Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH

Gordon Göhrmann ist Produktmanager I/O Systems bei Hilscher.

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Interview zu IO-Link Wireless „Drahtlos statt Kabel“

29.08.2022

Gerade im industriellen Umfeld ist eine flexible und zuverlässige Kommunikation essentiell. Kabelgebundene Sensoren und Verbindungen sind dabei oft die größten Hindernisse. Dagegen bietet kabellose Kommunikation via IO-Link Wireless alle wichtigen Eigenschaften für den Einsatz im Industrieumfeld. Ob das stimmt, erklärt Gordon Göhrmann, Produktmanager I/O Systems bei Hilscher, im E&E-Interview.

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Als Experte für Kommunikationslösungen bieten Sie ein breites Spektrum von Kommunikations-Systemen für die vielfältigen Industriebereiche an. Was verbirgt sich technisch eigentlich hinter der IO-Link-Technologie?

Die Standard-IO-Link-Technologie ist im Prinzip eine digitale Kommunikationsschnittstelle für kabelbasierte Sensoren und Aktoren. Betrachten wir diese Technologie in der Fabrikautomation, dann sprechen wir über die IO-Link-Ebene. Die physikalische Topologie gibt vor, dass wir einen Master haben, der mit mehreren Devices zyklisch eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindung aufbaut, um dann die digitalen Prozessdaten zu übermitteln. Bei IO-Link sind es per Definition maximal 30 Byte pro Kommunikationsaufbau, mehr ist pro Punkt-zu-Punkt-Verbindung nicht möglich. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, mit den Komponenten bi-direktional zu sprechen. Die maximale Leitungslänge beträgt dabei 20 m von Punkt zu Punkt. Bei IO-Link ist die Feldbusebene unabhängig standardisiert, sodass der IO-Link-Master eine beliebige und eigenständige Verarbeitungseinheit beinhalten kann. Die Technologie begnügt sich in der Minimalform mit einer ungeschirmten dreiadrigen Sensorverkabelung, die je nach Steckerversion bis maximal fünf Adern ausgebaut werden kann. Die Spannungsversorgung ist klassisch auf 24 V festgelegt. Über die Kommunikationsleitung C/Q erfolgt die Datenübertragung zu den angeschlossenen Sensoren und Aktoren. Dabei sind drei verschiedene Datenübertragungsraten spezifiziert. Damit ist gewährleistet, dass Sensorhersteller low-cost Sensoren mit geringer oder hoher Übertragungsrate für unterschiedliche Aufgaben generieren können.

Mit IO-Link Wireless ermöglicht Hilscher eine Wireless-Integration von IO-Link kompatiblen Komponenten. Welche Nachteile bieten die kabelgebundene gegenüber der Wireless-basierten IO-Link-Technologie?

Die kabelgebundene IO-Link-Technologie hat sich im Automatisierungsumfeld als Schnittstelle zu Sensorik und Aktorik etabliert und sich zum Quasi-Standard entwickelt. IO-Link-Wireless baut auf diesem Standard auf und ist dazu kompatibel, erweitert diesen aber um die Funkebene. Damit bleiben die Applikationsschnittstellen für die zyklischen und azyklischen Prozessdaten erhalten und auch das Einbinden in bestehende industrielle Netzwerke ist gewährleistet. Wir bei Hilscher sind überzeugt, dass damit in Zukunft eine steigende Migration zu IO-Link Wireless erfolgt. Die Nachteile von IO-Link liegen klar auf der Hand. In erster Linie ist das die Topologie, die für eine Punkt-zu-Punkt Verbindung auf 20 m Kabellänge begrenzt ist. Gerade hier spielt der Kabelinnenwiderstand in Verbindung mit der Gleichstrom-basierten Technik eine wichtige Rolle, da die Signalintegrität beziehungsweise Datengeschwindigkeit über die maximale Entfernung leidet. Bei komplexer Fabrikautomation, die etwa Pakete über Lieferstrecken wie Förderbänder oder Rollenbänder hinweg transportieren müssen, sind die Kabelverbindungen oft nicht auf dem direkten Wege realisierbar, da Sensoren, Barcodescanner oder Kamerasysteme an bestimmten neuralgischen Positionen angebracht werden müssen. Das erhöht zudem den Planungsaufwand, die Installationszeit und die Kosten.

Und welche entscheidenden Vorteile bietet IO-Link Wirless?

