17.09.2021 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

Smarte Sensoren für die neue Maschinengeneration der Industrie 4.0

Smarte SensorenQuelle: chesky/AdobeStock
Anwendungen für Smart Factory und Smart Shipping lassen sich nur mit intelligenten Sensoren realisieren, in denen die riesigen Datenmengen bereits vorverarbeitet werden. Mit seinen neuen smarten Inertialsensoren bietet ASC die…

In den vergangenen Jahren hat eine rasante technische Entwicklung stattgefunden, die im Maschinenbau und in der Automatisierungstechnik zahlreiche neue Anwendungen ermöglicht hat. So arbeiten Roboter inzwischen als Cobots ohne Schutzkäfig Seite an Seite mit Menschen. Hochempfindliche, smarte 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 leicht zu programmieren und trainieren sich sogar selbstständig neue Bewegungsabläufe an.

Smarte Sensoren: Basis für die vorausschauende Wartung

Sensoren bilden darüber hinaus die Basis einer neuen Maschinengeneration, die sich quasi selbst überwacht und dem Bedienpersonal meldet, wenn einzelne Komponenten ausgetauscht werden sollten. Predictive Maintenance (vorausschauende Wartung) wird diese intelligente Technologie genannt, die unter anderem im Schienenverkehr Verwendung findet. Hier messen Sensoren in der „kontinuierlichen Zustandsüber­wachung“ sowohl die vertikale Beschleunigung an den Radsatzlagern der Züge als auch die Beschleunigung im Inneren der Wagenkästen. Sie überwachen auf diese Weise vor allem die Längshöhe des Oberbaus, der sich aus Schienen, Schwellen und Schotter zusammensetzt. Liegen hier Fehler in der Gleisgeometrie vor, muss man sofort Instand­haltungsmaßnahmen ergreifen.

Mittels selbstlernender Algorithmen erfolgt zudem die Prognose zur weiteren Entwicklung der Gleislageabweichungen. Mit ihrer Hilfe lässt sich der Zeitpunkt bestimmen, ab dem ein definierter Schwellwert erreicht wird und Instandhaltungsbedarf besteht. Der Erfolg ist signifikant von der Qualität der Sensorik abhängig, da sie maßgeblich zur Genauigkeit der Prognose und somit zur Wirtschaftlichkeit und Betriebsqualität beiträgt. ASC bietet für diesen Anwendungsbereich ein breites Spektrum an hochgenauen Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit an.

Sensoren ermöglichen virtuelle Planung neuer Maschinen

Ein weiteres Beispiel für die große 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 3D-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 sich dann die virtuelle Maschine modellieren und auch funktional simulieren lässt.

Smarte Sensoren
Der Zustand des Schienennetzes lässt sich über smarte Sensoren an den Radsätzen von Zügen in Echtzeit analysieren. Bild: denisgo/shutterstock

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 Schiffsverkehr. Ingenieure arbeiten daher unter anderem an der Entwicklung höchst-automatisiert fahrender Schiffe (Smart Shipping), die sicherer sind als bemannte Wasserfahrzeuge. Um die Schiffe präzise aus der Ferne steuern zu können, müssen Sensoren ihre Position kontinuierlich und hochgenau erfassen. Da gerade größere Schiffe sehr träge sind, müssen Korrekturmaßnahmen frühzeitig durchgeführt werden. Nur so lassen sich Kollisionen wirksam verhindern.

Ohne smarte Sensorik keine Industrie 4.0

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

Der Sensorik-Spezialist ASC hat deshalb speziell für sogenannte 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 aufwändige externe Datenerfassung und Verarbeitung entfallen 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 man eine Maschinen-Komponente bald austauschen sollte.

Deutliche Effizienzsteigerung durch smarte Sensoren möglich

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

Smarte Sensoren
Der digitale Sensor ASC DiSens MD verfügt über eine integrierte Datenerfassung (DeweSoft X3). Bild: ASC GmbH

Die smarten Sensoren bilden also die Basis für hochkomplexe Anwendungen im Bereich Industrial Internet of Things (IIoT). Sie ermöglichen die effiziente, sichere Verarbeitung riesiger 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 neue Produktionstechniken schnell und einfach zu implementieren“, betont ­Dr. Robert Diemer, Technischer Direktor bei ASC.

Individuelle Beratung für die bestmögliche Lösung

Smarte Sensoren erfassen also nicht nur Daten, sondern führen auch die komplette Signalverarbeitung und Zustandsbewertung für die jeweilige Applikation durch. Mit der Markteinführung der intelligenten Sensoren hat sich ASC vom reinen Komponenten-Hersteller zum Lösungsanbieter entwickelt. Da das Unternehmen die Sensoren nach dem Baukasten-Prinzip fertigt, lassen sie sich zudem optimal an die jeweilige Anwendung anpassen. In Verbindung mit der individuellen Beratung erhalten die Kunden von ASC damit ein rundes Gesamtpaket.

Der Autor Renate Bay ist Geschäftsführerin der ASC GmbH.

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