Feldbusse, IO-Link und Aktoren in der Automatisierung

Feldbusse, IO-Link und Aktoren in der Automatisierung

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tl/dr; (ca. 18 min Lesezeit): Sensoren melden der Steuerung, was in der Anlage passiert, Aktoren setzen ihre Befehle in Bewegung, Wärme, Licht oder Durchfluss um – und immer öfter hängen beide an einem Bus statt an einzelnen Klemmen. Dieser Artikel zeigt Schritt für Schritt, wie Du Sensoren und Aktoren unterscheidest und Aktoren nach Wirkprinzip ordnest, welche Schnittstelle zu welchem Aktor passt, wie ein Master-Slave-Bus seine Teilnehmer zyklisch abfragt, wie Du daraus Zykluszeit und längste Reaktionszeit berechnest und was Echtzeit dabei bedeutet, was intelligente Sensoren als Busteilnehmer leisten und wie sich IO-Link und Single Pair Ethernet von klassischen Feldbussen unterscheiden [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 11.11.2026)

Dieser Artikel baut auf der Kann-Liste des Artikels SPS-Grundlagen auf.

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Eine Verpackungsmaschine hat 60 Sensoren und 40 Aktoren. Früher lief von jedem Endschalter, jedem Ventil und jeder Meldeleuchte eine eigene Leitung bis zur Klemme der SPS im Schaltschrank. Heute sammelt ein Feldbus die Signale vor Ort ein und bringt sie über eine einzige Leitung zur Steuerung; intelligente Sensoren melden dabei nicht nur ihren Messwert, sondern auch, dass sie verschmutzt sind. Damit das funktioniert, musst Du wissen, wer in der Anlage misst und wer stellt, wie ein Aktor angesteuert wird und wie lange ein Signal über den Bus unterwegs ist.

Wie Geber und Aktoren an die Klemmen einer SPS angeschlossen werden und wie die SPS ihr Programm zyklisch bearbeitet, zeigt der Artikel SPS-Grundlagen. Hier geht es um die Feldebene, also die unterste Ebene der Automatisierungspyramide: um die Aufgabenverteilung zwischen Sensoren und Aktoren und um die Busse, über die sie mit der Steuerung sprechen. Die Ebenen darüber und die Protokolle Modbus, EtherCAT, OPC UA und MQTT behandelt der Artikel Industrielle Kommunikation.

Zum Üben gibt es einen eigenen Artikel mit Aufgaben und einblendbaren Beispiellösungen: Übungsaufgaben zu Feldbussen, IO-Link und Aktoren.

Schritt 1: Sensoren und Aktoren unterscheiden

Ein Sensor erfasst eine physikalische Größe (Weg, Druck, Temperatur, Anwesenheit eines Werkstücks) und wandelt sie in ein elektrisches Signal für die Steuerung um: Er liefert die Eingangssignale. Ein Aktor arbeitet in die Gegenrichtung: Er wandelt ein elektrisches Stellsignal der Steuerung in eine physikalische Wirkung um – Bewegung, Kraft, Wärme, Licht, Schall oder einen geänderten Durchfluss. Er setzt die Ausgangssignale um. Die Steuerung selbst, Netzteile, Klemmen, Leitungen und Kommunikationsbaugruppen gehören zu keiner der beiden Gruppen.

Aktoren lassen sich nach ihrem Wirkprinzip in Gruppen einteilen:

Bei zusammengesetzten Einheiten hilft die Frage, wo die Wirkung entsteht: Der Pneumatikzylinder schiebt das Werkstück, das vorgeschaltete Magnetventil ist das elektrisch angesteuerte Stellglied – beide gehören zur Aktorik. Ein Frequenzumrichter stellt Drehzahl und Drehmoment eines Motors; er ist ein Stellglied des Antriebs und zählt mit dem Motor zur Aktorik, nicht zur Steuerung (siehe Motoren).

