Wenn Bauteile autark mit der Fertigungsanlage kommunizieren, technische Module eigenständig Reparaturen veranlassen und sich Maschinen, Sensoren, Mitarbeiter und industrieller Prozess intelligent vernetzen, dann ist von Industrie 4.0 die Rede. Smarte Analyseprozesse sollen Unternehmen und ganze Wertschöpfungsnetzwerke in Echtzeit steuern und optimieren. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in einer geglückten Verknüpfung informations- und softwaretechnischer Systeme mit mechanischen beziehungsweise elektronischen Komponenten. Beispielhaft für Connectivity steht hier das Thema Wireless Temperature Measurement for Industrial Applications (WTMIA).

Bild 1: Schematische Darstellung der Prozessintegration eines WTMIA-Systems in einen rundlaufenden Produktionsprozess.

Bild 1: Schematische Darstellung der Prozessintegration eines WTMIA-Systems in einen rundlaufenden Produktionsprozess. Fraunhofer-Institut IMS

Drahtlose Temperaturmessung

Um die angestrebte Produktqualität zu erreichen, erfordern zahlreiche Fertigungsprozesse die genaue Einhaltung eines Temperaturprofils, etwa Backprozesse in der Lebensmittelindustrie, Trocknungs- und Aushärtungsprozesse bei Klebeverfahren oder Lötprozesse beim Herstellen elektronischer Komponenten. Für die Temperaturüberwachung lassen sich dabei meist problemlos Sensoren an den jeweiligen Messpunkten befestigen und mit einem Kabel für die Stromversorgung zu verbinden.

eckdaten

Das Fraunhofer-Institut IMS hat ein Kommunikationsprotokoll für ein drahtloses Temperaturmesssystem entwickelt, dass sich durch deterministische und echtzeitfähige Datenübertragung auszeichnet. Das vorgestellte WTMIA-System lässt sich in einen rundlaufenden Produktionsprozess integrieren und gewährleistet die Einhaltung eines vorgegebenen Temperaturprofils.

Wenn jedoch zum Beispiel versiegelte Kammern innerhalb des Produktionsprozesses keine Kabeldurchdringung erlauben, sich der zu messende Bezugspunkt bewegt oder die Umgebung keine sicherere Kabelverlegung erlaubt, ist eine Verdrahtung sehr aufwendig beziehungsweise teilweise sogar unmöglich. An dieser Stelle setzt Wireless Temperature Measurement for Industrial Applications (WTMIA) an. Bild 1 zeigt die Integration eines derartigen Systems in einen rundlaufenden Produktionsprozess mit vier hintereinander angeordneten Kammern.

Systemarchitektur

Das Gesamtsystem besteht aus einer Basisstation (Bild 2) mit UHF-Funkfrontend und USB-Schnittstelle (optional LAN-Schnittstelle/CAN/Profibus) zur Prozesssteuerung. Der Hautprozessor der Basisstation verwaltet das TDMA-Kommunikationsprotokoll und das Systemhandling.

Bild 2: Blockschaltbild der Basisstation. Das Gesamtsystem besteht aus Basisstation mit UHF-Funkfrontend und USB-Schnittstelle.

Bild 2: Blockschaltbild der Basisstation. Das Gesamtsystem besteht aus Basisstation mit UHF-Funkfrontend und USB-Schnittstelle. Fraunhofer-Institut IMS

Die Sensorknoten sind für einen Arbeitstemperaturbereich bis 125 °C ausgelegt und bestehen aus einem kleinen Mikrocontroller, einem Funkfrontend, Anpassnetzwerk, Wake-up-Empfänger und analogem Sensorfrontend für die Auswertung der verwendeten Thermoelemente Typ K (Bild 3). Die Auswahl dieser Komponenten erfordert besondere Sorgfalt.

Effiziente Ressourcennutzung

Drahtlose Sensorsysteme im Industrie-Umfeld müssen beschränkte Ressourcen effizient nutzen. Eine solche beschränkte Ressource ist die zur Verfügung stehende Energie – und zwar unabhängig davon, ob sie von einer Batterie oder einem Harvester kommt. Bei einer Stromversorgung per Batterie muss die Zeit zwischen Batteriewechseln möglichst lang sein, um aus einer Primärzelle mit geringen Abmessungen eine maximale Laufzeit zu erzielen. Bei Harvestern, die Energie aus einer Temperaturdifferenz beziehen, ist die für den Betrieb des Sensors erforderliche Temperaturdifferenz auf wenige Kelvin zu minimieren.

Ein erheblicher Teil der benötigten Energie entfällt auf den für die Datenübertragung verwendeten Transceiver. Tabelle 1 zeigt beispielhaft die Auswirkung der Funkzyklen auf die mittlere Leistungsaufnahme und die Batterielebensdauer in Tagen. Die Lebensdauer der Batterie mit einer Nennkapazität von 7500 mAh von 373 Tagen lässt sich mehr als verdoppeln, wenn die Funkrate von 1 Hz auf 1/5 Hz reduziert ist.

