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Master-System nach Maß

Text: Dr. Jens Hilgert , Renesas Electronics Foto: Xyno, Renesas
IO-Link verspricht bei der Anbindung von Sensoren und Aktoren umfangreiche Möglichkeiten zur Kostensenkung bei gleichzeitiger Produktivitätssteigerung. Zentrale Komponente dabei ist der passende Master, denn er stellt den Übergangspunkt vom Feldbus in die IO-Link-Welt dar.

Konzeptionell definiert IO-Link ein generisches Interface für die Anbindung digitaler und analoger Sensoren und Aktoren über einen Master an einen Feldbus, wobei der Master zusätzlich Gateway-Funktionalität übernehmen kann und damit auf dem Feldbus als I/O-Modul fungiert. Mit Hilfe der Master-Funktionalität des Standards werden die I/O-Module im Feldbus-System abgebildet. Alle Controller sind über einen Feldbus mit der SPS oder dem Parameter-Server verbunden. IO-Link selbst ist als Master-Slave-System definiert, in welchem die Kontrollebene mit den Sensoren und Aktoren verbunden ist. In diesem Netzwerk erkennt der Master alle angeschlossenen Slaves und verwaltet die Verbindungen entsprechend. Auf der untersten Ebenen, ist die Topologie von IO-Link eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung vom Master zum Slave unter Verwendung eines dreiadrigen Kabels für Verbindungslängen bis zu 20 Metern. Im Gegensatz zu klassischen Feldbussen ist IO-Link kein Bussystem sondern eine Parallelverdrahtung. Aufgrund der angestrebten Rückwärtskompatibilität wurde das standarisierte und robuste 24VDC-Signal verwendet, welches auch in der IEC 61131-2 spezifiziert ist. Die Datenkommunikation selbst findet mit einer Übertragungsrate von 4,8, 38,4 oder 230,4kbit/s statt. Die typische zyklische Datenübertragungsrate für Prozeßdaten bei IO-Link beträgt 2 ms.

Dokumentation und Konfiguration

Auf der Anwendungsebene unterscheidet IO-Link zwischen Prozessdaten, Parameterdaten und Ereignissen. Prozessdaten werden üblicherweise zyklisch übertragen, während Parameterdaten und Ereignisse hingegen nur auf Anforderungen hin azyklisch übertragen werden. Diese Erweiterung der Prozessdaten auf Diagnose- und Konfigurationsdaten ist eine der Schlüsselinnovationen von IO-Link. Aus Protokollsicht definiert der Standard verschiedene Datenpakete, die die jeweils unterschiedlichen zu übertragenden Informationen repräsentieren. Zum Beispiel haben Diagnosedaten ein anderes Format als Prozessdaten. Somit können Parameterdaten direkt von der SPS-Ebene bis auf die Sensor/Aktorebene und Diagnosedaten umgekehrt mit Hilfe von IO-Link bis auf die SPS-Ebene kommuniziert werden. Diese Eigenschaften resultieren in einem Beitrag zur konsistenten Parameterverwaltung und entsprechenden Unterstützung bei der Wartung von verteilten Automatisierungssystemen.

Vorteile der Skalierbarkeit

Weil IO-Link auf eine einfache Integration setzt, sind Skalierbarkeit, Modularität und Flexibilität entscheidende Argumente bei der Konzeptionierung des Masters. Mit genau diesen Vorgaben hat Renesas Electronics in Zusammenarbeit mit seinen Partnern Elmos Semiconductor und TMG-Karlsruhe einen Zweikanal-Baustein für IO-Link-Master-Anwendungen entwickelt. Skalierbarkeit und Modularität wird erreicht, indem ein 16Bit-Mikrocontroller zusammen mit einem Zweikanal-IO-Link-Transceiver in einem 9 �?9 mm QFN-Gehäuse integriert werden. Dies ermöglicht ein skalierbares Konzept für bis zu 16 IO-Link-Kanälen vom Leiterplatten-Design bis zur Software-Architektur. Auf der Software-Seite werden die Master-Chips über ein einziges SPI-basiertes Summenprotokoll angesprochen, was einfache Skalierbarkeit gewährleistet und Timing-Probleme vermeidet. Weitere Flexibilität bietet ein modulares Header-Board, welches als Upper-Layer-Baustein mit einem Mikrocontroller über das UART-Protokoll angeschlossen werden kann. Der Vorteil liegt hierbei in der Entlastung der mit dem Master verbundenen Stack-Funktionen durch einen zentralen Controller, der zusätzlich die Anwendungs-Software, zum Beispiel eines I/O-Moduls oder einer I/O-Box, ausführen sowie im Uplink-Protokoll flexibel für verschiedene Protokolle, wie beispielsweise für Profinet oder Ethernet/IP, eingesetzt werden kann. Weiterhin werden bei der Master-Lösung die zusätzlichen Funktionen, wie beispielsweise Wake-up Generierung, Über- und Unterspannungsschutz, Temperaturüberwachung und Watchdogüberwachung im Baustein integriert.

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