Schritt 2: Aktoren über Schnittstellen ansteuern

Welche Schnittstelle zu einem Aktor passt, hängt davon ab, ob er nur ein- und ausgeschaltet oder stufenlos gestellt wird und wie viel Leistung er braucht:

Ein Beispiel: Ein Magnetventil mit 24 V DC und 6 W nimmt I = \frac{P}{U} = \frac{6\ \mathrm{W}}{24\ \mathrm{V}} = 0{,}25\ \mathrm{A} auf. Das schafft ein Transistorausgang mit 0,5 A direkt; parallel zur Spule sitzt eine Freilaufdiode. Ein Drehstrommotor mit 4 kW braucht dagegen ein Schütz oder einen Frequenzumrichter: Der SPS-Ausgang schaltet dann nur die Schützspule bzw. gibt dem Umrichter Befehl und Sollwert.

Schritt 3: Master-Slave-Verfahren mit zyklischem Polling

In der Aktor-Sensor-Ebene, dem unteren Teil der Feldebene mit vielen einfachen Teilnehmern, arbeiten die meisten Busse nach dem Master-Slave-Verfahren: Ein einziger Master (Steuerung oder Buskoppler) organisiert den Bus. Die Slaves (Sensoren, Aktoren, E/A-Module) senden nie von sich aus, sondern nur, wenn sie gefragt werden. Der Master fragt sie zyklisch in fester Reihenfolge ab (Polling): Er schickt Slave 1 eine Anfrage mit dessen Ausgangsdaten, Slave 1 antwortet mit seinen Eingangsdaten, dann ist Slave 2 an der Reihe und so weiter. Nach dem letzten Slave beginnt der nächste Buszyklus. So arbeiten z. B. AS-Interface, PROFIBUS DP und Modbus RTU (Modbus beschreibt der Artikel Industrielle Kommunikation); auch IO-Link fragt sein Gerät zyklisch ab.

Anders arbeitet der CAN-Bus, auf dem in der Automatisierung meist das Protokoll CANopen läuft: Dort darf jeder Teilnehmer senden, und eine bitweise Arbitrierung über den Identifier entscheidet ohne Datenverlust, wer den Bus bekommt. Mehr dazu im Artikel CAN-Bus.

Weil immer nur einer sendet, gibt es keine Kollisionen, und die Zykluszeit lässt sich vorab berechnen. Braucht eine Abfrage (Anfrage, Antwort und Pausen) die Zeit t_\mathrm{T} und legt der Master nach jedem Durchlauf eine Verwaltungspause t_\mathrm{P} ein, gilt für n Slaves:

t_\mathrm{Zyklus} = n \cdot t_\mathrm{T} + t_\mathrm{P}

Mit 8 Slaves, t_\mathrm{T} = 0{,}2\ \mathrm{ms} und t_\mathrm{P} = 0{,}4\ \mathrm{ms} dauert ein Buszyklus 8 \cdot 0{,}2\ \mathrm{ms} + 0{,}4\ \mathrm{ms} = 2{,}0\ \mathrm{ms}. Die Grafik zeigt, was das für ein Ereignis bedeutet: Schaltet Sensor 3 kurz nach seiner Abfrage, erfährt der Master davon erst im nächsten Zyklus. Im ungünstigsten Fall vergeht also fast ein ganzer Buszyklus, bis der neue Wert beim Master ist – aber nie mehr.

Schritt 4: Reaktionszeit und Echtzeitverhalten

Im Alltag heißt „Echtzeit“ oft einfach „schnell“. In der Automatisierung ist der Begriff genauer: Ein Bussystem ist echtzeitfähig, wenn für jede Übertragung eine Frist festgelegt ist und das System nachweisbar zusagt, sie in jedem Fall einzuhalten – auch wenn alle Teilnehmer gleichzeitig etwas melden. Entscheidend ist also nicht die mittlere Geschwindigkeit, sondern die Vorhersagbarkeit (Determinismus) der längsten Wartezeit. Bei harter Echtzeit ist eine überschrittene Frist ein Fehler mit Folgen (eine Pumpe läuft trocken, ein Greifer schließt zu spät), bei weicher Echtzeit mindert sie nur die Qualität (ein Messwert erscheint später in der Visualisierung). Latenz, Jitter und Echtzeit-Ethernet behandelt der Artikel Industrielle Kommunikation.

