IO-Link im Einsatz von Dosiersystemen

Die exakte Dosierung einer Flüssigkeit, wenn diese hochviskos ist oder Feststoffe enthält, ist ausgesprochen komplex. Spezialist dafür ist das Töginger Unternehmen Viscotec, dessen Pumpen auf dem Endloskolben-Prinzip, einer rotierenden Verdrängertechnologie, basieren. Dabei erzeugen die Rotor-Stator-Kammern ein konstantes Fördervolumen, wodurch das Fördern pulsationsfrei und besonders schonend wird. Die Drehzahl ist stufenlos regelbar, wodurch selbst kleinste Mengen exakt und vor allem reproduzierbar dosiert werden können. „Bei unseren Pumpen wird außerdem die Fadenbildung und das Nachtropfen verhindert, indem am Ende des Dosiervorgangs ein kurzer Rückzug erfolgt. Damit kann in vielen Anwendungen sogar auf zusätzliche Dosierventile verzichtet werden“, erklärt Dr. Florian Garnich, Leiter der Entwicklung bei Viscotec, und beschreibt damit einen großen Vorteil der Dosierpumpen.

Erste Erfahrungen mit IO-Link

Vor vier Jahren beschäftigte sich Garnich das erste Mal mit IO-Link, damals eher im Zusammenhang mit möglichen Industrie-4.0-Projekten. Eine der ersten Anwendungen war eine prototypische Sensorauswertung über den IO-Link-Master, um den Pumpenverschleiß vorausschauend zu erkennen. Zum Einsatz kamen ein IoT-Gateway, ein IO-Link-Master sowie ein Vibrations- und zwei Drucksensoren. Die Ankopplung geschah über ein Mobiltelefon. „Obwohl ich von den Sensoranbietern gut unterstützt wurde und die Anwendung letztendlich auch funktionierte, konnten wir damals den Business Case nicht darstellen und haben somit auch nicht recht den Einstieg in die IO-Link-Welt gefunden. Das änderte sich jedoch vor einem Jahr“, beschreibt Garnich die Entwicklung. Viscotec benötigte eine Lösung, mit der sich der Installationsaufwand für Sensoren und die Kosten für die Verkabelung bei komplexen Anlagen senken ließen.

Automatisierte Entleersysteme

Im Mittelpunkt der Überlegungen standen dabei zwei Anlagen, zum einen die vipro-FEED M für Eimer und zum anderen die vipro-FEED L für Fässer. Während die Baureihe M für Mittel- bis Hochviskositätsmedien in Gebinden bis ungefähr  30  l bereits seit zwei Jahren auf dem Markt ist, wurde die größere Anlage vipro-FEED L erst vor kurzem präsentiert. Sie ist ähnlich wie die mittlere Anlage aufgebaut, wurde jedoch für größere Gebinde konzipiert (zum Beispiel 50 – 1000  l Fässer) und fördert hochviskose Medien. Dabei erreicht sie Förderleistungen bis ungefähr  10  l/min. Die Anlagen von Viscotec zeichnen sich dank eines ausgeklügelten Entlüftungssystems durch das automatische Einfahren der Entnahmeeinheiten aus. Das ermöglicht die komplette Einhausung der Anlage, was wiederum ein Sicherheitsplus für den Bediener ist und gleichzeitig das Medium vor Kontaminationen schützt.

Beide Systeme besitzen eine volumetrische Exzenterschneckenpumpe (Endloskolben-Prinzip), die pulsationsfrei arbeitet und strukturschonend und abrasionsbeständig fördert. Damit können 1K- und 2K-Dosierköpfe versorgt werden. In diesen Anlagen befinden sich außerdem ein Display, eine Füllstandserkennung, eine automatische Ventilabschaltung sowie eine Profinet-Schnittstelle. „Bei diesen Anlagen handelt es sich um Standardsysteme, die jedoch über viele Funktionen verfügen“, beschreibt Garnich die Anlagen. Damit sind sie seiner Meinung nach für IO-Link prädestiniert. Sollte zum Beispiel mal ein Sensor ergänzt werden müssen, lässt sich dieser ohne viel Aufwand nachrüsten.

Für die Ansteuerung der zentralen Ventilinsel erwies sich die I/O-Link-Verbindung kostengünstiger als Profinet oder ein Multipol-Anschluss. Im direkten Vergleich zu der analogen Anbindung waren die Kosten geringer, der Mehrwert jedoch deutlich höher. So erhält man über IO-Link genauere Informationen, zum Beispiel ob ein Sensor defekt ist oder lediglich kein Druck vorhanden ist, wenn 0 Volt angezeigt werden. Außerdem stehen zusätzliche Messwerte zur Verfügung.