Gerade im Produktionsumfeld, wo es gilt, längere Strecken zu überwinden, kann IO-Link-Wireless seine Stärken ausspielen. Die installierten Sensoren beziehungsweise Sensor-Hubs benötigen zum Beispiel an den Förderbändern nur eine direkte 24 V DC-Spannungsversorgungseinheit, die sich in der Regel über sehr kurze Kabelstrecken über das vorhandene 220 V Wechselspannungsnetz realisieren lässt. In Bezug auf die Funktechnik ist die Entfernung von 20 m auch direkt gemeint. Wenn man mit Kabeln rechnet, muss die Kabeltrasse berücksichtigt werden, sodass in Summe die direkte Entfernung zum Sensor wesentlich geringer ist. Der Vorteil des Hilscher Wireless-Master ist, dass er 16 Punkt-zu-Punkt-Verbindungen beziehungsweise 2 x 8 Tracks realisieren kann, statt 8 (ein Track) bei einem hard-wired Master. Die IO-Link-Wireless-Technik unterstützt sogar bis zu 40-Punktverbindungen. Dank der robusten 2,4-GHz-Funktechnik lassen sich auch in schwierigen Fertigungsumgebungen Sensoren und Aktoren frei im Raum positionieren, die zudem zuverlässig und energieeffizient durch Frequenz-Hopping und Anpassung der Sendeleistung ihren Dienst verrichten.

Können Sie die IO-Link Wireless-Infrastruktur bestehend aus Master Gateway, Bridge kurz erläutern?

Der zentrale Baustein von IO-Link Wireless ist der Master. Dieser fungiert als kabelgebundenes Gateway zwischen der Feldebene und der IO-Ebene und steuert gleichzeitig per Funk die bis zu 40 Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu den IO-Link Wireless Devices.

Welche Kommunikationsprotokolle unterstützt IO-Link Wireless und warum gerade diese?

Die IO-Link-Wireless-Technologie ist Feldbus-unabhängig standardisiert. Das heißt, alles was sich über der Feldebene befindet, ist dem IO-Link-Standard eigentlich egal. Für Hilscher als Hersteller von industriellen Kommunikationslösungen gilt das natürlich nicht. Wir sind mit unserer netX-Technologie in der Kommunikationstechnik und Vernetzung von echtzeitfähigen Protokollbussen im Markt bereits sehr erfolgreich unterwegs. Deshalb können wir auch bei IO-Link Wireless mehrere Protokolle unterstützen, die direkt aus unserem Hause kommen. Das sind aktuell die echtzeitfähigen Industrienetzwerke Profinet IO, EtherNet/IP und EtherCAT, die besonders durch die globalen Marktanteile von enormer Bedeutung sind. Darüber hinaus beobachtet Hilscher auch die Nachfrage an Protokollen wie OPC UA Pub/Sub, Powerlink oder CC-Link/IE, die auch problemlos und bei steigendem Bedarf in IO-Link Wireless auf der Feldebene implementiert werden können.

IO-Link Wireless ist ein integrativer Bestandteil der Technologieplattform netFIELD Device. Können Sie diese zentrale Plattform etwas detaillierter erläutern? Wie profitieren die Anwender davon?

Mit netField Device hat Hilscher eine Technologieplattform entwickelt, die optimierte Kommunikations-Hardware mit einem vorkonfiguriertem Software-Ökosystem nutzt. Die netFIELD-Kommunikationsplattform kombiniert sowohl drahtlose als auch drahtgebundene Sensoren und Aktoren mit modernen Echtzeit-Ethernet-Netzwerken. Wir als Technologie-Anbieter haben schon frühzeitig angefangen, die netFIELD-Plattform mit IO-Link-Anwendungen über unsere eigenentwickelten netIOL-Chips zu verbinden. Natürlich vorerst mit drahtgebundenen Sensoren und Aktoren, weil die Drahtlostechnik erst seit 2018 per Spezifikation freigegeben wurde. Letztes Jahr haben wir dann die drahtlose Alternative mit dem Wireless-Master-Modul TigoMaster 2T SOM von CoreTigo realisieren könnten. Damit lässt sich jetzt der hard-wired netFIELD Device IO-Link Master einfach gegen den Wireless-Master austauschen, je nach Kundenwunsch. So haben Maschinenbauer und Anlagenbetreiber mit dieser drahtlosen IO-Link-Lösung eine flexible Möglichkeit, Ihre Systeme auch mit kabellosen Sensoren und Aktoren einfach und kostengünstig auszustatten und in ihre Industrienetzwerke zu integrieren.

Wie unterstützt das Unternehmen Hilscher Anwender, wenn es um IO-Link-Wireless-Integration geht?