Für die Reaktionszeit einer Anlage, etwa vom Schalten eines Sensors bis zum Schalten eines Aktors am selben Bus, addierst Du die ungünstigsten Fälle: bis zu einen Buszyklus, bis der Wert im Prozessabbild der SPS liegt, bis zu zwei SPS-Zyklen, weil das Signal knapp nach dem Einlesen kommen kann, und noch einmal bis zu einen Buszyklus, bis der Aktor seinen neuen Ausgangswert erhält. Mit dem Bus aus Schritt 3 und einem SPS-Zyklus von 10 ms sind das höchstens 2{,}0\ \mathrm{ms} + 2 \cdot 10\ \mathrm{ms} + 2{,}0\ \mathrm{ms} = 24\ \mathrm{ms}.

Daraus ergeben sich Stärken und Schwächen des Verfahrens:

• Deterministisch: Die längste Wartezeit ist bekannt. Damit ist das Verfahren echtzeitfähig im Sinne des Abschnitts oben, auch wenn die Datenrate gering ist.
• Einfache Slaves: Ein Slave muss nur antworten können und keine Regeln für den Buszugriff kennen.
• Mehr Teilnehmer, längerer Zyklus: Jeder zusätzliche Slave verlängert den Zyklus um t_\mathrm{T}; bei AS-Interface dauert ein Zyklus mit 31 Standard-Teilnehmern etwa 5 ms.
• Ereignisse warten: Auch ein dringendes Signal ist erst bei der nächsten Abfrage an der Reihe, und der Master fragt auch Slaves ab, deren Werte sich nicht geändert haben.
• Zentraler Master: Fällt er aus, steht der ganze Bus.

Schritt 5: Sensoren als Busteilnehmer

Ein klassischer Sensor liefert nur ein Schaltsignal oder einen Analogwert an eine Eingangsklemme. Ein intelligenter Sensor bringt einen eigenen Mikrocontroller mit: Er bereitet das Messsignal selbst auf und digitalisiert es, lässt sich über den Bus parametrieren (Schaltpunkt, Filter, Messbereich), überwacht sich selbst und meldet Diagnosen (Verschmutzung, Übertemperatur, Fehler im Messfühler). Die Merkmale im Einzelnen beschreibt der Artikel Sensoren und Aktoren einsetzen.

Im Bussystem ist ein solcher Sensor ein Slave bzw. Device mit eigener Adresse oder eigenem Port. Er tauscht drei Arten von Daten aus:

• Prozessdaten (Messwert, Schaltzustand) zyklisch in jedem Buszyklus,
• Parameter (Schaltpunkt, Messbereich) azyklisch, wenn der Master sie liest oder schreibt, z. B. beim Anlauf oder nach einem Gerätetausch,
• Diagnose- und Ereignisdaten, die der Sensor bei der nächsten Abfrage als Meldung kennzeichnet.

Die Steuerung erhält so statt eines nackten Spannungswerts einen fertig skalierten Messwert mit Gütestatus und kann einen Ausfall von einem echten Prozesszustand unterscheiden.

Schritt 6: IO-Link bis zum letzten Meter

IO-Link (IEC 61131-9) ist kein Feldbus, sondern eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen einem Sensor oder Aktor (dem IO-Link-Device) und einem Port des IO-Link-Masters. Der Master hat meist 4 oder 8 Ports und hängt selbst an einem Feldbus oder an Industrial Ethernet. Für die Verbindung genügt die übliche ungeschirmte Sensorleitung mit drei Adern (L+, C/Q, L−; meist M12-Steckverbinder) bis 20 m Länge.

