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Die Erfindung betrifft einen Konverter für eine IO-Link-Kommunikationsverbindung zwischen einem IO-Link-Master und einem IO-Link-Device.
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Ein spezielles Kommunikationssystem der Industrieautomatisierung ist der IO-Link Standard. Es dient zur Anbindung intelligenter Sensoren und Aktoren, die auch als Feldgeräte bezeichnet werden, an ein Automatisierungssystem und ist in der Norm IEC 61131-9 unter der Bezeichnung Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators (SDCI) normiert. Die Standardisierung umfasst dabei sowohl die elektrischen Anschlussdaten als auch ein digitales Kommunikationsprotokoll, über das die Sensoren und Aktoren mit dem Automatisierungssystem in Datenaustausch treten.
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Ein IO-Link-System besteht aus einem IO-Link-Master und einem oder mehreren IO-Link-Device, also Sensoren oder Aktoren. Der IO-Link-Master stellt die Schnittstelle zur überlagerten Steuerung (SPS) zur Verfügung und steuert die Kommunikation mit den angeschlossenen IO-Link-Device.
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Ein IO-Link-Master kann einen oder mehrere IO-Link-Ports haben, an jedem Port kann aber nur ein IO-Link-Device angeschlossen werden. IO-Link ist damit eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation.
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Ein IO-Link-Device ist ein intelligenter Sensor oder Aktor. Intelligent heißt im Hinblick auf IO-Link-Device, dass ein Gerät z. B. eine Seriennummer oder Parameterdaten (z. B. Empfindlichkeiten, Schaltverzögerungen oder Kennlinien) besitzt, die über das IO-Link-Protokoll lesbar bzw. schreibbar sind. Das Ändern von Parametern kann damit z. T. im laufenden Betrieb durch die SPS erfolgen.
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Die Parameter der Sensoren und Aktoren sind gerätespezifisch, daher gibt es für jedes Gerät Parameterinformationen in Form einer IODD (IO Device Description).
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Typischerweise ist der IO-Link-Master mit einer überlagerten Steuerung z.B. SPS verbunden auf der ein Steuerungsprogramm abläuft, mit dem eine automatisierungstechnische Anlage z. B. eine Tankapplikation gesteuert wird.
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Muss ein bestimmtes IO-Link-Device in der automatisierungstechnischen Anlage ersetzt werden, so wird der Anwender versuchen ein entsprechendes IO-Link-Device mit der gleichen Device-ID (Geräteidentifikation) und dem gleichen Funktionsumfang einzusetzen, damit er das Steuerungsprogramm und Steuerungskonfiguration nicht ändern muss.
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Steht ein entsprechendes IO-Link-Device nicht zur Verfügung, weil der Hersteller das IO-Link-Device weiterentwickelt hat und das Alt-Gerät nicht mehr anbietet, ist ein Gerätetausch erheblich aufwendiger, weil bei einem Gerätetausch der IO-Link- IO-Link-Master aufgrund der Kommunikationsunterbrechung nach die Device-ID des neu angeschlossenen IO-Link-Device frägt. Stimmt die neue Device ID nicht mit der alten überein, so erkennt der IO-Link-Master einen schwerwiegenden Fehler, und die Steuerung erhält nicht mehr die zur Prozessabarbeitung erforderlichen Informationen bzw. das Programm im Master wird unterbrochen.
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Die Device ID besteht aus einer Herstellerkennung (Vendor-ID), die für die ifm electronic gmbh 310 lautet und einer Gerätekennung, die bei einem bestimmten ifm Drucksensor z. B. dem PN7004 311 lautet.
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IO-Link Master ab Version 1.1 verfügen über die Funktion Datastorage. Bei der Inbetriebnahme können die Parametereinstellungen des Devices im Master gespeichert werden. Im Austauschfall würde der Master die Parametrierung auf ein Typ-gleiches Device zurückspielen, wodurch das Device sofort einsatzfähig wäre. Devices eines anderen Typs haben andere Parameter bzw. andere Index-Nummern. Eine Übertragung der gespeicherten Parameter ist nicht möglich.
