Smarte Sensoren

Andreas Mühlbauer,

Grundlage für zahlreiche Industrie-4.0-Anwendungen

Sogenannte Smart Factory- und Smart Shipping-Anwendungen lassen sich nur mit intelligenten Sensoren realisieren, in denen die immensen Datenmengen bereits vorverarbeitet und komprimiert werden.

Kürzere Entwicklungszeiten, virtuelle Inbetriebnahmen und weniger Kosten: Digitale Zwillinge könnten den Maschinen- und Anlagenbau revolutionieren. © chesky/AdobeStock

In den vergangenen Jahren hat eine rasante technische Entwicklung stattgefunden und im Maschinenbau sowie in der Automatisierungstechnik zahlreiche neue Anwendungen möglich gemacht. So arbeiten Roboter inzwischen als Cobots ohne Schutzkäfig Seite an Seite mit Menschen. Hochempfindliche Sensoren erfassen dabei jede Bewegung im Arbeitsbereich des Roboters und verhindern so eine Kollision des Cobots mit seinen Kollegen aus Fleisch und Blut. Dank künstlicher Intelligenz sind die kompakten Roboter zudem immer leichter zu programmieren und trainieren sich sogar selbstständig neue Bewegungsabläufe an.

Sensoren bilden darüber hinaus die Basis einer neuen Maschinen-Generation, die sich quasi selbst überwacht und dem Bedienpersonal meldet, wenn einzelne Komponenten ausgetauscht werden sollten.

Virtuelle Planung neuer Maschinen

Ein Beispiel für die enorme Bedeutung von Sensoren in der Fertigungs- und Automatisierungstechnik ist der Digitale Zwilling. Dieser Begriff bezeichnet ein Konzept, bei dem Produkte sowie Maschinen und ihre Komponenten anhand digitaler Werkzeuge im Cyberspace modelliert werden. So können Konstrukteure komplette Anlagen und Systeme in einer virtuellen Umgebung erstellen, simulieren und testen. Maschinen- und Anlagenbauer sparen so die Erstellung teurer Prototypen und verkürzen ihre Planungszeiten. Sensoren kommt bei der Erschaffung Digitaler Zwillinge eine Schlüsselrolle zu: Sie erfassen eine Vielzahl relevanter Daten in der realen Welt, aus denen dann die virtuelle Maschine modelliert und auch funktional simuliert wird.

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In der Schifffahrtstechnik werden ebenfalls Sensoren in großer Zahl eingesetzt. Menschliche Fehler sind in mehr als 75 Prozent der Fälle die Ursache für Kollisionen im Schiffverkehr. Die Ingenieure arbeiten daher unter anderem an der Entwicklung höchst-automatisiert fahrender Schiffe (Smart Shipping), die sicherer sein werden als bemannte Wasserfahrzeuge. Um die Schiffe präzise aus der Ferne steuern zu können, muss ihre Position über Sensoren kontinuierlich und hochgenau erfasst werden. Da gerade größere Schiffe sehr träge sind, müssen Korrekturmaßnahmen frühzeitig durchgeführt werden. Nur so lassen sich Kollisionen verhindern.

Ohne smarte Sensorik keine Industrie 4.0

Die genannten Anwendungen sind nur mit smarter Sensorik realisierbar. Smarte Sensoren unterscheiden sich von herkömmlichen Ausführungen vor allem durch ihre Fähigkeit, Daten eigenständig zu verarbeiten. Sensoren erzeugen große Datenmengen, deren Auswertung für intelligente Applikationen wie Machine Learning oder Smart Shipping nötig ist. Da für die Verarbeitung der Daten meist die Übertragungskapazität zwischen Sensorik und Datenerfassung sowie -auswertung den Flaschenhals darstellt, lässt sich diese ohne eine vorherige Aufbereitung auf dem Sensor kaum handhaben.

Der Sensorik-Spezialist ASC hat deshalb speziell für Industrie 4.0-Applikationen eine Reihe smarter Sensoren entwickelt. Sie übernehmen nicht nur das Pre-Processing der Messdaten wie A/D-Wandlung und Filterung, sondern können die vorverarbeiteten Daten dank der integrierten Rechentechnik auch aus- und bewerten. Eine aufwendige externe Datenerfassung und Verarbeitung entfällt damit. Eine weitere Besonderheit der smarten Sensoren ist die Art der Signalausgabe: Während herkömmliche Sensoren eine große Menge an Rohdaten an Peripheriegeräte senden, übermitteln smarte Sensoren oftmals nur noch eine Statusinformation. Im Falle von Predictive Maintenance-Applikationen wäre das
beispielsweise die Meldung, dass eine Maschinen-Komponente bald getauscht werden sollte.

