Industrial Internet of Things

Batterielose Funksensoren im Einsatz für das IIoT

| Autor / Redakteur: Andreas Schneider * / Hendrik Härter

Der Sensor spielt in der Industrie eine Schlüsselrolle. Ist dieser mit Funktechnik ausgestattet und kommt ohne Betrieb aus, funken die Sensoren ihre Messdaten lokal oder in die Cloud.
Der Sensor spielt in der Industrie eine Schlüsselrolle. Ist dieser mit Funktechnik ausgestattet und kommt ohne Betrieb aus, funken die Sensoren ihre Messdaten lokal oder in die Cloud. (Bild: Pixabay / CC0)

Sensoren sind die Schnittstelle zwischen der analogen und der digitalen Welt. Werden batterielose Sensoren mit Funktechnik kombiniert, dann lassen sich selbst bewegte Teile oder hermetisch abgeschlossene Umgebungen überwachen.

Sensoren haben eine Schlüsselfunktion in der industriellen Produktion. Sie können beispielsweise zur Qualitäts- und Prozessüberwachung oder zustandsbasierten Wartung eingesetzt werden. Das Anwendungsspektrum ist groß und entwickelt sich aufgrund des zunehmenden Einsatzes von Funksensoren in Richtung eines industriellen Internets der Dinge (IIoT). Durch die Kombination von Funk mit lokalen Energiewandlern können batterielose und dadurch wartungsfreie Sensoren auch direkt an bewegten Teilen oder in hermetisch abgeschlossener Umgebung eingesetzt werden. Beispielsweise zum Messen von Durchfluss, Druck und Temperatur von Flüssigkeiten oder Gasen.

Die meisten Sensoren in der industriellen Produktion arbeiten mit Kabeln. Dieser Ansatz verhindert jedoch, dass diese direkt an beweglichen Teilen eingesetzt werden können. Drahtlose Sensoren bieten hier eine Alternative, aber der Aspekt der Stromversorgung und der daraus resultierenden Wartung muss sorgfältig abgewogen werden. EnOcean-basierte Sensoren kombinieren Funk mit dem sogenannten Energy Harvesting und ermöglichen so neue Anwendungen ohne Wartungsanforderungen.

Sensoren in der Qualitätskontrolle

Qualitätsüberwachung ist ein zentraler Aspekt des Produktionsprozesses der sicherstellt, dass das Endprodukt zuvor definierten Parametern entspricht. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen eine Vielzahl von Parametern überwacht werden, beispielsweise Umweltfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und Luftqualität; Prozessfaktoren wie Geschwindigkeit, Kraft, Druck und Temperatur oder Materialfaktoren wie die verwendeten Ausgangsmaterialien.

Viele dieser Parameter eignen sich für eine automatisierte Überwachung mithilfe von Sensoren. In der Praxis wird dies aber noch nicht vollständig umgesetzt. Die Gründe hierfür sind komplex, am häufigsten liegt dies an erforderlichen Investitionen für neue Werkzeuge, Maschinen oder Sensoren, die notwendige Schulung der Mitarbeiter, hohe Wartungskosten sowie eine schwierige Rentabilitätseinschätzung. Im Idealfall lassen sich Sensoren optimal in bestehende Produktionsprozesse einfügen und erfordern weder spezielle Schulungen noch verursachen sie Folgekosten im laufenden Betrieb.

Wartungsfreie Prozessüberwachung

Ziel des Prozessmonitorings ist es, eine definierte Produktionsmenge sicherzustellen, die unter Berücksichtigung verschiedener Parameter wie der erforderlichen Zeit, Material und Personal erreicht wird. Abweichungen im Produktionsprozess müssen daher frühzeitig erkannt und Ausfälle vermieden werden. Die Integration von Funksensoren in der Produktion bietet entscheidende Vorteile: kabellose Sensoren können beispielsweise in hermetisch abgeschlossenen Umgebungen wie Rohrleitungen zur Messung von Durchfluss, Druck und Temperatur von Flüssigkeiten oder Gasen eingesetzt werden.

„Wartungsfreie Sensoren für das IIoT“ Mit energieautarken Sensoren lassen sich effiziente Anwendungen für das industrielle Internet der Dinge (IIoT) aufbauen. Für die Industrie sind die gesammelten Sensor-Daten vergleichbar wie Rohöl. Die Anwendungen sind fast grenzenlos, wenn die Sensoren mit Funktechniken und wartungsfreien Energiequellen verbunden werden. Treffen Sie den Autor am 24. Oktober in Nürnberg und diskutieren Sie mit ihm die Möglichkeiten.