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IO-Link Devices bieten Diagnosemeldungen, die in der Steuerung ausgewertet werden können. Es ist nicht sichergestellt, dass ein Austauschgerät dieselben Meldungen an gleicher Stelle zur Verfügung stellt. Bei einem Austausch können der Steuerung wichtige Informationen fehlen.
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Der Grund für eine solch restriktive Identifikationsprüfung liegt darin, dass eine Inbetriebnahme der Anlage unter der Voraussetzung von bestimmten Prozessdaten und Parametrierdaten stattfindet. Das heißt im Besonderen, dass der Ablauf der SPS auf einer bestimmten Interpretation der Prozessdaten bezüglich Aufbau und Bedeutung beruht. Ebenfalls werden bestimmte Parameter bei der Inbetriebnahme oder zur Laufzeit verändert um das Geräteverhalten zu verändern. Des Weiteren bietet IO-Link hier eine automatisierte Reparametrierung bei Gerätetausch (Datenhaltung) an, um in der Anlage die korrekte Parametrierung nach Tausch zu gewährleisten. Sowohl die Prozessdaten als auch die Parameter werden aufgrund der Gerätebeschreibung interpretiert, welche wiederum mit der Geräteidentifikation untrennbar verbunden sind. Zur Sicherstellung der korrekten Funktion prüft die Anlage daher ob das erwartete Device angeschlossen wurde und erzeugt einen Systemfehler wenn dies nicht der Fall ist.
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Für den Fall dass das Austauschgerät nicht dem Ursprünglichen entspricht, hat der Anlagenbetreiber nur die Möglichkeit die Inbetriebnahme unter den neuen Randbedingungen durchzuführen, welches wiederum mit Anlagenstillstand, Beauftragung eines (externen) Spezialisten oder des Herstellers und damit einem erheblichen finanziellen Aufwandes verbunden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Konverter für eine IO-Link-Kommunikationsverbindung zwischen einem IO-Link-Master und einem IO-Link-Device anzugeben, bei dem eine Änderung des Steuerungsprogramms und der Steuerungskonfiguration, bei einem Austausch eines ursprünglich eingesetzten IO-Link-Device gegen eine nicht mehr 100% identisches IO-Link Device nicht erforderlich ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Konverter für eine IO-Link-Kommunikationsverbindung zwischen einem IO-Link-Master und einem IO-Link-Device gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die wesentliche Idee der Erfindung ist es, dass der Konverter die Dateninhalte so abändert, dass weder der IO-Link-Master wahrnimmt, dass das IO-Link-Device ausgetauscht wurde noch das ausgetauschte IO-Link-Device bemerkt, dass der IO-Link-Master eigentlich mit dem ursprünglich eingesetzten IO-Link-Device spricht. konfigurierbar ist. Bei der Konfiguration wird im Konverter die Gerätekennung des Altgerätes V1.0 und des Neugerätes V1.1 gespeichert.
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Bei einer Anfrage nach der Gerätekennung meldet sich der Konverter beim IO-Link-Master mit der Gerätekennung des Altgerätes. Für den IO-Link-Master scheint kein Gerätetausch stattgefunden zu haben, da die gleiche Gerätekennung verwendet wird. Für die Sicherstellung der Funktionalität wird unterhalb des Konverters allerdings auch nur das konfigurierte Neugerät akzeptiert.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 Automatisierungspyramide der Industrieautomatisierung umfassend ein Kommunikationssystem mit einem IO-Link-Master der mehrere Ports P1-Pn aufweist, an die mehrere Feldgeräte angeschlossen sind. SDCI steht für Single-drop Communication Interface
- 3 IO-Link IO-Link-Master mit drei angeschlossenen Sensoren
- 4 IO-Link-Master, Konverter (Transceiver) und Gerät in schematischer Darstellung
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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Ein Gerätetausch im laufenden Betrieb einer industriellen Anlage sollte schnell, einfach und vom Bedienpersonal ohne spezielles Wissen und Hilfsmittel ermöglicht werden.
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Dies wird mit dem erfindungsgemäßen Konverter möglich, der in 4 detailliert dargestellt ist. Dieser Konverter für ein Kommunikationssystem der Industrieautomatisierung dient zum Datenaustausch zwischen einem IO-Link-Master und einem Feldgerät.
