Industrielle Automatisierung IO-Link war der Flaschenhals – heute treibt es schnelle Maschinen an

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Die digitale Schnittstelle IO-Link galt bisher oft als zu langsam für schnelle Automatisierungsaufgaben. Neue Master-Generationen räumen jetzt mit diesem Vorurteil auf und eröffnen völlig neue Einsatzmöglichkeiten für Maschinenhersteller.

Viele Maschinenbauer schätzen IO-Link bereits für die unkomplizierte und kostengünstige Verdrahtung sowie die Möglichkeit, detaillierte Zusatzdaten aus Sensoren und Aktoren zu gewinnen. Trotzdem zögerten Hersteller besonders schneller Sondermaschinen bislang, auf IO-Link zu setzen. Sie kritisierten vor allem, dass die Zykluszeiten von IO-Link zu hoch seien und die Präzision bei schnellen Anwendungen beeinträchtigen würden.

Doch aktuelle Chip-Entwicklungen zeigen, dass diese Einschätzung nicht mehr zutrifft. Moderne Master und Sensoren sorgen dafür, dass IO-Link nun sogar in Hochgeschwindigkeitsanwendungen überzeugende Ergebnisse liefert.

Einen umfassenden Überblick über diese Problematik und ihre heutige Lösung gab Thomas Langer, Produktmanager bei Baumer, in einem Vortrag auf dem Automatisierungstreff in Heilbronn. Er zeigte anhand mehrerer Praxisbeispiele, wie IO-Link mit der neuesten Master-Generation auch in zeitkritischen Anwendungen zuverlässig eingesetzt werden kann und die einstigen Vorbehalte nicht mehr zutreffen.

Zu langsam, zu unpräzise: Woher kamen die Vorurteile?

„Sehr viele Kunden haben das irgendwann mal ausprobiert und haben für sich festgestellt: IO-Link ist zu langsam. Dabei lag das gar nicht an IO-Link, das lag einfach daran, dass der Master ein Bottleneck wurde, weil er von der Hardware her einfach nicht mehr Power hatte", erklärt Langer.

Ursprünglich eingeführt, um analoge Signale zwischen Sensoren und Maschinensteuerung zu digitalisieren, konnte IO-Link in den Anfangsjahren tatsächlich nur relativ langsame Zykluszeiten von rund zehn Millisekunden erreichen. Diese Verzögerungen waren jedoch hauptsächlich auf die Hardware der damals eingesetzten IO-Link Master zurückzuführen und nicht auf das Protokoll selbst, wie aktuelle Vergleiche zeigen.

So erreichen moderne IO-Link Master heute Zykluszeiten bis hinunter auf 400 Mikrosekunden. Damit sind sie mehr als zwanzigmal schneller als frühere Gerätegenerationen. Zum Vergleich: Übliche analoge Signale, etwa die weit verbreiteten 4-20 mA Signale, verlieren durch notwendige Filterungen oft erheblich an Geschwindigkeit und Präzision. IO-Link dagegen bietet heute eine deutlich verbesserte Übertragungsgeschwindigkeit ohne die Nachteile analoger Signale, wie Rauschen oder Signalverluste, die besonders bei längeren Leitungen auftreten können.

Sensoren und Master heben IO-Link auf Echtzeit-Niveau

IO-Link lässt sich zudem problemlos in bestehende Automatisierungsarchitekturen integrieren. Über IO-Link-Master mit Schnittstellen zu gängigen Feldbussystemen wie Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP oder Modbus TCP können die Sensordaten direkt in die Steuerung eingebunden werden. Dabei bleibt die Echtzeitfähigkeit der übergeordneten Systeme erhalten – insbesondere bei Master-Geräten, die IO-Link-Zykluszeiten im Submillisekunden-Bereich unterstützen.

Baumers neue Mastergeneration schließt nun die Lücke zur Steuerungsebene endgültig. Durch eine Zykluszeit von nur 400 Mikrosekunden liefert der Master die Messdaten praktisch verzögerungsfrei an die SPS. Damit eignet sich IO-Link jetzt selbst für zeitkritische Anwendungen, wie sie etwa in Verpackungsmaschinen, Robotersystemen oder der Elektronikfertigung auftreten. „Mit 400 Mikrosekunden ist das Thema Zykluszeit auf dem IO-Link-Port irrelevant geworden“, so Langer.

