Beim Einsatz moderner Automatisierungssysteme in der Industrie steht nicht nur die technische Leistungsfähigkeit im Fokus, sondern immer auch die Wirtschaftlichkeit. Idealerweise vereinen solche Systeme eine hohe Funktionalität, Flexibilität mit Zuverlässigkeit – und das zu einem möglichst günstigen Preis. Als einfache und vergleichsweise kosteneffiziente Verdrahtungstechnik für Sensoren und Aktoren im Feld erfüllen AS-Interface (ASi) und IO-Link genau diese Anforderungen.
Wie genau funktionieren diese unterlagerten Kommunikationssysteme? Und was macht die Generationen ASi-3 und ASi-5 sowie IO-Link jeweils so besonders? Diese Fragen beantworten wir in diesem Blogbeitrag und zeigen beispielhaft auf, in welchen Einsatzbereichen die Technologien ihre Stärken am besten ausspielen.

AS-Interface: Funktionsprinzip sowie Vor- und Nachteile

Was ist AS-Interface und wie funktioniert es?

AS-Interface, kurz für „Actuator Sensor Interface“, ist ein international genormter Kommunikationsstandard (IEC 62026-2), der zur Verdrahtung von Sensoren und Aktoren auf der untersten Automatisierungsebene zum Einsatz kommt. Bei AS-Interface erfolgt sowohl die Spannungsversorgung als auch die Datenübertragung über ein einziges verpolgeschütztes, gelbes Flachbandkabel. Per Durchdringungstechnik, auch Piercingtechnologie genannt, lassen sich ASi-Geräte einfach und flexibel entlang des gesamten Flachbandkabels anbringen und jederzeit umpositionieren.
Im ASi-3-Standard kommuniziert ein Master zyklisch mit den Teilnehmern, auch ASi-Slaves genannt, wobei pro Zyklus jeder Teilnehmer mit 4 Bit bidirektionalen IO-Daten abgefragt wird. Ein ASi-Master kann Daten und Energie bei 30.5 V Systemspannung an bis zu 62 Teilnehmer übertragen. Teilnehmer mit höherem Strombedarf werden über ein separates Flachbandkabel mit 24 V oder 48 V versorgt. Ein großer Vorteil besteht darin, dass ASi in freier Topologie als Baum-, Stern-, Linien- und Ringstruktur verwendet werden kann. Die freie Topologie erleichtert Anwendern den Aufbau, die Modularität und Granularität sowie Installation. Zudem ist das System jederzeit flexibel erweiterbar.

Vor- und Nachteile von ASi-3

Im Vergleich zur konventionellen Parallelverdrahtung von Sensoren und Aktoren reduziert sich der Verdrahtungsaufwand durch die Verwendung von AS-Interface deutlich. Da IO-Komponenten bequem per Durchdringungstechnik angeschlossen und sowohl sichere als auch nicht-sichere Signale auf derselben Leitung übertragen werden, reduzieren sich Montageaufwand und Installationskosten auf ein Minimum. Mit ASi-3 lassen sich auch Analogwerte in mehreren Zyklen übertragen; zur Kommunikation größerer Datenmengen von mehr als 2 Byte eignet sich ASi-3 hingegen nicht. ASi-3 ist demnach eine kostengünstige, besonders robuste Lösung für einfache Anwendungen.

Unterschiede zwischen ASi-5 und ASi-3

Um dem Gedanken von Industrie 4.0 Rechnung zu tragen, hat ein Zusammenschluss aus ursprünglich acht Unternehmen im Jahr 2007 mit der Entwicklung einer neue nAS-Interface-Generation begonnen. Die Verifikation und Chip-Entwicklung hat viele Jahre gedauert und es konnten nicht alle geforderten Funktionen erfüllt werden – etwa die Möglichkeit, IO-Link-Daten zu tunneln sowie das Ziel, die Robustheit und Wirtschaftlichkeit von ASi-3 zu erreichen.

Auch wenn ASi-5 das bekannte Flachbandkabel nutzt, wurde die Kommunikation komplett neugestaltet. Während ASi-3 auf dem Master-Teilnehmer-Prinzip mit einer Trägerfrequenz von 167 kHz basiert, findet bei ASi-5 eine parallele Kommunikation zu allen ASi-5-Teilnehmern mit Übertragungsfrequenzen von 1…10 MHz statt. Aufgrund der höheren Frequenzen von ASi-5 kann es leichter zu Reflexionen am offenen Leitungsende kommen, die zu konstruktiven und destruktiven Überlagerungen führen. Der Signalpegel von ASi-5 liegt bei <100 mV, wodurch es – verglichen mit ASi-3 mit +/- 3V Signalpegel – deutlich anfälliger für äußere Störeinflüsse ist.
Wie auch sein Vorgänger kommuniziert ASi-5 über 200 m Stranglänge. Anders als bei ASi-3 lässt sich die Stranglänge jedoch nicht mit bis zu zwei Repeatern in Serie auf 600 m Stranglänge erweitern. Zudem muss bei ASi-5-Anwendungen ein teureres 2.5 mm²-Flachkabel eingesetzt werden. Mit einer vierfach höheren Datenbandbreite pro Zyklus stehen Anwendern mit ASi-5 bis zu 16 Bit pro Teilnehmer zur Verfügung. Im Gegensatz zu ASi-3 gibt es für ASi-5 nur sehr wenige Anbieter von Einzelkomponenten und nur einen Systemanbieter. Daher gilt ASi-5 als Nischenprodukt mit einer Single Source.