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Bei einem Gerätetausch ohne Konverter würde der IO-Link-Master zuerst eine Anfrage nach der Gerätekennung machen, die aus einer Hersteller ID und einer Geräte ID besteht.
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Der Konverter ist einfach in die Kommunikationsverbindungsleitung zwischen IO-Link-Master und Device einsetzbar. Er ist außerdem konfigurierbar.
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Der Konverter entspricht dem IO-Link Standard als Kommunikationsstandard. Hierbei ist von entscheidender Wichtigkeit, dass die Latenzzeiten eingehalten werden.
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Im Konverter kann auch die Gerätebeschreibung IODD des auszutauschenden Gerätes abgespeichert werden, damit ist dem Konverter die Funktionalität des Austauschgerätes bekannt.
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Nachfolgend ist Funktion des Konverters näher erläutert.
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Kunden sind bisher gewohnt, dass sie Sensorik austauschen können. Hierzu muss unter Umständen der Sensor parametriert werden, es ist aber nicht notwendig, die Steuerung anzufassen.
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Bei IO-Link kann sich die Übertragung der Prozessdaten, bei Geräten unterschiedlicher Produktfamilien unterscheiden. Bei aktivierter Geräteüberprüfung, kann nur ein Gerät gleichen Typs als Austauschgerät verwendet werden. Ebenso unterscheiden sich die Parameter und die Diagnosemeldungen. zwischen den einzelnen Geräte-Familien, bzw. zwischen unterschiedlichen Herstellern Anpassungen an der Steuerung erfordern einen Fachmann, der nicht immer zur Verfügung steht. Unter Umständen ist ein Stopp und Neustart der Steuerung erforderlich. Da dadurch die Produktion ausgebremst wird, muss dies unbedingt vermieden werden.
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Durch den IO-Link Schnittstellen-Konverter können Sensoren getauscht werden, ohne in die Steuerung einzugreifen.
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Bisher können Sensoren einfach getauscht werden, da die Übergabe der binären Schaltinformationen und analogen Signale einfach und genormt sind. Eine Anpassung kann in jedem Endgerät erfolgen, ein überlagertes System ist hiervon nicht berührt und bekommt sogar nichts hiervon mit.
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Seit Einführung von IO-Link als Kommunikationsschnittstelle hat sich dies geändert. Die Vorteile Identifikation, automatische Re-Parametrierung im Austauschfall und sichere Informationsübertragung, gehen mit dem Nachteil der eindeutigen Identifikationsprüfung einher. Dies bedeutet, dass der Austausch von IO-Link Sensoren im Feld nur gegen baugleiche oder kompatible Sensoren des Herstellers erfolgen kann. Dies ist ein nicht offensichtlicher Nachteil beim Kunden.
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Möglichkeiten hierfür sind:
- • Keine Verwendung von IO-Link → keine Vorteile in der Anlage
- • Deaktivierung der Identifikation → Keine automatisierten Prüfungen beim Austausch eines Sensors, Verlagerung der Verantwortung an den Maschinenbediener, der wiederum wenig Informationen zu den Grundlagen und Einschränkungen hat. Verzicht auf Vorteile wie automatische Reparametrierung im Austauschfall.
- • Gerätehersteller müssen IO-Link kompatible Nachfolger für alle älteren Sensoren entweder in den Nachfolgern oder als separate Geräte anbieten → Erhöhte Komplexität der Geräte bei ungewisser Verwendung, erhöhte Kosten in der Lagerhaltung
Erfindungsgemäße Lösung - • Universaler IO-Link Schnittstellenkonverter zur Umwandlung der Daten aus neueren oder physikalisch kompatiblen Sensoren in ein Format eines älteren, nicht mehr verfügbaren, oder als Ersatzteil vor Ort nicht vorhandenen Sensors.
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Der erfindungsgemäße Konverter löst viele Anforderung, die Kunden an IO-Link haben. Der Maschinenbauer kann das nicht Typ-gleiche Austauschgerät, mit Konverter, zum Kunden schicken. Der Kunde baut beides ein, und damit ist der Austausch vollzogen. Ein Einsatz eines Service-Technikers vor Ort ist nicht erforderlich. Ein Stopp und Neustart der Maschine / Produktionsanlage ist nicht erforderlich.
