IO-Link Wireless

IO-Link steht wie keine andere Technologie für die Reduzierung des Installationsaufwandes in der Feldgeräteverdrahtung und geht mit dem Thema Wireless noch einen Schritt weiter. Zur Hannover Messe soll die verabschiedete Version der Spezifikation vorliegen.

Bild: Profibus Nutzerorganisation

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Seit 2016 wird innerhalb der IO-Link Community an der Erstellung einer Spezifikation für die IO-Link Wireless Technologie gearbeitet. Im Marketing Arbeitskreis wurden die Anforderungsprofile und Use Cases hierzu ausformuliert und im entsprechenden Technikarbeitskreis wurden hierauf basierend die technischen Anforderungen definiert und das Spezifikationsdokument erstellt. Um auch mit einer Wireless Technologie die Anlagen-Performance von fest verdrahteten Sensor-Aktuator-Systemen zu erreichen, sind verschiedenen Anforderungen zu realisieren. So wird z.B. eine Zykluszeit unterhalb der 10ms für die Aktualisierung der E/A-Daten gefordert. Die Ansprüche an die Zuverlässigkeit sind dabei mindestens ebenso hoch, wie bei den kabelgebundenen Systemen. Mehr als 30 Devices sollen über einen Funkkanal mit einem Master kommunizieren können. Als Frequenzband soll das 2,4GHz Band genutzt werden. Koexistenz mit anderen Systemen auf diesem Frequenzband ist Voraussetzung. Innerhalb eines RF-Bereichs sollen bis zu drei Master mit insgesamt bis zu 120 Devices kommunizieren können. Bisherige Wireless Technologien erfüllen diese Anforderungen nicht vollumfänglich. WiFi z.B. scheitert bei der Anforderung an Zuverlässigkeit und Determinismus durch den verwendeten Listen-before-Talk Mechanismus. Mit Bluetooth können weder die geforderten Teilnehmerzahlen, noch die Echtzeitanforderungen oder die problemlose Koexistenz mit weiteren Technologien realisiert werden. Auch Zigbee kann die angestrebten Aktualisierungsraten nicht garantieren, da die Datenrate von 250kbps bei 16 verwendeten Frequenzkanälen und 5MHz-Bandbreite zu gering ist. Ebenso erreicht Wireless Hart mit einigen 100ms Zykluszeit nicht die geforderte Geschwindigkeit in der Fabrikautomation.

IO-Link Wireless Charakteristiken

Um die ambitionierten Anforderungen mit IO-Link Wireless erfüllen zu können, sind vom IO-Link Wireless Arbeitskreis entsprechende Charakteristiken für die Technologie festgelegt worden. Eine der wichtigsten Festlegungen besteht darin, dass das Applikations-Interface für die zyklischen Daten (Prozessdaten) und die azyklischen Daten (On-Request-Daten) kompatibel zu der existierenden IO-Link Beschreibung ist. Für den Anwender besteht kein Unterschied in der Verarbeitung von kabelgebundenen IO-Link Informationen oder von IO-Link Wireless Daten. Um die große Anzahl von Devices handhaben zu können, wird ein Master bis zu fünf Übertragungskanäle beinhalten können, von denen jeder bis zu acht Devices unterstützt, also sind insgesamt 40 Wireless Devices pro Master möglich. Drei Master werden parallel in einer Zelle arbeiten können. Somit wird eine maximale Anzahl von 120 Devices in einer Zelle erreicht. Ein Pairing-Service ist implementiert, um die Devices den entsprechenden Mastern zuweisen zu können. Ein Scan-Service sorgt dafür, dass un-gepairte Devices dem System hinzugefügt werden können. Für bewegte Devices wird es keine Limitierungen geben, mit welcher Geschwindigkeit sich diese innerhalb einer Zelle bewegen dürfen. Ein definierter Übergabe-Mechanismus sorgt für ein kontrolliertes Roaming von Devices zwischen verschiedenen Mastern. IO-Link Wireless verwendet 2,4GHz ISM Band RF Transceiver. Das 2,4GHz-Band ist unterteilt in 80 Kanäle mit einem Abstand von jeweils 1MHz. Die generelle Koexistenz mit anderen Wireless Systemen wird durch den sogenannten Blacklisting-Mechanismus gewährleistet. Hierbei können bestimmte Kanäle, von denen man weiß, dass diese bereits umfangreich von anderen Systemen genutzt werden, von vorneherein ausgeblendet werden. Innerhalb dieses festen Rahmens kann das sogenannte Frequency Hopping angewendet werden. Hierdurch wird eine Bitfehlerwahrscheinlichkeit von 10-9 erreicht, was ähnlichen, kabelgebundenen Systemen entspricht. In Zukunft sollen auch Low-Power-Devices durch das System unterstützt werden und die Zykluszeit liegt bei 5ms. Um konform zu den gesetzlichen Vorgaben zu sein, ist die Übertragungsleistung auf 10dBm (10mW) EIRP limitiert. Trotzdem wird eine Ausdehnung von 20m innerhalb einer Master-Zelle mit einem Kommunikationskanal erreicht. Bei mehr als einem Kommunikationskanal können noch 10m erreicht werden.

Premiere in Hannover

Die Spezifikationsarbeiten sind bereits abgeschlossen. Das entsprechende Dokument befindet sich momentan in der Review-Phase. Zur Hannover Messe 2018 soll die verabschiedete Version der Spezifikation vorliegen. Ebenfalls zur Hannover Messe wird die IO-Link Wireless Technologie zum ersten Mal einer breiten Öffentlichkeit in Form eines Demonstrators auf dem Gemeinschaftsstand der PI vorgestellt. Parallel hierzu werden im IO-Link Wireless Arbeitskreis bereits die notwendigen Test-Spezifikationen und -Szenarien definiert, die benötigt werden, wenn erste Anbieter ihre Komponenten für das neue System entwickeln. Denn auch hier legt die IO-Link Community hohen Wert auf die Interoperabilität, die wie bei IO-Link üblich, gewährleisten soll, dass die einzelnen Komponenten der unterschiedlichen Hersteller problemlos miteinander kommunizieren.