Er ergänzte außerdem: „Wir können Status heute mit IO-Link Geschwindigkeiten erreichen, wie wir es von klassischen Systemen gewohnt sind.“ Gerade im Vergleich zu analogen Schnittstellen seien die Vorteile deutlich: „Auch da hört man immer wieder, dass die super schnell sein können. Das können die auch. Aber spätestens, wenn ich die an der 50 Hertz Stromleitung vorbeiführe und diese 50 Hertz filtern würde, reden wir dann nicht mehr von Schnelligkeit. So ein 50 Hertz Filter hat 20 Millisekunden. Dann ist man dann schnell auf einem ganz normalen Geschwindigkeitssignal. Und das Problem habe ich eben.“

Anwendungsbeispiele verdeutlichen Vorteile

Der Flaschenhals von IO-Link wäre also gefunden und beseitigt. Das eröffnet nun dem Protokoll neue Einsatzmöglichkeiten, weiß Thomas Langer und veranschaulicht das mit praktischen Anwendungen:

Ein Maschinenbauer nutzte beispielsweise IO-Link, um das Ausschwingverhalten eines neuen Roboters präzise zu analysieren. Die Kombination von IO-Link-Master und Baumer-Sensoren ermöglichte es, in Echtzeit das Zusammenspiel der Antriebe und der Mechanik exakt zu überwachen und zu optimieren. Innerhalb von sechs Wochen entstand so eine serienfähige Maschine, ohne zusätzlichen Aufwand durch spezielle Messausrüstung. Mit IO-Link in der musste nicht extra ein separater Prototyp entwickelt und aufwendig angepasst werden, was zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen führte.

Ein anderes Unternehmen profitierte bei der Überwachung von Einpressvorgängen. Dank der schnellen IO-Link-Kommunikation konnten Kraft-Weg-Diagramme präzise erstellt und direkt für die Serienproduktion genutzt werden. Teure externe Messmodule waren nicht mehr nötig. Dies reduzierte nicht nur die Anschaffungs- und Wartungskosten, sondern vereinfachte auch den gesamten Fertigungsprozess deutlich. Die Möglichkeit, Einpressvorgänge exakt zu überwachen, führt zu einer verbesserten Produktqualität und zu weniger Produktionsausfällen.

Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung

Besonders eindrucksvoll zeigt IO-Link sein Potenzial in der Wartung: Sensoren können Verschmutzungsgrade erkennen – etwa bei optischen oder Ultraschallsensoren – und diese Information an zentrale Systeme weitergeben. So lässt sich ableiten, wann eine Maschine gereinigt oder gewartet werden sollte, ohne auf starre Wartungspläne zurückzugreifen. Stattdessen kann die Instandhaltung gezielt an den tatsächlichen Zustand der Anlage angepasst werden. Diese Form der zustandsbasierten Wartung spart Ressourcen und vermeidet unnötige Stillstände.

Ein weiteres Beispiel aus der Praxis: In einer automatisierten Linie wurde auf Basis der Sensordaten ermittelt, dass zwei von vier Maschinen kurz vor einer kritischen Verschmutzung standen – die Instandhaltung konnte gezielt dort eingreifen, während die anderen Anlagen weiterliefen. Eine solche gezielte Wartung hätte früher umfangreiche manuelle Prüfungen oder unplanmäßige Stillstände erfordert.

Gerätetausch in Minuten statt Stillstand in Stunden

Auch bei der Instandhaltung punktet IO-Link mit einem weiteren Vorteil: Der einfache Gerätetausch. Fällt ein Sensor aus, kann dieser durch ein gleichwertiges Modell ersetzt werden – die Parametrierung wird automatisch aus dem Master geladen. Damit ist die Maschine nach wenigen Minuten wieder einsatzbereit.

Ein konkretes Beispiel aus der Automobilproduktion: Bei VW verursachte ein kleiner Span auf einem Induktivsensor regelmäßig lange Stillstandszeiten. Mit IO-Link konnte der betroffene Sensor über die Software identifiziert und gezielt gereinigt oder ersetzt werden. Der Austausch dauerte nur wenige Minuten – gegenüber bis zu 90 Minuten zuvor. Auch die Zusatzdaten, etwa zur Sensorverschmutzung, lassen sich flexibel für Wartungszwecke nutzen.

