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Energieautarke drahtlose Sensoren mit energieeffizientem Betrieb

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 hauptsächlich aufgrund des zunehmenden Einsatzes von batterielosen Funksensoren in Richtung eines industriellen Internets der Dinge.

Durch die Kombination von Funk- funktion mit energieeffizientem Betrieb können Sensoren auch direkt an bewegten Teilen oder in hermetisch gekapselter Umgebung eingesetzt werden, z. B. Durchfluss, Druck und Temperatur von Flüssigkeiten oder Gasen.

Von Matthias Kassner, Vice President Produktmarketing, EnOcean GmbH

matthias kassner

In der industriellen Produktion arbeiten die meisten Sensoren mit Drähten. Dieser Ansatz verhindert jedoch, dass viele Anwendungen direkt bewegliche Teile haben.

Drahtlose Sensoren bieten hier eine Alternative, aber das Problem der Stromversorgung und damit der Wartung muss sorgfältig abgewogen werden. Eine neue Klasse von Sensoren kombiniert drahtlose Funktionalität mit energieeffizientem Betrieb und ermöglicht neue Anwendungen ohne nachgelagerte Wartung.

Dieser Beitrag untersucht die Anforderungen von Sensoren im industriellen Internet der Dinge und diskutiert die Möglichkeiten und Grenzen von funkbasierten Sensoren.

Energetische drahtlose Sensoren in der Qualitätskontrolle

Qualitätsüberwachung ist ein zentraler Aspekt des Produktionsprozesses. Es stellt sicher, dass das Endprodukt des Produktionsprozesses durch vorher definierte Parameter gekennzeichnet ist.

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 sind für eine automatisierte Überwachung durch Sensoren geeignet. In der Praxis ist dies jedoch noch nicht vollständig umgesetzt. Die Gründe sind komplex, am häufigsten sind die notwendigen Investitionen in neue Werkzeuge, Maschinen oder Sensoren, die notwendige Schulung der Mitarbeiter, die Wartungskosten und eine schwierige Rentabilitätseinschätzung.

Im Idealfall benötigen Werkzeuge mit integrierten Sensoren, die direkt in bestehende Produktionsprozesse passen, keine spezielle Schulung und verursachen keine Folgekosten.

Diese Anforderungen können durch energieeffiziente Sensoren erfüllt werden, wie das folgende Beispiel zeigt: In vielen Fällen muss eine relevante Datenerfassung nahe der Grenze zwischen Werkzeug und Werkstück liegen.

Parameter wie Vorschub, Anpressdruck, Oberflächentemperatur, Vibration und Geräusch können erfasst und einer nachgeschalteten Analyse unterzogen werden. Eine Herausforderung besteht darin, dass das Monitoring oft an bewegten und / oder schwer zugänglichen Stellen durchgeführt werden muss.

Die Verwendung von herkömmlichen verdrahteten Sensoren ist daher schwierig zu erreichen. Kompakte, drahtlose Sensoren bieten für diese Anwendung entscheidende Vorteile. Da sie keine Verkabelung benötigen, können sie direkt an beweglichen Teilen montiert werden.

Darüber hinaus können diese Sensoren auch in einer hermetisch gekapselten Umgebung (beispielsweise in einem Vakuum oder unter einer Schutzatmosphäre) verwendet werden.

Drahtlose Sensoren - miniaturisierte solarzelle

Wartungsfreie Prozessüberwachung

Ziel des Prozessmonitorings ist es, eine definierte Produktivität sicherzustellen, dh eine Produktionsmenge zu erreichen, die auf einer bestimmten Menge an Zeit, Material und Personal basiert. Abweichungen im Produktionsprozess müssen so weit wie möglich erkannt und vermieden werden.

Gleichzeitig bietet die Integration von Funksensoren in die Produktion entscheidende Vorteile: Hermetisch gekapselte, drahtlose Sensoren können beispielsweise in Rohrleitungen zur Messung von Durchfluss, Druck und Temperatur von Flüssigkeiten oder Gasen eingesetzt werden.

Zustandsbasierte Wartung mit batterielosen Sensoren

Ein zentraler Aspekt der Qualitätssicherung ist die Überwachung von Maschinen für die Produktion. Diese unterliegen dem Verschleiß und der frühzeitigen Erkennung von Problemen und damit rechtzeitige Gegenmaßnahmen für betroffene Artikel sind daher wichtige Voraussetzungen für eine kontinuierliche Qualitätssicherung und zum Schutz vor Produktionsausfällen.

Ein grundlegendes Problem der Wartungsplanung besteht in der Berechnung der Intervalle zwischen jedem Wartungsbesuch. Auf der einen Seite muss die Zeit zwischen den Wartungsbesuchen ausreichend kurz sein, um mögliche Abweichungen vor dem Auftreten eines größeren Problems zu erkennen. Auf der anderen Seite ist Wartung in Bezug auf Zeitarbeit und inaktive Maschinen teuer.

Ideal wäre die sogenannte zustandsbasierte Wartung, die akzeptable Bereiche definiert. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Regulierung der Mindestprofiltiefe von Autoreifen. Wenn die Reifentiefe unter dem definierten Grenzwert liegt, ist es an der Zeit, sie zu ändern.

Ein solcher Ansatz wäre für Maschinen unter dem Gesichtspunkt der Kosteneffizienz zweifellos wünschenswert, da eine Wartung nur dann erforderlich ist, wenn dies erforderlich ist.