Einschränkungen bei der Kombination mit anderen Technologien

Wo zuvor 62 Teilnehmer angeschlossen werden konnten, ermöglicht ASi-5 die Integration von bis zu 96 Teilnehmern. Bei ASi-5 können für 24 Teilnehmer Zykluszeiten von 1,27ms erreicht werden. Aufgrund der größeren Datenbandbreite von 16 Bits kann ASi-5 Analogwerte schneller übertragen. Findet allerdings ein Parallelbetrieb mit ASi-3-Teilnehmern statt, reduziert sich die Teilnehmerzahl auf insgesamt 62 ASi-3- und ASi-5-Teilnehmer. Dies liegt an der induktiven und kapazitiven Belastung des Netzwerks.
Im Gegensatz zu ASi-3 ist das Datenabbild bei ASi-5 nicht fix definiert und kann aufgrund des Umfangs nicht einfach in die Steuerungsebene (SPS) übertragen werden. Hierzu ist eine spezielle Konfigurationssoftware nötig.
Die Integration von IO-Link in ein ASi-5 Netzwerk ist nur sehr eingeschränkt möglich und nur in Ausnahmefällen sinnvoll. Ein IO-Link-Gerät mit bis zu 32 Byte Datenbandbreite über ASi-5 mit 2 Byte Bandbreite zu routen, führt zu Leistungseinschränkungen von IO-Link. Nur sechs IO-Link-Teilnehmer mit 32 Byte (192 Byte) würden die ASi-5-Kommunikation (96 x 2 Byte = 192 Byte) ohne Leistungseinschränkung komplett belegen. Neben einer überlasteten und verlangsamten Kommunikation ergeben sich dadurch weitere Nachteile durch erhöhte Jitterzeiten. Da sich das Tunneln von IO-Link durch ASi-5 nicht realisieren ließ, ist die Integration eines vergleichsweise teuren IO-Link-Masters in das ASi-5-Modul nötig. Dadurch gehen die Transparenz und Durchgängigkeit von IO-Link verloren, die als wichtige Vorteile der IO-Link-Technologie gelten.
ASi-5 ist demnach für komplexe Sensorik, schnelle Zykluszeiten und einen hohen Datendurchsatz ausgelegt. Dazu gehören zum Beispiel sehr komplexe, in der Praxis selten vorkommende Kombinationen aus Digital-, Analogmodulen mit Safety-Funktionen oder Module mit 16 IOs.

IO-Link: Funktionsprinzip sowie Vor- und Nachteile

Was ist IO-Link und wie funktioniert es?

Als weltweit standardisierte herstellerunabhängige Kommunikationstechnologie für Sensoren und Aktoren ist IO-Link nach IEC 61131-9 genormt und mit allen gängigen Feldbussen kompatibel. Über eine ungeschirmte dreiadrige Standardleitung können selbst einfachste Sensoren und Aktoren neben Schaltsignalen auch Identifikations- und Diagnosedaten über die gesamte Anlagenstruktur hinweg bereitstellen.
Hierfür lässt sich eine bis zu 20 Meter lange Verbindung zwischen einem IO-Link-Gerät und dem IO-Link-Master herstellen. Der IO-Link-Master befindet sich entweder im Schaltschrank oder ist direkt im Feld installiert. Von dort aus etabliert er die Verbindung bzw. Kommunikation zwischen IO-Link-Geräten und dem Automatisierungssystem. Ein Master kann mehrere IO-Link-Kanäle, sogenannte Ports besitzen, an denen jeweils ein IO-Link-Gerät angeschlossen werden kann – ein Sensor, Aktor oder RFID-Schreib-/Lesegerät zum Beispiel. IO-Link ist daher kein Bussystem, sondern eine reine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Im sogenannten SIO-Modus, kurz für Standard-Input-Output, überträgt ein Sensor seinen Detektionszustand als 0V- und 24-V-Signal. Sobald die IO-Link-Kommunikation an diesem Masterport aktiviert ist, stellt der Master Kontakt mit dem Gerät her und baut die IO-Link-Kommunikation auf. Master und Gerät kommunizieren dann bidirektional über die Signalleitung C/Q mithilfe einer kodierten Abfolge von Signalzuständen, auch coded switching genannt.
Ein großer Vorteil von IO-Link gegenüber AS-Interface sind die Mehrwertdaten, die als ideale Basis für eine vorausschauende Instandhaltung und Diagnose dienen. Dazu gehört beispielsweise auch die Data-Storage-Funktion, auch Parameterserverfunktion genannt. Diese vereinfacht den Sensortausch (gleicher Gerätetyp) im laufenden Betrieb, da der IO-Link-Master die Konfigurationen des alten Geräts automatisch auf das neue überträgt.
Nachteilig gegenüber AS-Interface ist die auf 20 Meter Länge begrenzte Kommunikationsdistanz sowie der höhere Verdrahtungsaufwand.