• Zwei Betriebsarten: Im SIO-Modus (Standard I/O) verhält sich das Gerät wie ein normaler Schaltsensor, im COM-Modus überträgt es Daten digital über die Schaltleitung C/Q. Ein IO-Link-Sensor arbeitet deshalb auch an einem einfachen Digitaleingang.
• Übertragungsraten: COM1 mit 4,8 kbit/s, COM2 mit 38,4 kbit/s, COM3 mit 230,4 kbit/s. Der Master fragt sein Device zyklisch ab – auch IO-Link folgt also dem Master-Slave-Prinzip, mit genau einem Slave je Port.
• Gerätebeschreibung: Eine IODD-Datei (IO Device Description) beschreibt Prozessdaten, Parameter und Diagnosemeldungen des Geräts.
• Gerätetausch: Der Master speichert die Parameter seiner Devices (Data Storage). Wird ein defekter Sensor durch einen gleichen ersetzt, überträgt der Master sie automatisch – ohne Programmiergerät.
• Port-Klassen: Class A hat an Pin 2 einen zusätzlichen Schaltkanal, Class B dort und an Pin 5 eine getrennte Hilfsenergie, z. B. für Ventilinseln und andere Aktoren.

Schritt 7: Single Pair Ethernet bis zum Feldgerät

IO-Link endet am Master, und der Master braucht wieder einen Feldbus oder Ethernet. Single Pair Ethernet (SPE) bringt Ethernet direkt bis zum Sensor – über ein einziges verdrilltes Adernpaar:

• 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg, 2019): 10 Mbit/s vollduplex, Punkt-zu-Punkt bis 1000 m; Daten und Energie können über dasselbe Adernpaar laufen. Die Variante Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) ist für explosionsgefährdete Bereiche der Prozessindustrie ausgelegt.
• 10BASE-T1S: 10 Mbit/s für kurze Strecken bis etwa 25 m, auch als Bus mit mehreren Teilnehmern an einer Leitung.

Der Vorteil ist eine durchgängige Kommunikation: Das Feldgerät hat eine IP-Adresse und lässt sich z. B. direkt per OPC UA oder über ein Industrial-Ethernet-Protokoll ansprechen – ohne Gateway, das Daten umsetzen muss. Dafür braucht jedes Gerät einen Ethernet-Port und jedes Kabel einen Switch-Port, die Steckverbinder (IEC 63171) sind neu, und für einfache Schaltsensoren lohnt sich der Aufwand selten.

Schritt 8: Feldbus, IO-Link und SPE abgrenzen

In vielen Anlagen ergänzen sich die drei: Klassische Feldbusse bleiben für viele einfache, eng beieinanderliegende Teilnehmer wirtschaftlich, IO-Link macht einzelne Sensoren und Aktoren intelligent und tauschbar, und SPE schließt Geräte über weite Strecken ohne Umsetzung direkt ans Ethernet an.

Wie geht es weiter?

• Aufgaben zu allen Schritten dieses Artikels: Übungsaufgaben zu Feldbussen, IO-Link und Aktoren

• Geber und Aktoren an SPS-Klemmen, Prozessabbild und SPS-Zyklus: SPS-Grundlagen

• Messprinzipien, Kennlinien und Normsignale von Sensoren: Sensoren und Aktoren einsetzen

• Automatisierungspyramide, Echtzeit-Ethernet, Modbus, EtherCAT, OPC UA und MQTT: Industrielle Kommunikation

• Motoren als Aktoren: Elektromotoren und Motoransteuerung

Leitfragen

1. Woran unterscheidest Du Sensoren und Aktoren, und wonach wählst Du die Schnittstelle zu einem Aktor aus? Antwort

Sensoren erfassen eine physikalische Größe und liefern Eingangssignale, Aktoren wandeln Stellsignale in eine Wirkung wie Bewegung, Wärme, Licht oder Durchfluss um. Aktoren lassen sich nach ihrem Wirkprinzip gruppieren (elektromagnetisch, elektromotorisch, fluidisch, thermisch, optisch/akustisch, piezoelektrisch). Die Schnittstelle richtet sich danach, ob der Aktor nur geschaltet oder stufenlos gestellt wird und wie viel Strom er braucht: binärer Ausgang, Koppelrelais oder Schütz, Analogausgang, Pulsausgang oder Busschnittstelle. siehe Abschnitt „Schritt 1: Sensoren und Aktoren unterscheiden“ und Abschnitt „Schritt 2: Aktoren über Schnittstellen ansteuern“