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Ausgangszustand Fig. 2:
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Am Master ist ein Drucksensor PN7094 der ifm electronic angeschlossen.
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Durch widrige Umstände wurde der Sensor PN7094 beschädigt und muss ausgetauscht werden. Vor Ort steht aber nur ein Drucksensor PV7004 zur Verfügung. Die beiden Sensoren unterscheiden sich in Device-ID, Prozessdatenübertragung, Aufbau der Parameterschnittstelle und Übertragung der Diagnose. Würde als Austauschgerät ein Sensor eines anderen Herstellers eingesetzt werden, müsste zusätzlich noch die Vendor-ID angepasst werden.
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Anpassungen an Vendor- und Device-ID erfordern eine Änderung der Steuerungskonfiguration. Diese erfordert wiederum einen Neustart der Steuerung.
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Änderung der Parameter und Diagnoseübertragung erfordert eine Änderung im Steuerungsprogramm.
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Für beide Tätigkeiten ist ein Fachmann vor Ort oder über einen Fernzugriff erforderlich.
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Durch die Verwendung des IO-Link-Konverters kann auf aufwendige Änderungen in der Anlage verzichtet werden. Er wird zwischen Sensor und IO-Link-Master eingebaut (5), und wandelt die übertragenen Informationen, passend für Sensor und Master, um.
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Übertrag der Geräte Identifikation
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Master Seite
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Sensor Seite
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Vendor ID: 310 |
Vendor ID: 310 |
Device ID: 311 |
Device ID: 715 |
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Ein Vorteil von IO-Link ist, dass über die Hinterlegung der Vendor-ID und der Device-ID im Master, detektiert werden kann, ob das richtige Gerät angeschlossen ist. Was im laufenden Betrieb Sicherheit bringt, erweist sich im Austauschfall als Hürde.
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Der IO-Link Master erwartet ein Gerät mit der Vendor-ID 310 und der Device-ID 311. Das Gerät mit der Vendor-ID 310 und Device-ID 715 kann, von den physikalischen Eigenschaften gesehen, als Ersatz dienen. Welche Kombinationen möglich sind, werden im Konverter von einem Fachmann hinterlegt. Der Konverter überprüft, welches Gerät der Master anfordert und stellt an Hand der Identifikation auf der Sensorseite sicher, dass das Ersatzgerät für die Applikation tauglich ist. Wenn dies der Fall ist, gibt der Konverter auf der Master Seite, die vom Master erwartete Vendor und Device ID aus. So kann ein anderer Gerätetyp eingebaut werden, ohne dass Anpassungen im Master oder in der Steuerung erforderlich sind. Es bleibt aber sichergestellt, dass kein ungeeignetes Gerät in die Applikation eingebracht werden kann.
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Diese Funktion ist nicht auf einen Hersteller bezogen. Im Konverter können auch hersteller-übergreifende Konfigurationsdateien hinterlegt werden. So kann, ohne Anpassungen, ein Gerät des Herstellers A, gegen ein Gerät des Herstellers B getauscht werden.
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Prozessdaten
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Das Format, wie Prozessdaten wie z.B. Druck und Temperatur, vom Sensor, über den Master zur Steuerung übertragen werden, wurde im Laufe der Entwicklung von IO-Link optimiert.
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Auf der linken Seite ist die Prozessdatenübertragung eines älteren Gerätes dargestellt.
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Auf der rechten Seite die Prozessdaten eines neueren Gerätes, das bereits dem SmartSensorProfil Ed2 entspricht.
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Master und Steuerung erwarten die Übertragung im alten Format, der Sensor gibt die Prozessdaten im neuen Format aus. Schon durch Betrachtung der Grafiken, ist zu erkennen, dass hier ein Konflikt vorliegt. Dieser wird durch den Konverter gelöst. Der Konverter nimmt die Informationen im Format des Sensors auf und wandelt sie so, dass sie den Erwartungen von Master und Steuerung entsprechen. Die Wandlung erfolgt nach Vorlage von im Konverter hinterlegten Dateien. Der Konverter erkennt, auf der Basis von der Vendor und der Device-ID aus der Masteranfrage und des Sensors, welche Umrechnung er vornehmen muss und führt diese automatisch aus. Ein Sensor kann so getauscht werden, ohne die Hardwarekonfiguration von Master und Steuerung zu verändern. Anpassungen im Programm der Steuerung sind nicht notwendig.