Hilscher fungiert hier in erster Linie als Hersteller, von dem Kunden wie Anlagen- und Maschinenhersteller die IO-Link-Plattform direkt beziehen. Um unsere Expertise an den Kunden weiterzugeben, bieten wir das ganze netFIELD-Konzept mit IO-Link-Integration auch als Device Branding an. Das heißt, das Gehäuse bleibt identisch, sodass das äußere Designkonzept sowie die Software individuell an die Kundenwünsche angepasst werden kann. Zusätzlich haben wir auch die Möglichkeit, nur die bemusterte Leiterplatte (PCB) an den OEM-Kunden zu liefern. Hier ist schon eine vorinstallierte Firmware mit dem kundenspezifischen Parametersatz integriert. Der Kunde hat dann die Freiheit, das System mit einem Gehäuse seiner Wahl auszustatten, um seine Lösung an die jeweilige Produktionsumgebung optimal anzupassen. Zusätzlich bieten wir für eine schnelle und problemlose Integration der Systeme in eine bestehende Anlageninfrastruktur sogenannte Inbetriebnahme-Workshops an. Daran arbeiten wir momentan sehr aktiv und bauen dieses Angebot weiter aus.

In welchen industriellen Umfeldern kann IO-Link Wireless seine Stärken besonders gut ausspielen und warum?

Wir haben schon die ersten Produkte auf dem Markt, die in Roboterarmen von industriellen Robotern, sogenannten Cobots, zum Einsatz kommen. Ein Unternehmen nutzt zum Beispiel IO-Link-Interface-gestützte Sensoriken in einem Vakuum-Sauger-Roboterkopf. Dieser hat eine Gummilippe, mit der er Geräte oder Bauteile per Unterdruck ansaugen kann. Über IO-Link-Wireless-Sensoren lässt sich ständig der innere Luftdruck des Vakuums-Saugers messen. Wenn ein bestimmter Schwellwert unter- oder überschritten wird, dann weiß das System, dass die Gummilippe verschlissen oder sogar eingerissen ist und deshalb getauscht werden muss. Stichwort Predictive Maintenance. In diesen Bereich fällt auch die Überwachung von Stromversorgungen per IO-Link Wireless. So ist es im industriellen Umfeld wichtig zu wissen, wann etwa eine 24-Volt-Spannungsversorgung an den verteilten Fertigungsanlagen ausfällt, um Stillstandszeiten zu vermeiden. Hier können IO-Link-Sensoren die Spannungen und Ströme ständig messen, Peak-Belastungen erfassen und anhand der zu einem Wireless-Master übermittelten Daten, Rückschlüsse auf den aktuellen Zustand der Spannungsversorgung schließen. Also zusammengefasst ist die IO-Link-Wireless-Technik da interessant, wo Probleme mit der Kabelinstallation auftauchen. Das heißt: Überall da, wo in Anwendungen durch viel Bewegung ein hoher Wartungsaufwand entsteht, etwa wenn die Kabel brechen. Oder zum Beispiel in rotierenden Geräten, wie ein Drehteller, bei denen, bedingt durch die Mechanik, der Einsatz einer kabelgebundenen 
Sensorik gar nicht möglich ist. Darüber hinaus gibt es Anwendungsfälle, welche die Autonomie von Systemen mittels hochpräziser Funksensoren verbessern. So ist die Funktechnologie etwa in AGVs (Automated Guided Vehicles) oder AMRs (Autonomous Mobile Robots) einfach die bessere Wahl, da dann auf fehlerträchtige Schleppketten verzichtet werden kann.

Was plant Hilscher in Bezug auf netFIELD IO-Link Wireless für die nahe Zukunft?

Hilscher blickt in Bezug auf IO-Link Wireless optimistisch in die Zukunft. Im Augenblick beobachten wir den Markt sehr genau und prüfen, welche echtzeitfähigen Protokolle noch für eine Integration in unsere Systeme in Frage kommen. Das Thema OPC UA Pub/Sub ist für Hilscher dabei besonders wichtig und befindet sich zurzeit in der Analyse. Zudem sind wir dabei, das Produktportfolio rund um IO-Link Wireless zu komplettieren. Wir bei Hilscher sind momentan mit einer Class A-Bridge und einem IO-Link-Wireless-Master unterwegs und planen noch einen IO-Link Wireless HUB, um diese Infrastruktur abzurunden. Auch ein weiterer Wireless-Master, der mehr als nur 16 Funkverbindungen zulässt, also die Komplettierung auf 40 unterstützte kabellose Geräte, befindet sich in der Überlegungsphase.

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