IO-Link-Porterweiterung für die dezentrale Industrieautomation

Die stetige Zunahme intelligenter Sensoren und Aktoren in Fertigungsanlagen lastet die verfügbaren Kommunikationskanäle bestehender Steuerungsmodule schnell aus. Um diese physische Grenze ohne zusätzliche Netzwerk-Hardware zu überwinden, vervierfacht das von Murrelektronik entwickelte Modul IO-Link Multiplier die Kapazität eines einzelnen Master-Ports direkt im Maschinenumfeld.

Skalierungsherausforderungen in dezentralen Automatisierungsarchitekturen
In modernen Produktionslinien und Industriemaschinen erfordert der zunehmende Einsatz intelligenter Feldgeräte eine wachsende Anzahl an Datenanschlusspunkten. Die Verfügbarkeit von Ports an installierten IO-Link-Master-Modulen ist jedoch häufig begrenzt. Wenn neue Sensoren, Aktoren oder Ein- und Ausgangsmodule in eine bestehende Anlage integriert werden müssen, sieht der herkömmliche Ansatz die Installation zusätzlicher Master-Module oder die Erweiterung von Feldbusknoten vor.

Dieser Eingriff bringt erhebliche betriebliche und wirtschaftliche Nachteile für Elektrokonstrukteure und Systemintegratoren mit sich. Das Hinzufügen neuer Master-Module beansprucht Platz im Schaltschrank oder entlang des Maschinenrahmens, erhöht die Verkabelungskomplexität, verlängert die Engineering-Zeiten und steigert die Gesamtkosten für die Steuerungshardware. Bei Projekten zur Modernisierung bestehender Anlagen (Retrofit) oder bei der Entwicklung modularer Maschinenkonzepte stellt der Mangel an freien Ports ein direktes Hindernis für die Skalierbarkeit des Systems dar.

Funktionsprinzip und Architektur der Port-Vervielfachung
Um das Problem der Kanalauslastung im Feld zu lösen, hat Murrelektronik den IO-Link Multiplier eingeführt. Diese kompakte Komponente für die dezentrale Automatisierung wird per Plug-and-Play an einen einzelnen, bereits in der Anlage vorhandenen IO-Link-Master-Port angeschlossen und wandelt diesen in vier unabhängige und voll funktionsfähige IO-Link-Ports um.

Aus Sicht der Kommunikationsarchitektur fungiert das Modul als transparenter Konzentrator und Verteiler für serielle Punkt-zu-Punkt-Daten. Die vom übergeordneten Master-Port bereitgestellten 32 Byte an IO-Link-Prozessdaten werden flexibel auf die vier sekundären Ports des Multipliers aufgeteilt, sodass die Bandbreitenzuweisung an die spezifischen Anforderungen der einzelnen nachgeschalteten Geräte angepasst werden kann.

Diese Konfiguration erhält die volle Funktionalität des Kommunikationsstandards aufrecht. Zyklische Prozessdaten, azyklische Konfigurationsparameter und Diagnoseinformationen aller vier angeschlossenen Geräte bleiben für das übergeordnete Steuerungssystem vollständig zugänglich. Die Wahrung der Datentransparenz bis in die Feldebene erleichtert die automatische Inbetriebnahme und beschleunigt die Fehleridentifizierung bei vorbeugenden oder korrigierenden Wartungsarbeiten. Darüber hinaus ermöglichen LED-Statusanzeigen an jedem Port den Technikern eine sofortige visuelle Diagnose direkt an der Maschine.

Technische Spezifikationen und Flexibilität der Verkabelungstopologie
Neben dem gleichzeitigen Anschluss von bis zu vier Standard-IO-Link-Geräten über einen einzigen Master-Port bietet die Hardware-Architektur des Moduls verschiedene Optionen zur Signalkonfiguration. Alternativ zur IO-Link-Kommunikation können die vier Ports genutzt werden, um bis zu acht digitale Standardeingänge zu erfassen oder bis zu vier digitale Ausgänge anzusteuern.

Ein weiterer relevanter technischer Aspekt betrifft die physische Ausdehnung der Netzwerktopologie. Gemäß den Spezifikationen des IO-Link-Standards ist die maximale Länge eines ungeschirmten Kabels zwischen einem Master und einem Gerät auf 20 Meter begrenzt. Da sich das Modul IO-Link Multiplier als aktive zwischengeschaltete Repeater-Station zwischen dem Master und dem Endgerät positioniert, ermöglicht es eine Kabellänge von bis zu 20 Metern zwischen dem IO-Link-Master und dem Multiplier sowie weitere 20 Meter Kabel zwischen dem Multiplier selbst und dem angeschlossenen Sensor oder Aktor. Diese Verdopplung der Gesamtdistanz auf bis zu 40 Meter bietet eine größere Konstruktionsfreiheit bei der Kabelverlegung an großformatigen Maschinen oder verteilten Anlagen.