Ein zentraler Aspekt der Qualitätssicherung ist es, Maschinen für die Produktion zu überwachen. Sie unterliegen dem Verschleiß, daher sind eine frühzeitige Erkennung von Problemen sowie entsprechende Gegenmaßnahmen wichtige Voraussetzungen für eine kontinuierliche Qualitätssicherung und zum Schutz vor Produktionsausfällen. Ein grundlegendes Problem der Wartungsplanung besteht in der Berechnung der Intervalle zwischen jeder Wartung. Auf der einen Seite muss die Zeit zwischen den Wartungsterminen möglichst kurz sein, um eventuelle Abweichungen vor dem Auftreten eines größeren Problems zu erkennen. Auf der anderen Seite sind mit jeder Wartung hohe Kosten für Personal und stillstehende Maschinen verbunden.

In vielen Fällen ist es möglich, wertvolle Informationen zu gewinnen, indem wenige, einfache Parameter überwacht werden. Beispiele für solche Parameter sind die Temperatur, da Verschleiß oft zu höherer Reibung führt, was sich wiederum in einem Temperaturanstieg an der Maschine zeigt. Ein weiterer Parameter ist Schall, erfahrene Mitarbeiter können Verschleiß an Maschinen oft schon anhand abweichender Geräusche erkennen. Vibrationen spielen ebenfalls eine Rolle, da die Kombination von Verschleiß und Reibung häufig zu Asymmetrien in der Maschinengeometrie führt, die sich insbesondere bei rotierenden Maschinen durch Vibrationen äußern.

Batterielose Funksensoren

Aus den vorangegangenen Überlegungen wird deutlich, dass kabellose Sensoren entscheidende Vorteile für verschiedene Anwendungen in der Produktion bieten. Allerdings gilt es zu beachten, dass auch diese Sensoren ständig mit Energie versorgt werden müssen. Insbesondere beim Einsatz an schwer zugänglichen Stellen, wie integriert in Maschinen, Werkzeugen oder Leitungen, gilt es die Nachteile einer möglichen Wartung aufgrund des notwendigen Batteriewechsels sorgfältig abzuwägen. Kabel- und batterielose Funksensoren hingegen ermöglichen völlig neue Ansätze. Batterielose Funksensoren nutzen Licht, Bewegung oder Temperaturunterschiede in ihrer unmittelbaren Umgebung als Energiequelle. Energiewandler "ernten" dabei kleinste Mengen Energie für den Betrieb und die Funkkommunikation von Sensoren, Schaltern oder Aktoren.

Im industriellen Bereich sind insbesondere kinetische und thermische Energiewandler relevant. Kinetische Energiewandler gewinnen Energie durch Bewegung, zum Beispiel durch seitliche Bewegung (wie wenn ein Schalter gedrückt wird), Vibration oder Rotation um eine Achse. Thermische Energiewandler nutzen Temperaturdifferenzen zur Erzeugung von Energie. Hier kann die Kombination aus einem thermoelektrischen Wandler und einem Spannungsverstärker bereits Temperaturdifferenzen von zwei Grad Celsius in nutzbaren Strom umwandeln.

Batterielosen Funktechnik in der Praxis

Ein Beispiel für eine erfolgreich umgesetzte IoT-Lösung auf Basis der batterielosen Funktechnik ist die Kabelbaumsensorik der Firma SEMD. Die ursprüngliche Problemstellung lag in der Erhöhung der mechanischen Qualität bei der Produktion von Kabelbäumen für den Fahrzeugbau. Fehlende Stecker oder Befestigungsclips oder deren falsche Positionierung führen zu einer Sonderbehandlung des Fahrzeugs in der Produktionslinie und damit zu immensen Kosten. Die von SEMD entwickelten Sensoren sind direkt auf den mobilen Montagebrettern für die Kabelproduktion montiert und senden bei jeder mechanischen Betätigung beim Einlegen oder Entfernen eines Clips oder Steckers ein codiertes Signal. Die batterielosen Funksensoren erzeugen die benötigte Energie aus der kinetischen Betätigung, eine kostenintensive Wartung durch anfallende Batteriewechsel entfällt. Eine Datenbank wertet die Signale aus, vergleicht die Werte mit den Sollwerten des individuellen Kabelbaums und erteilt anschließend grünes Licht bzw. Hinweise zur Nachkontrolle des Kabelbaums.

Nach erfolgreicher Umsetzung der Lösung lag der Schritt zur IoT-Lösung nahe: Die Sensoren liefern nicht nur Hinweise über die Stecker, sondern können in Verbindung mit Zeitinformationen und weiteren Daten aus der Produktion zu erheblichen Effizienzsteigerungen bei der Produktion führen. So können beispielsweise Arbeitsabläufe und Laufwege der Produktionsmitarbeiter optimiert werden und damit wertvolle Zeit bei der Produktion eingespart werden.

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15.09.18 - Sensoren werden immer komplexer und die Anwendungsbereiche vielschichtiger. So verlangt die Medizintechnik andere Sensoren als Smart Home oder Drohnen. Dieser Beitrag gibt Tipps zur richtigen Auswahl. lesen

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Elektronikpraxis erschienen.

* Andreas Schneider ist Geschäftsführer und Mitbegründer von EnOcean in Oberhaching bei München.

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