Bild 3: Prinzipielles Blockschaltbild des Sensorknotens mit Mikrocontroller, Funkfrontend, Anpassnetzwerk, Wake-up-Empfänger und analogem Sensorfrontend.

Bild 3: Prinzipielles Blockschaltbild des Sensorknotens mit Mikrocontroller, Funkfrontend, Anpassnetzwerk, Wake-up-Empfänger und analogem Sensorfrontend. Fraunhofer-Institut IMS

Transceiver im Schlafmodus

Daher ist es essenziell, den Transceiver für die überwiegende Zeit in einen Schlafmodus zu versetzen, in dem die Stromaufnahme vernachlässigt werden kann. Beim hier vorgestellten System ist der Transceiver nur wenige Millisekunden pro Sekunde aktiv geschaltet.

In Industrieumgebungen mit einer großen Anzahl von Messpunkten und somit einer Vielzahl drahtloser Sensoren pro Fläche gilt es, eine weitere Ressource effizient zu nutzen: das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum. Daher verbieten sich beim Design des Kommunikationsprotokolls einfache Medienzugriffsverfahren wie zum Beispiel reines Listen-before-Talk von selbst, da solche Verfahren eine zu geringe Ausnutzung der bereitstehenden Bandbreite erreichen.

Deterministische Datenübertragung

Das vorgestellte drahtlose Messsystem verwendet ein am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) entwickeltes Kommunikationsprotokoll, das sich durch geringen Energiebedarf und gute Ausnutzung des Spektrums auszeichnet und mithilfe eines Zeitmultiplexverfahrens (TDMA, Time Division Multiple Access) eine deterministische und echtzeitfähige Datenübertragung bietet. Die grundlegende TDMA-Rahmenstruktur des Protokolls wiederholt sich ein Mal pro Sekunde (Bild 4).

Tabelle 1: Gegenüberstellung der Auswirkungen von Funkzyklen und Nutzkapazität der Batterien.

Tabelle 1: Gegenüberstellung der Auswirkungen von Funkzyklen und Nutzkapazität der Batterien. Fraunhofer-Institut IMS

Zu Beginn des TDMA-Rahmens befindet sich ein schmaler Downlink-Kanal, auf dem die Basisstation Telegramme an die Sensorknoten sendet. So können Anwender die Sensoren auch während des Betriebs von der Basisstation aus neu konfigurieren. Dies betrifft Frequenzkanäle, Sendeleistung, Synchronisationszeiten, Messraten und Funkrate.

Timing synchronisieren

Dann folgt ein Random-Access-Kanal, über den sich noch nicht bei einer Basisstation angemeldete Sensorknoten im System einbuchen können. Dazu lauscht der einzubuchende Sensorknoten auf Beacon-Telegramme, die die Basisstation zu genau definierten Zeitpunkten auf den Downlink-Kanal sendet. Nach Empfang eines solchen Telegramms kann der Sensorknoten das eigene Timing mit dem der Basisstation synchronisieren.

Sobald das geschehen ist, fordert der Sensorknoten bei der Basisstation die Zuteilung eines Uplink-Zeitslots an. Dazu sendet er auf dem Random-Access-Kanal eine Anforderung, wofür zunächst noch Listen-before-Talk zum Einsatz kommt. Die Basisstation reagiert und sendet auf dem Downlink-Kanal eine Konfigurationsnachricht an den Knoten. So erfährt der Sensorknoten neben weiteren Konfigurationsparametern die Nummer des nun reservierten Uplink-Slots. Jetzt sind alle Voraussetzungen erfüllt, damit der Sensorknoten den Messbetrieb aufnehmen kann. Um die kollisionsfreie Übertragung der Daten sicherzustellen, sendet der Knoten die Messergebnisse ausschließlich im eigenen Uplink-Slot. Da sich dieser genau im Sekunden-Raster wiederholt, erfolgt die Übertragung absolut deterministisch.

Bild 4: Die grundlegende TDMA-Rahmenstruktur des Protokolls wiederholt sich ein Mal pro Sekunde.

Bild 4: Die grundlegende TDMA-Rahmenstruktur des Protokolls wiederholt sich ein Mal pro Sekunde. Fraunhofer-Institut IMS

Gehen die vom System ermittelten Messwerte als Ist-Größe in ein komplexes Regelungssystem ein, sollten die Messzeitpunkte untereinander synchronisiert sein, also alle angemeldeten Sensorknoten die Messung zum exakt gleichen Zeitpunkt durchführen. Da eine zeitliche Synchronisation aller Knoten mit der Basisstation von vornherein für das Kommunikationsprotokoll notwendig ist, verfügen alle beteiligten Knoten bereits über eine gleiche Zeitbasis. Somit lässt sich der Messzeitpunkt auf der Zeitachse kurz vor dem Down-Link-Slot ansiedeln, was eine möglichst verzögerungsfreie Weitergabe des Messwerts ermöglicht.