Unkomplizierter Einstieg in die IO-Link-Welt

Mit IO-Link wurden zentrale Ventilinseln, die Innenraumbeleuchtung, Signalleuchten (grün, gelb, rot) sowie Sensoren für Differenzdruck und die Vakuummessung angeschlossen. Außerdem wurde ein linearer Wegmessgeber integriert. Hier lieferte ein Sensor mit IO-Link eine deutlich höhere Auflösung und ein störunempfindlicheres Signal. Das liegt daran, dass das Hin- und Her-Wandeln für die 4-20-mA/0-10-V-Wandlung entfällt. Das Wegemesssystem ist für die Entlüftung der Fässer oder Eimer wichtig und zeichnet die Viscotec Anlagen aus. Seine Aufgabe: Das System misst, wie lange das Vakuum saugen muss, bis ein bestimmter Flüssigkeitsspiegel erreicht wird. In Füllanlagen anderer Hersteller übernimmt diese Aufgabe ein Mitarbeiter, der wiederkehrend manuell eingreifen muss. Mit einer IO-Link-Anbindung, wie nun bei Viscotec, ist die Füllstandsmessung genau genug, um den Vorgang zu automatisieren.

Zu den offensichtlichsten Vorteilen von IO-Link gehört, dass Platz beziehungsweise Bauraum im Schaltschrank gespart werden kann, da weniger Anschaltbaugruppen benötigt werden. Auch die Verkabelung ist einfacher, da normale Stecker (M8/M12) verwendet und deren Anzahl reduziert werden können. Dies verkürzt nicht nur die Montagezeit, sondern es wird kaum noch Zeit für die Fehlersuche benötigt, da Fehler bei der Verkabelung so gut wie gar nicht vorkommen. „Meiner Erfahrung nach ist normalerweise von 100 Adern eine falsch gesteckt. Diese zu finden, kostet Zeit. Mit IO-Link sinkt dieses Risiko erheblich“, so Garnich. Dadurch ist man auch flexibler bei der Nachrüstung von Sensoren beziehungsweise beim Austausch oder bei der Erweiterung von Hardware.

Einen gewissen Startschmerz räumt Garnich ein, da man zunächst Know-how aufbauen musste, wie zum Beispiel die IODD-Implementierung in der SPS. Zudem gab es einzelne „inkompatible“ Steckerbelegungen und einen Mehraufwand bei der Validierung bezüglich der IT-Security.

Eine Herausforderung gibt es in ATEX-Umgebungen, da IO-Link hierfür nicht geeignet ist. Dennoch gibt es Lösungen, so würde man in einem solchen Fall den IO-Link-Master beispielsweise in eine explosionsgeschützte Box einhausen. In diesem Zusammenhang denkt Garnich auch an „gelbe“ Safety-Anbindungen, die im Augenblick meist mit hohen Kosten verbunden sind. Seiner Meinung nach hätte eine IO-Link-Lösung das Potenzial, hier die Kosten zu senken. Nachholbedarf sieht er auch bei multibusprotokollfähigen IO-Link-Mastern, für die es im Augenblick nur wenige Anbieter gibt.

„Aber das Angebot an Sensoren mit IO-Link wächst und inzwischen bieten die Programmierportale der großen SPS-Hersteller auch Hilfsmittel für den Einstieg. Damit wird der Aufwand weiter sinken“, ist Garnich überzeugt. „Vor allem, wenn man in Richtung Industrie 4.0 denkt, ist das Potenzial groß, da man mit IO-Link direkt die Rohdaten aus dem Prozess abgreifen kann.“

Ausblick

Trotz eines gewissen Aufwands, der dem Umstand geschuldet ist, dass IO-Link für das Unternehmen eine neue Technologie war, fällt die Bilanz bei Viscotec in Bezug auf IO-Link positiv aus. „An IO-Link schätze ich den Pragmatismus“, so Garnich. „In 90 Prozent unserer Anwendungen müssen Signale nicht extrem schnell sein, sondern sie müssen einfach umzusetzen sein. Und dafür ist IO-Link perfekt geeignet.“ Daher evaluiert das Unternehmen im Augenblick, wie sich IO-Link in weiteren Anlagen einsetzen lässt. Besonders interessant ist für Garnich die Möglichkeit, das IO-Link-Modul als Kleinsteuerung einzusetzen. So ist es prinzipiell möglich, ein dezentrales System ohne zusätzliche SPS-CPU zu entwickeln. Mithilfe des IO-Link-Masters lässt sich außerdem ein Datenzugriff von der Unternehmensebene aus realisieren, indem verschiedene IIOT-Schnittstellen (REST API, MQTT, OPC UA) bereitgestellt werden. Dadurch wäre sogar eine Fernparametrierung und -diagnose der angeschlossenen Sensoren möglich.