Übersicht Technologievergleich

Zwei Kommunikationsprotokolle in der Praxis: Steuerung von Motorrollen mit ASi-3 und IO-Link

Ein typischer Einsatzbereich von AS-Interface und IO-Link ist die Ansteuerung von Motorrollen in der Lager- und Fördertechnik, wo sie die Start-/Stopp-Funktion, die Drehrichtung, die Beschleunigung/Verzögerung und die Geschwindigkeit von 24V- als auch 48V-DC-Motorrollen steuern und zusätzlich digitale IOs erfassen können.

Deshalb hat Pepperl+Fuchs ASi-3 und IO-Link als Technologien für die Motorsteuermodule der G20-Serie gewählt, die ihre Vorteile an verschiedenen Stellen der Förderstrecke voll ausspielen.

G20-Module mit AS-Interface

Die Lösung für Standardanwendungen

ASi-3 wird in großen Anlagen wie Förderstrecken mit weitläufig verteilten Sensoren und Aktoren verwendet, um diese mit einer übergeordneten speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) zu verbinden. Hierfür lassen sich pro ASi-Gateway Daten von bis zu 62 Geräten mit einer Zykluszeit von 10 ms übertragen; bei der Verwendung von ASi-Gateways mit zwei ASi Strängen können sogar bis zu 124 Geräte angebunden werden. Das gelbe Flachbandkabel wird zeitgleich zur Stromversorgung der Sensorik sowie für die bidirektionale 4-Bit-Datenkommunikation verwendet, sodass sich der Verdrahtungsaufwand reduziert. Für sämtliche Standardanwendungen, bei denen keine hochpräzise Ansteuerung von Motorrollen z. B. auf Basis des individuellen Gewichts des Förderguts ist, stellt AS-Interface die einfachste und kostengünstigste Lösung dar. Insbesondere bei weit verzweigten Fördertechniklinien ist ASi-3 die ideale Wahl – besonders wegen der freien Topologie und der hohen Granularität bis ins Feld. Mehrere hundert Meter Förderstrecke und über 200 Motorrollen lassen sich extrem kostengünstig über nur eine IP-Adresse and den übergeordneten Feldbus anschließen.

G20-Module mit IO-Link

Die Lösung für komplexere Förderaufgaben

Als Kommunikationsprotokoll für Prozess-, Parameter- und Diagnosedaten bietet IO-Link die Möglichkeit, komplexe Förderaufgaben mit größeren Datenmengen und einer Datenübertragungsrate von 230 Kbit/s (COM3) zu lösen. Für digitale IOs steht weiterhin eine 16-DIO-Variante mit 16 frei konfigurierbaren digitalen Ein-/Ausgängen zur Verfügung. Das G20-Modul mit IO-Link spielt seine Vorteile vor allem an Stellen mit hoher IO-Dichte aus. Pufferzonen an den einzelnen Ebenen der Liftanlage, am Hochregallager oder viele nebeneinander liegende Sortierstellen sind nur zwei Beispiele. Ein G20 IO-Link-Modul kann bis zu acht digitale Signale einsammeln und bis zu vier Motorrollen gleichzeitig steuern. Dabei lassen sich alle Funktionen sehr schnell über das Prozessabbild abrufen.

IO-Link bringt durch die größere Datenbandbreite mehr Transparenz und Flexibilität in Fördersysteme und minimiert Stillstandzeiten dank integrierter Data-Storage-Funktion. Neue Firmware lässt sich in einer Anlage via IO-Link auf die Geräte spielen, um einen sicheren Betrieb zu garantieren und stets die aktuellsten Funktionen nutzen zu können.

Video: G20-Module in einer Fördertechnikanlage

Weitere Informationen

• Erfahren Sie mehr über die Motorrollenmodule der G20-Serie
• G20-Module mit AS-Interface
• G20-Module mit IO-Link