, erhöht sich der Bedarf an entsprechenden Sensoren nachhaltig. In Büros, Fabriken und Privathäusern erfassen Sensoren die menschliche Präsenz, das Umgebungslicht, die Raumtemperaturen und die Luftqualität, damit Mikrocontroller die Beleuchtung, Klimaanlage und weitere Einstellungen für mehr Komfort und Energieeffizienz optimieren können.

Vereinfachung der Verbindungstechnik

Die wachsende Abhängigkeit und Zunahme vernetzter Sensoren beispielsweise zur Steuerung industrieller Prozesse, verlangt effizientere und praktikablere Verfahren zur Kopplung von Sensoren und Aktoren an das Hostsystem. Hierbei sorgt das System IO-Link (Bild 1) für eine durchgängige Kommunikation und liefertgleichfalls eine durchgängige Diagnosemöglichkeit. Die Technik ist weltweit als IEC 61131-9 standardisiert.

Grundsätzlich besteht ein IO-Link-System aus den Komponenten IO-Link Master, IO-Link Device (das können beispielsweise Sensoren, RFID-Leser, Ventile, Motorstarter und E/A-Module sein) und einem Engineeringtool zum Projektieren und Parametrieren. Kommuniziert wird über ein ungeschirmtes 3- bzw. 5-Leiter-Standardkabel.

Der IO-Link Master stellt die Verbindung zwischen den IO-Link Devices und dem Automatisierungssystem her. Als Bestandteil eines Peripheriesystems ist der IO-Link Master entweder im Schaltschrank oder als Remote-I/O, in Schutzart IP65/67, direkt im Feld installiert. Der IO-Link Master kommuniziert über verschiedene Feldbusse oder produktspezifische Rückwandbusse. Ein IO-Link Master kann mehrere IO-Link Ports (Kanäle) besitzen. An jedem Port ist ein IO-Link Device anschließbar. Somit ist IO-Link eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und kein Feldbus.

IO-Link bietet intelligente Interaktionen zwischen dem Master und dem Device und bietet benutzersteuerbare Frame-Längen von 2 bis 32 Byte sowie unterschiedliche Datenraten. Im Master gespeicherte Device-Parameter vereinfachen den Austausch eines fehlerhaften Geräts (Device). Darüber hinaus enthält das System eine IODD-Datei (IO Device Description) mit Hersteller- und Funktionalitätsinformationen sowie eine interne Geräte-ID, die dem Master eine umfassende Identifizierung des Geräts ermöglicht.

Die Nutzung einer ungeschirmten 3- bzw. 5-Leiter-Standardleitung zur Kommunikation vereinfacht Kabelkonfektionen und Schnittstellen zum Anschluss unterschiedlicher Komponenten von verschiedenen Herstellern. Ein IO-Link-Sensor oder -Aktor kann einen IC wie den Device Transceiver MAX14821 von Maxim enthalten. Der Chip dient einem Mikrocontroller, auf dem das Data-Link Layer-Protokoll ausgeführt wird, als Physical Layer-Interface.

Der IO-Link Transceiver MAX14824 ist ein Schnittstellenbaustein für den IO-Link Master. Mit In-Band-SPI-Adressierung und wählbaren SPI-Adressen ermöglicht der IC dem Master bis zu sechzehn Devices zu bedienen. Die 12-MHz-SPI-Schnittstelle sorgt für niedrige Latenzzeit in Anwendungen mit hoher Portzahl.

Durch Mikrocontroller werden Sensoren und Wandler zu intelligenten Komponenten, die Funktionen wie beispielsweise Kalibrierung und Signalverarbeitung übernehmen und dadurch den Host deutlich entlasten. Bild 2 zeigt wesentliche Funktionen von Signalerfassung und Signalkonditionierung sowie Netzwerk-Schnittstellen einer Temperaturerfassung mit Thermoelement oder Widerstands-Temperatursensor (RTD).

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