Deutliche Effizienzsteigerung möglich

Smarte Sensoren können ihre Signale zudem drahtlos übertragen, sodass eine kostspielige und zeitintensive Verkabelung nicht nötig ist. Gerade bei komplexeren Prüfstandsanwendungen mit einer Vielzahl von Freiheitsgraden und parallelen Messungen wird dadurch eine deutliche Reduzierung der notwendigen Peripherie erzielt. Die Sensoren lassen sich darüber hinaus leicht in Netzwerke oder Clouds integrieren. „Anwender können auf diese Weise ihren Engineering-, Zeit- und Kostenaufwand stark reduzieren“, sagt Dipl.-Ing. Markus Nowack von ASC.

Die smarten Sensoren bilden also die Basis für hochkomplexe Anwendungen im Bereich Industrial Internet of Things (IIoT). Sie ermöglichen die effiziente, sichere Verarbeitung großer Datenvolumina und erleichtern dem Bedienpersonal die Arbeit durch die Ausgabe reiner Statusinformationen. Die Vorteile smarter Sensorik liegen damit auf der Hand: „Sie versetzt Unternehmen in die Lage, ihre betriebliche Effizienz zu erhöhen und zum Beispiel neue Produktionstechniken schnell und einfach zu implementieren“, sagt Dr. Robert Diemer, Technischer Direktor von ASC.

Analoge Sensoren für große Bandbreite an Messwerten

Neben den smarten Sensoren hat ASC auch hochgenaue analoge und digitale Sensoren im Produkt-Portfolio. Sie eignen sich für anspruchsvolle Test- und Messanwendungen ebenso wie für den regelmäßigen Einsatz in rauen Umgebungen. Analoge Sensoren ermöglichen es dem Anwender, das komplette Spektrum der Messwerte mithilfe einer Datenerfassung und entsprechender Software weiterzuverarbeiten. „Diese Sensoren eignen sich besonders für Kunden, die ihr eigenes Know-how in die Datenverarbeitung einfließen lassen möchten“, sagt Markus Nowack. Analoge Sensoren liefern hier eine größere Bandbreite an Informationen als Sensoren mit digitalem Ausgangssignal.

Digitale Sensoren kommen unter anderem dann zum Einsatz, wenn Daten über weite Entfernungen übertragen werden sollen. Diese Sensoren verfügen über eine integrierte A/D-Wandlung, mit der eine erste Datenreduktion mittels Filterung erzielt wird. Sie liefern also weniger Messwerte als analoge Sensoren, aber auch mehr als ein reines Statussignal, wie es bei smarten Sensoren der Fall ist. Bei digitalen Sensoren können aufgrund ihrer integrierten Datenreduktion wesentlich kompaktere externe Datenerfassungssysteme eingesetzt werden als bei analogen Sensoren. Sie sind daher oft in Anwendungen zu finden, bei denen verhältnismäßig wenig Bauraum zur Verfügung steht – wie beispielsweise an Prüfständen. Hier reduziert sich der Platzbedarf durch die Verwendung von digitalen Sensoren deutlich. Dank der digitalen Schnittstelle ist zudem der Aufwand für die Systemintegration wesentlich geringer als bei analogen Sensoren.

Individuelle Beratung garantiert die bestmögliche Lösung

Alle Inertialsensoren von ASC erfassen physikalische Größen (Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit) hochgenau und analog – sie unterscheiden sich auf den ersten Blick lediglich in der Signalausgabe. Im Gegensatz zu den konventionellen Ausführungen leisten die smarten Sensoren allerdings weit mehr als die reine Datenerfassung, denn durch Intelligenz im Sensor wird auch die komplette Signalverarbeitung und Zustandsbewertung der jeweiligen Applikation durchgeführt. Mit Markteinführung der smarten Sensoren entwickelt sich ASC deshalb vom reinen Komponenten-Hersteller zum Lösungsanbieter. In Verbindung mit der intensiven individuellen Beratung liefern die Sensor-Spezialisten ein Gesamtpaket, das in dieser Form einmalig auf dem Markt ist.

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