Die Hauptschwierigkeit bei der Durchführung einer zustandsorientierten Instandhaltung besteht in der kontinuierlichen Überwachung des Objekts, um den Zeitpunkt der notwendigen Wartung zuverlässig bestimmen zu können.

Selbst bei einem oberflächlichen Blick auf die Anzahl der kritischen Parameter einer Werkzeugmaschine wird schnell klar, dass es nicht möglich oder sogar sehr schwierig wäre, alle relevanten Daten zu überwachen. Die damit verbundenen Kosten wären nur in sehr seltenen Fällen sinnvoll.

Drahtlose Sensoren - elektromechanischer wandler

In vielen Fällen ist es jedoch möglich, wertvolle Informationen zu gewinnen, indem weniger, einfachere Parameter überwacht werden.

Beispiele für solche Parameter sind die Temperatur, da Verschleiß oft zu höherer Reibung führt, was wiederum zu einem Temperaturanstieg an der Maschine führt. Ein weiterer Parameter ist Schall, denn erfahrene Mitarbeiter können Verschleiß an Maschinen aufgrund abweichender Geräusche oft 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. Drahtlose Sensoren, die direkt in die Maschine integriert werden können, bieten ebenfalls entscheidende Vorteile.

Selbstversorgte Funksensoren eröffnen neue Möglichkeiten

Aus den vorstehenden Überlegungen wird deutlich, dass drahtlose Sensoren entscheidende Vorteile für verschiedene Anwendungen in der Produktion bieten. Diese Vorteile müssen jedoch gegen die Herausforderung abgewogen werden, dass Kabelsensoren ständig mit Energie versorgt werden müssen.

Insbesondere beim Einsatz an schwer zugänglichen Stellen (z. B. integriert in Maschinen, Werkzeuge, Leitungen, etc.) muss der Nachteil einer möglichen Wartung aufgrund des notwendigen Batteriewechsels sorgfältig bedacht werden. Batterie-Solenoiden (energieeffiziente) drahtlose Funksensoren ermöglichen völlig neue Ansätze.

Batteriebetriebene Funksensoren nutzen Licht-, Bewegungs- oder Temperaturunterschiede in ihrer unmittelbaren Umgebung als Energiequelle. Energiewandler sind dabei die kleinsten Energieträger für den Betrieb und die Funkkommunikation von Sensoren, Schaltern oder Aktoren.

Im industriellen Bereich sind insbesondere kinetische und thermische Energieerzeuger von Interesse. Kinetische Energiegeneratoren gewinnen Energie durch Bewegung, zum Beispiel durch seitliche Bewegung (wie wenn ein Schalter gedrückt wird), Vibration oder Rotation um eine Achse.

Thermogeneratoren 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.

Die Energie, die durch solche Energiegeneratoren gewonnen wird, ist oft niedrig. Ihr Einsatz erfordert daher die Optimierung der gesamten Sensorarchitektur um effiziente Messmethoden und energiesparende Funklösungen. Solche Sensoren wurden von EnOcean seit 2001 entwickelt und werden mittlerweile in mehreren Millionen Sensorknoten eingesetzt.

Kabellose Sensoren - kombo switch modul

Der Weg zum batteriefreien Internet der Dinge

Drahtlose Sensoren (z. B. als Endschalter) und drahtlose Inkrementalgeber (z. B. zur Spannungsüberwachung in Drehspannfuttern oder zur Drehmomentüberwachung bei Drehmomentschlüsseln) sind heute bereits weit verbreitet. In beiden Fällen bleibt das Werkzeug in Form und Funktionsweise unverändert und ermöglicht so den einfachen Einsatz in bestehenden Systemen.

Für diese Anwendungen gibt es bereits energieeffiziente Implementierungen, die einen dauerhaft wartungsfreien Betrieb ermöglichen.

Umweltparameter wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit können bereits heute gut gemessen werden. Es gibt ein großes Interesse an Sensoren, die Korrosion erkennen. Auch hier ist in vielen Fällen ein energieeffizienter Betrieb denkbar.

Das Projekt "Optimierte Ressourceneffizienz in der Produktion durch energie-energetische Sensorik und Interaktion mit mobilen Nutzern" oder ESIMA hat einen energieeffizienten Druckluftsensor entwickelt, der Druck und Durchfluss simultan misst und die Daten per Funk an eine Basisstation übermittelt.

Die Projektpartner, darunter Festo, Varta, Daimler und EnOcean, haben diesen Sensor direkt in eine Turbinen-Generator-Einheit integriert. Dieser kann direkt mit der im Produktionsprozess eingesetzten Druckluft betrieben werden und liefert die notwendige elektrische Energie zur Versorgung der elektrischen Komponenten.

Vielfältige Projekte im Bereich der zustandsorientierten Instandhaltung, die auf der Überwachung von Temperatur, Vibration oder Akustik basieren, befinden sich in der Entwicklungsphase. Diese Anwendungen sind nur der Anfang einer Reihe neuer Anwendungen.

Sie zeigen, dass der Einsatz von energieeffizienten Funksensoren neue Möglichkeiten zur besseren Überwachung wichtiger Produktionsparameter innerhalb der Industrie 4.0 bietet.

Prozessindustrie Informer

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