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Die Umrechnung der Prozessdaten lässt sich, durch Hinterlegung der entsprechenden Informationen im Konverter, auch herstellerübergreifend ausführen. Parameter:
SP1 | Schaltpunkt 1, [SP1] muss größer als [rP1] sein. Bitte berücksichtigen sie den aktuellen [rP1]. Wird der [SP1] unter den [rP1] gestellt, so wird dies abgelehnt. |
65 | Sub 0 | IntergerT | 16 Bit | rw | 250 | -90 to 1000 | 0.01 | 0 | bar |
SP_FH1 | Schaltpunkt 1, [SP1] muss größer als [rP1] sein. Bitte berücksichtigen sie den aktuellen [rP1]. Wird der [SP1] unter den [rP1] gestellt, so wird dies abgelehnt. | 583 | Sub 0 | IntergerT | 16 Bit | rw | 250 | -90 to 1000 | 0.01 | 0 | bar |
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Parameter für die gleiche Funktion, hier als Beispiel die Einstellung eines Schaltpunktes, sind bei IO-Link nicht genormt. Sie können auf unterschiedlichen Index-Nummern liegen und in verschiedenen Formen übertragen werden.
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Zum Teil haben die Hersteller eigene hausinterne Standards festgelegt. Diese unterscheiden sich aber von Hersteller zur Hersteller.
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Anwender von IO-Link gehen immer mehr dazu über, die Parametereinstellung in der Steuerung zu hinterlegen. Dadurch kann nicht nur ein Backup der Einstellungen realisiert werden. Es werden produktions-abhängige Parameterdatensätze angelegt und abhängig vom aktiven Produkt in die Sensorik gespielt (Industrie 4.0 Losgröße 1). Wenn sich die Parameter zwischen ursprünglichem Gerät und Austauschgerät unterscheiden, ist dies so nicht mehr möglich. Es sind aufwendige Anpassungen an der Steuerung erforderlich.
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Der IO-Link Konverter hebt diese Schranke auf, in dem er die Parameter entsprechend wandelt und auf die betreffenden Index-Nummern umleitet.
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Wenn, wie in diesem Beispiel, das SPS-Programm, dass noch auf dem Stand des ursprünglichen Sensors arbeitet, einen Schreibzugriff auf den Index 65 ausführt, um die Einstellung des Schaltpunktes anzupassen, leitet der Konverter diesen auf den Index 583 im neuen Sensor um. Der Konverter passt automatisch Datentyp, physikalische Einheit und Nachkommastellen an. Anpassungen in der Software der Steuerung sind nicht erforderlich. Alle Anpassungen, die die unterschiedliche Parameterstruktur zwischen Vorgänger-Gerät und aktuellem Gerät erfordert, werden vom Konverter übernommen.
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Diese Funktion kann herstellerübergreifend ausgeführt werden. Es ist lediglich erforderlich, dass die entsprechenden Informationen im Konverter vorhanden sind.
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Diagnosemeldungen
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Ein Vorteil von IO-Link ist, dass Sensoren und Aktuatoren Diagnose-Informationen zur Verfügung stellen können. Diese Diagnosemeldungen werden als Events bezeichnet.
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Ein Teil der Events wurde von der IO-Link Community in der IO-Link Spezifikation festgelegt, ein anderer Teil ist herstellerspezifisch.
