Die Rolle der Sensorik in der Industrie 4.0

Smart Sensors kommunizieren untereinander und senden Auswertungen ihrer gesammelten Daten per Internet an zentrale Steuereinheiten.Female Photographer – Fotolia.com

Die aktuell diskutierte Stufe der Industrialisierung fordert implizit eine neue Generation von Sensoren: Smart Sensors. Sie sind ein Beispiel für ein Cyber-Physical-System, also dem Verbund von IT und Mechanik sowie Elektronik. In der Praxis stellen sie einer Applikation mehr Datenanalysen zur Verfügung als ihre intelligenzlosen Geschwister und filtern die für die Applikation relevanten Informationen heraus. Häufig kommen dabei Sensornetzwerke zum Einsatz, deren Komponenten selbstständig Daten austauschen. Damit das funktioniert, benötigen die Anwender zunehmend Sensoren, die gezielt auf ihre Applikationen zugeschnitten sind. Diese Individualität macht jeden Entwicklungsschritt vergleichsweise aufwendig. Thomas Simmons, Geschäftsführer des AMA Fachverbandes für Sensorik, erklärt dazu: „Genau genommen ist die implizierte industrielle Revolution aus meiner Sicht eher ein evolutionärer Prozess. Ich denke, dass das Etikett 4.0 politische Entscheider und die Öffentlichkeit anspornt, positive Impulse in der Entwicklung und Umsetzung der Industrietechnik zu erkennen und zu fördern.“ Und das helfe Deutschland auch zukünftig eine führende Posi­tion in der Industrietechnik, Fabrikautomation, Industrierobotik und Sensorik sowie Messtechnik zu besetzen.

Sensorik fördern

Vertreter des Verbandes erkennen vor allem Potenzial im Bereich der Kombination von Innovationen der Sensorelemente, des First-Level Packagings (Montage des Sensorelements zu einem Bauteil), der Kalibrierung und des Second Level Packagings (Montage des Bauteils in eine erweiterte Baugruppe) mit den Möglichkeiten der Informations- und Kommunikationstechnologien. Peter Krause, stellvertretender AMA Vorstandsvorsitzender, sieht für Deutschland mit seiner traditionell starken Industrie und Forschungslandschaft eine gute Ausgangsposition. Das sieht auch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) so. Es fördert im Rahmen des Technologieprogramms Autonomik (Autonome und simulationsbasierte Systeme für den Mittelstand) zukunftsweisende Ansätze für die Entwicklung intelligenter Werkzeuge und Systeme. Der AMA Fachverband unterstützt davon die Gruppe ‚Multimodale Sensorik-Konzepte zur Umgebungserkennung und -modellierung‘. Auf Basis einer Analyse der dort bearbeiteten Projekte benennt der Verband die aus ­seiner Sicht wichtigsten, künftigen Aufgaben: Neue Mechanismen zur Selbststeuerung fordern mehr sensorische Funktionen. Daraus erwächst ein höherer Anspruch an Kooperationen zwischen den Sensoren, an die Signalverarbeitung und die Kommunikation aller Beteiligten: Hersteller, Integratoren und Anwender der autonomen Systeme. Außerdem benötigen Anlagen eine leistungsfähige Vorverarbeitung von Sensorsignalen, die in Echtzeit auf veränderte Parameter reagiert. Dazu wiederum müssen den Sensoren mehr anwendungsspezifische Informationen vorliegen. Denn grundsätzlich gilt, je autonomer die Anwendung, desto mehr Details über die Umgebung sind gefordert. Damit steht eine verbesserte Umwelterkennung ganz oben auf der To-do-Liste der Sensorik-Hersteller.

Intralogistik 4.0: Maschinen bestellen benötigte Materialien selbständig beim Zulieferer.AMA Fachverband

Redet miteinander!

Selbständig agierende Produktionsanlagen mit Ansätzen eines Cyber Physical Systems gibt es schon heute in Produk­tionsanlagen. Beispielsweise bestellen Maschinen benötigte Materialien selbstständig aus Lagern beziehungsweise über das Internet beim Zulieferer. Oder die Sensorik übermittelt neben den elektronischen Signalen auch applikationsspezifische Zusammenfassungen ihrer Arbeit. Dabei kommunizieren die Sensoren untereinander oder senden Messwerte per Internet an zentrale Steuereinheiten. Notwendig ist diese Informationsverdichtung deshalb, weil es zunehmend schwieriger wird, die steigende Datenflut zentral zu verarbeiten.

Ein Beispiel dafür ist ein Sensornetzwerk, das die Durchbiegung von Hochstromkabeln erfasst. Entwickelt hat es der Hersteller First Sensor. Peter Krause, AMA-Vorstand und Executive Director Development des Unternehmens, erläutert das Projekt: „Wir kombinieren Temperatur- und Lagesensoren mit einer Funkeinheit in einem Modul. Die Geräte übertragen die Daten jeweils an den Nachbarn und zur Sicherheit zusätzlich an den darauf folgenden.“ Die Sensorknoten erhalten die Daten, reichern Sie mit eigenen Informationen an und leiten alle Informationen sicher an den nächsten Knoten weiter. Am Ende des Netzwerkes werden die Daten gesammelt und via Internet an den Netzbetreiber gesendet. Letzterer passt auf Basis der empfangenen Daten die Last der Hochstromtrasse an. Trotz solcher intelligenter Lösungen warnt Krause vor zu viel Euphorie bezüglich der nächsten industriellen Revolution: „Der Hype um die Industrie 4.0 weckt berechtigte Hoffnungen. Aber man sollte nicht vergessen, dass die Einführung neuer Technologien und Entwicklungsstufen in kleinen Schritten erfolgt und nicht in einem Schwung. Aktuell steckt die Industrie 4.0 noch in den Kinderschuhen.“

Schematische Darstellung der SensorentwicklungAMA Fachverband

Sensor-Historie: zunehmende Relevanz der Messtechnik

Bereits gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden erste mechanische Drucksensoren, wie die Vidi-Dose oder die Bourdon-Feder, in der Industrie eingesetzt. Mit der Elektrizität, dem Einsatz elektrischer Maschinen und der Erfindung der Fließbandproduktion fanden erste elektrische Sensoren, beispielsweise Dehnmessstreifen, den Weg in die weiter fortschreitende Industrialisierung. In den 1970er Jahren kamen Elektronik und IT dazu, die die Automatisierung entscheidend veränderten. Parallel entwickelte sich die Sensorik zu elektronisch kompensierten und kalibrierten Geräten mit digitalen Schnittstellen. Deutschland spielt heute eine führende Rolle in der Sensorik und Messtechnik, sowohl in Sachen technologische Standards als auch bezogen auf globale Marktanteile. Die deutsche Branche hält knapp 30 % des Weltmarkts und der Umsatz wächst jährlich um rund 2,5 Milliarden Euro.

(dl)