2. Wie arbeitet das Master-Slave-Verfahren mit zyklischem Polling, und wie berechnest Du die Zykluszeit? Antwort

Ein Master fragt alle Slaves nacheinander in fester Reihenfolge ab; Slaves senden nur auf Anfrage, deshalb gibt es keine Kollisionen. Nach dem letzten Slave und einer Verwaltungspause beginnt der nächste Buszyklus: t_\mathrm{Zyklus} = n \cdot t_\mathrm{T} + t_\mathrm{P}. siehe Abschnitt „Schritt 3: Master-Slave-Verfahren mit zyklischem Polling“

3. Was bedeutet Echtzeitverhalten in der industriellen Kommunikation, und warum ist ein Bus mit zyklischem Polling echtzeitfähig? Antwort

Echtzeitfähig ist ein System, das eine festgelegte Frist in jedem Fall nachweisbar einhält; es kommt auf die Vorhersagbarkeit der längsten Wartezeit an, nicht auf die mittlere Geschwindigkeit. Beim Polling wartet ein neuer Wert höchstens einen Buszyklus auf seine Abfrage; die längste Reaktionszeit vom Sensor bis zum Aktor (zwei Buszyklen plus zwei SPS-Zyklen) lässt sich also vorab berechnen und mit der Frist vergleichen. Nachteile: Mit jedem Slave wird der Zyklus länger, Ereignisse warten auf ihre Abfrage, und ohne Master steht der Bus. siehe Abschnitt „Schritt 4: Reaktionszeit und Echtzeitverhalten“

4. Was unterscheidet einen intelligenten Sensor von einem klassischen, und welche Daten tauscht er als Busteilnehmer aus? Antwort

Er bereitet das Messsignal selbst auf und digitalisiert es, lässt sich über den Bus parametrieren, überwacht sich selbst und meldet Diagnosen. Am Bus ist er ein Slave bzw. Device: Prozessdaten laufen zyklisch, Parameter azyklisch bei Bedarf, Diagnose- und Ereignisdaten als Meldung bei der nächsten Abfrage. siehe Abschnitt „Schritt 5: Sensoren als Busteilnehmer“

5. Wie grenzen sich IO-Link und Single Pair Ethernet von klassischen Feldbussen ab? Antwort

Ein Feldbus verbindet viele Teilnehmer über eine gemeinsame Leitung mit Busadressen. IO-Link ist eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen einem Gerät und einem Master-Port über eine 3-adrige Standardleitung bis 20 m; der Master hängt am Feldbus, Parameter werden im Master gespeichert. Single Pair Ethernet (10BASE-T1L) bringt Ethernet über ein Adernpaar bis 1000 m direkt zum Gerät, das damit eine IP-Adresse hat und ohne Gateway erreichbar ist. siehe Abschnitt „Schritt 6: IO-Link bis zum letzten Meter“, Abschnitt „Schritt 7: Single Pair Ethernet bis zum Feldgerät“ und Abschnitt „Schritt 8: Feldbus, IO-Link und SPE abgrenzen“

Links und weitere Informationen

• zum Üben: Übungsaufgaben zu Feldbussen, IO-Link und Aktoren

• Voraussetzung: SPS-Grundlagen

• zu Automatisierungspyramide, Echtzeit, Modbus, EtherCAT, OPC UA und MQTT: Industrielle Kommunikation

• zu Messprinzipien und Kennlinien von Sensoren: Sensoren und Aktoren einsetzen

• zu Motoren als Aktoren: Elektromotoren

• als Nachschlagewerk: IO-Link Community – Technologie

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: IO-Link

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: AS-Interface

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