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Der herstellerspezifische Teil kann frei genutzt werden. Die Eventnummern können in diesem Teil selbst gewählt werden. Events
Code | Name | Type | Description |
20480 d / 50 00 h | Hardewarefehler im Gerät | Error | Tauschen Sie das Gerät aus |
25376 d / 63 20 h | Parameterfehler | Error | Überprüfen Sie das Datenblatt und die Werte |
25377 d / 63 21 h | Parameter fehlt | Error | Überprüfen Sie das Datenblatt |
30480 d / 77 10 h | Kurzschluss | Error | Überprüfen Sie die Installation |
35856 d / 8C 10 h | Prozesswert oberhalb des gültigen Bereichs | Warning | Prozesswert unsicher |
35888 d / 8C 30 h | Prozesswert unterhalb des gültigen Bereichs | Warning | Prozesswert unsicher |
35841 d / 8C 01 h | Simulation aktiv | Warning | Überprüfen Sie den Betriebsmodus |
36026 d / 8C BA h | Sonde abgefallen | Error | Problem beheben |
36028 d / 8C BC h | Kein Reflexionssignal | Error | Ggf. Sonde falsch eingestellt |
36350 d / 8D FE h | Test Event 1 | Warning | Event kommt bei Setzen von Index 2 auf den Wert 240, Event geht bei Setzen von Index 2 auf den Wert 241 |
36351 d / 8D FF h | Test Event 2 | Warning | Event kommt bei Setzen von Index 2 auf den Wert 242, Event geht bei Setzen von Index 2 auf den Wert 243 |
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Als Beispiel:
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Die ifm electronic hat beim Füllstand-Sensor LR2750 das Signal „Sonde abgefallen“ auf das Event 0x8CBA gelegt. Tritt dieses Event auf, weiß der Instandhalter, dass nicht der Sensor gewechselt, sondern lediglich die Sonde wieder angeschraubt werden muss. So wird eine schnelle Fehlerbehebung ermöglicht.
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Da dieses Signal aber nicht in der IO-Link Spezifikation genormt ist, kann es vorkommen, dass diese Information bei einem anderen Geräte-Typ oder beim Füllstandsensor eines anderen Herstellers, mit einem anderen Code übertragen wird. Die Steuerung, die das Event auswertet und die Fehlermeldung auf dem HMI generiert, erwartet das Signal aber mit dem Code Ox8CBA.
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Der IO-Link Konverter schiebt diese herstellerspezifischen Events automatisch auf den Code, den das Vorgängergerät benutzt hat. Die dazu erforderlichen Informationen sind im Konverter hinterlegt. So kann der Sensor gewechselt werden, ohne dass Änderungen in der Steuerung erforderlich werden. Die Diagnose-Informationen stehen aber weiterhin zur Verfügung.
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Die Informationen, die der Konverter für die Umwandlung der oben beschriebenen Daten braucht, werden von Fachleuten mit einer entsprechenden Software vorgenommen und getestet. So wird sichergestellt, dass nur sinnvolle Kombinationen möglich sind, und diese einwandfrei funktionieren. Für den Anwender soll der IO-Link Konverter Plug&Play sein.
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Es werden auch funktionelle Konfigurationen vorgesehen. Als Beispiel: Ein 10 bar Sensor ist ausgefallen. In vielen Applikationen ist es messtechnisch möglich, diesen vorübergehend auch durch einen, vor Ort verfügbaren, 25 bar Sensor zu ersetzen. Der Konverter unterstützt dies automatisch und ermöglicht den Austausch, ohne dass Anpassungen an Steuerung und IO-Link Master erforderlich sind. Nicht sinnvolle Kombinationen, wie der Austausch eines 10 bar Gerätes, durch ein 2,5 bar Gerät, werden vom Konverter nicht unterstützt
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Durch die permanente Weiterentwicklung von Geräten und IO-Link, wird es Kombinationen geben, die bei der Auslieferung des Konverters noch nicht vorgesehen waren. Dies stellt aber kein Problem dar. Die neuen Kombinationen werden in die Konfiguration des Konverters aufgenommen. Dem Kunden wird ein Update für den Konverter zur Verfügung gestellt. Diese kann vor Ort aufgespielt werden. So kann ein Konverter permanent auf aktuellem Stand gehalten und für alle Geräte eingesetzt werden.
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Parallel dazu kann die Software zur Erstellung der Konverter Konfigurationsdateien auch an Kunden gegeben werden. Fachleute vor Ort können Kombinationen, die aktuell noch nicht vorgesehen waren, selbst schnell und einfach einfügen, und so die Anlagenstillstandszeit auf Grund eines Sensorausfalls minimieren.
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Zusätzlich zu den Sensoren, können auch IO-Link Aktuatoren wie z.B. Proportionalventile, in die Konverter Konfiguration eingebunden werden. Damit wird der Typ- und Herstellerübergreifende Austausch auch für Aktuatorik ermöglicht.