Neue Sensoren können automatisch die Einstellungen des vorherigen Gerätes übernehmen, wodurch Stillstandszeiten deutlich reduziert werden. Darüber hinaus unterstützt IO-Link eine herstellerunabhängige Integration, was den Einsatz von Geräten verschiedener Hersteller erleichtert und eine größere Flexibilität in der Anlagenplanung ermöglicht.

IT/OT-Integration mit offenen Schnittstellen

Ein weiteres Merkmal moderner IO-Link-Systeme ist die Fähigkeit, Daten nicht nur an die Steuerung, sondern auch an übergeordnete IT-Systeme zu liefern. Über standardisierte Schnittstellen wie OPC UA, MQTT oder REST-API lassen sich Diagnosedaten, Betriebsparameter und Zustandsinformationen direkt in Dashboards oder Cloud-Anwendungen einbinden. Das ermöglicht eine nahtlose vertikale Integration – von der Sensorik bis in die Unternehmensleitebene.

Gerade in der vorausschauenden Wartung oder bei der Qualitätsüberwachung eröffnen sich dadurch neue Möglichkeiten. So lassen sich etwa Verschmutzungs- oder Temperaturdaten gezielt analysieren, ohne dass diese Informationen die Echtzeitzyklen der Steuerung belasten.

Herstellerunabhängige Parametrierung und einfache Integration

Ein weiterer Vorteil von IO-Link ist die herstellerübergreifende Standardisierung der Parametrierung. Geräte unterschiedlicher Hersteller lassen sich über generische Tools wie die Baumer Sensor Suite erkennen, konfigurieren und überwachen. Möglich wird dies durch standardisierte Gerätedateien (IODD), die automatisch geladen und grafisch dargestellt werden. „Unsere Software kann jedes andere IO-Link-Gerät am Markt parametrieren. Die hält sich einfach an dem Standard,“ versichert Langer.

Damit reduziert sich der Aufwand bei der Inbetriebnahme. Techniker müssen keine proprietäre Software für jedes einzelne Gerät erlernen, sondern nutzen eine einheitliche Oberfläche für alle IO-Link-Komponenten. Auch der Geräteaustausch im Feld wird so vereinfacht – inklusive automatischer Wiederherstellung der letzten Konfiguration.

Intelligenz im Master: Edge-Logik entlastet die Steuerung

IO-Link-Master der neuen Generation übernehmen nicht nur die Kommunikation mit Sensoren und Aktoren, sondern bieten auch Rechenleistung für einfache Automatisierungslogiken. So lassen sich zum Beispiel Schwellwertüberwachungen, einfache Regelkreise oder Zustandsbewertungen direkt im Master ausführen. „Dann schreibe ich mir die drei Zeilen Code: 'Wenn es leer ist, bitte wieder voll machen', da einfach rein und lasse das den Master ganz ohne Steuerung machen,“ veranschaulicht Thomas Langer.

Diese Dezentralisierung –also das Edge-Computing – reduziert die Belastung der zentralen SPS und erhöht somit die Ausfallsicherheit. Gleichzeitig wird die Skalierung von Anlagen erleichtert, da einfache Aufgaben lokal im Master erledigt werden können.

Fazit: IO-Link wird zur Hochleistungs-Schnittstelle

„Wir haben tatsächlich einen Meilenstein erreicht, wo wir auch in richtig schnellen Maschinen agieren können", resümiert Produktmanager Langer von Baumer die Entwicklung. Für Maschinenbauer bedeutet das: Eine bereits etablierte, robuste Technologie gewinnt deutlich an Einsatzpotenzial und eröffnet neue Möglichkeiten, Produktionsanlagen effizienter und kostengünstiger zu gestalten. Damit wird die Schnittstelle zu einer echten Alternative für Aufgaben, die früher

en oder proprietären Schnittstellen vorbehalten waren. IO-Link ist damit endgültig in der Liga der Hochleistungs-Kommunikationssysteme angekommen. (mc)

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