In konstruktiver Hinsicht ist das kompakte Gehäuse mit der Schutzart IP65/IP67 gegen das Eindringen von Staub sowie gegen Strahlwasser oder zeitweiliges Untertauchen zertifiziert. Diese Eigenschaft macht die Komponente für die Direktmontage an Anlagen in rauen Industrieumgebungen geeignet, macht Verteilerkästen oder sekundäre Schutzgehäuse überflüssig und fügt sich in Konzepte der schaltschranklosen Automatisierung ein, wie beispielsweise das modulare Ökosystem Vario-X des Unternehmens.

Industrielle Anwendungen in modularen Systemen und beim Retrofit
Im Kontext der Fertigungsindustrie und des Anlagenbaus findet das Gerät in zwei primären Betriebsszenarien Anwendung: beim Bau neuer modularer Maschinen und bei der technologischen Nachrüstung bestehender Anlagen.

Bei der Konstruktion modularer Maschinen können Maschinenbauer das Basismaschinenmodul mit einer reduzierten Anzahl an IO-Link-Mastern standardisieren und den Multiplier nur in denjenigen Anlagenvarianten einsetzen, die optionale Gruppen von Sensoren oder Aktoren erfordern. Dies senkt die Stücklistenkosten für Standardkonfigurationen und vereinfacht die Verkabelungsvarianten.

Bei Retrofit-Maßnahmen an laufenden Produktionslinien, bei denen das Hinzufügen von Sensoren zur Zustandsüberwachung oder Qualitätskontrolle neue Datenerfassungspunkte erfordert, ermöglicht das Modul die Erweiterung der IO-Link-Infrastruktur direkt im Feld, ohne die SPS-Architektur zu verändern oder neue Schnittstellenkarten für den Hauptfeldbus zu beschaffen.

Zusätzlicher Kontext:
Dieser Abschnitt erläutert technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die in der ursprünglichen Produktankündigung nicht enthalten waren.

Um die Funktion des Moduls IO-Link Multiplier im Rahmen der internationalen Norm IEC 61131-9 (welche die IO-Link-Technologie definiert) technisch einzuordnen, muss diese Architektur von herkömmlichen digitalen E/A-Hubs unterschieden werden. Während ein klassischer IO-Link-Hub ausschließlich binäre Signale (digitale Standard-Ein- und Ausgänge) von mehreren Ports sammelt, um sie als aggregierte Daten an einen einzelnen Master-Port weiterzuleiten, erhält ein IO-Link-Multiplier oder Master-Device-Hub die vollständige bidirektionale serielle Kommunikation (Modi COM1, COM2 oder COM3) an jedem der abgeleiteten Ports aufrecht.

Hinsichtlich der Leistungsgrenzen des Protokolls erfordert die gemeinsame Nutzung eines einzelnen Master-Ports mit 32 Byte Prozessdaten durch vier sekundäre Ports eine Überprüfung in der Projektierungsphase: Die Summe der von den vier angeschlossenen Geräten erzeugten Eingangs- und Ausgangsbytes darf das Gesamtbudget von 32 Byte des primären Ports nicht überschreiten. Da der Multiplier zudem die Datenpakete von vier Kanälen über eine einzige physische Leitung zum Master bündelt und verteilt, fällt die Gesamtzykluszeit des Master-Ports höher aus als bei einer einzelnen Direktverbindung. Folglich ist diese technische Lösung für Prozesssensoren, Messumformer, LED-Anzeigen, RFID-Leseköpfe oder pneumatische Aktoren mit Standardanforderungen an die Reaktionszeit (im Bereich einiger Millisekunden) optimiert, während für extrem schnelle Motion-Control-Anwendungen die direkte Anbindung an dedizierte Master-Ports weiterhin vorzuziehen ist.

Im Umfeld der Industrieautomation wird das Problem der Kanalerweiterung im Feld von Komponentenherstellern durch unterschiedliche Architekturansätze gelöst. IO-Link-Master-Module mit 4 oder 8 Ports und integrierter Feldbusschnittstelle (wie PROFINET, EtherNet/IP oder EtherCAT), die von Branchenanbietern wie Balluff, IFM Electronic, Turck, Pepperl+Fuchs sowie Murrelektronik selbst hergestellt werden, bieten 32 Byte Daten pro einzelnem Port und unabhängige Zykluszeiten, erfordern jedoch einen dedizierten Netzwerkknoten, Buskabel sowie eine IP- oder Feldadressierung. Im Gegensatz dazu arbeiten IO-Link-Port-Multiplier oder aktive beziehungsweise passive Extender auf einer niedrigeren hierarchischen Ebene: Sie verzichten auf die Feldbusschnittstelle, um die mechanischen Abmessungen und die Kosten pro einzelnem Kanal gering zu halten, und bieten gleichzeitig den technischen Vorteil, als Signalverstärker zu fungieren, um die physische Reichweite der Verbindung ohne den Einsatz industrieller Ethernet-Switches von 20 auf 40 Meter zu verlängern.

Redigiert von Sucithra Mani, Redakteurin bei Induportals – angepasst durch KI.

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