Skalierbarkeit

Das System lässt sich in mehreren Ebenen skalieren. So kann eine Basisstation bei einem Messintervall von einer Messung pro Sekunde bis zu 84 Sensorknoten verwalten. Erhöht sich das Messintervall auf beispielsweise drei Messungen pro Sekunde, so werden jedem Sensorknoten drei äquidistante Zeitslots im Uplink-Kanal zugeteilt. Bei einem Messintervall von drei Messungen pro Sekunde kann die Basisstation jetzt also bis zu 84:3=28 Sensorknoten verwalten.

Bild 5: Stromaufnahme für ein TDMA-basierendes echtzeitfähiges kabelloses Temperaturmesssystem. Der Sensor befindet sich die meiste Zeit in einem Energiesparmodus.

Bild 5: Stromaufnahme für ein TDMA-basierendes echtzeitfähiges kabelloses Temperaturmesssystem. Der Sensor befindet sich die meiste Zeit in einem Energiesparmodus. Fraunhofer-Institut IMS

Dieses Verfahren funktioniert auch in die entgegengesetzte Richtung: Durch eine Halbierung des Messintervalls lässt sich die Anzahl möglicher Sensorknoten verdoppeln. Soll die Anzahl noch weiter steigen, so können mehrere Basisstationen parallel arbeiten. Dazu bekommt jede Basisstation eine eigene Sendefrequenz. Auf diese Weise können wie beim Mobilfunk Funkzellen gebildet werden, die sich durch die innerhalb einer Zelle verwendete Sendefrequenz gegeneinander abgrenzen. Eine weitere Möglichkeit, die Anzahl der Teilnehmer zu erhöhen, bietet das ebenfalls aus dem Mobilfunk bekannte SDMA-Verfahren (Space Division Multiple Access). Hier wird das Umfeld der Basisstation über die Nutzung von Richtantennen in unterschiedliche Sektoren eingeteilt, was zu einer effektiveren spektralen Nutzung führt.

systemeigenschaften des WTMIA-sensors

  • Resistenz gegen aggressive Medien im industriellen Umfeld
  • keine Prozessbeeinflussung durch Ausgasungen (einsetzbar in der Lebensmittelherstellung und für Vakuumbetrieb)
  • bis 125 °C temperaturfest
  • minimaler Stromverbrauch durch Wake-up-Mechanismus
  • echtzeitfähige deterministische Funkübertragung
  • kollisionsfreie Funkübertragung mit bis zu 84 Sensoren
  • Messrate bis zu 3 Hz
  • mobile Sensorknoten

Im Rahmen des Produktionsprozesses ist es möglich, die Sensorknoten auch über längere Zeiträume zu lagern. Während des Lagervorgangs befinden sich die Knoten in einem Tiefschlafmodus, in dem die Stromaufnahme nahezu Null beträgt. Das Aufwecken der Knoten erfolgt über LF-Antennen, wie auch aus der RFID-Technik bekannt. Dazu ist am Anfang jeder Produktionsstraße eine LF-Antenne positioniert.

Außerdem teilt die Antenne dem Sensorknoten mit, auf welchem Kanal er sich bei welcher Basisstation anmelden soll. So können die Knoten mühelos von einer Funkzelle zur nächsten wandern. Zusätzlich erfolgt ein Selbsttest des mobilen Sensors, um den Ladezustand der Batterie zu prüfen, ob ein Defekt an einem Thermoelement vorliegt und ob die Thermoelemente richtig kontaktiert sind. Damit gelangen nur funktionsfähige Sensoren in den Produktionsprozess.

Bild 6: Bei einem Thermoelement sind zwei metallische Leiter aus unterschiedlichen Materialen an einem Ende verbunden und ermöglichen Temperaturmessungen aufgrund des thermoelektrischen Effektes.

Bild 6: Bei einem Thermoelement sind zwei metallische Leiter aus unterschiedlichen Materialen an einem Ende verbunden und ermöglichen Temperaturmessungen aufgrund des thermoelektrischen Effektes. Fraunhofer-Institut IMS

Temperaturmessung mit Thermoelementen

Das System ist auf eine Temperaturmessung mit Thermoelementen ausgelegt. Thermoelemente können Temperaturen bis 2500 °C messen, sind sehr robust gegenüber mechanischem Stress und können sehr kompakt sein.

Sind zwei elektrische Leiter aus unterschiedlichen Materialien mit derselben Temperaturdifferenz (entlang des Leiters) miteinander verbunden (Bild 6), kann an den freien Enden eine Thermospannung gemessen werden (Seebeck-Effekt). Diese Spannung ist materialabhängig.

Die Verbindungsstelle der zwei Leiter wird auf die vom Messsystem zu erfassende IST-Temperatur (Werkstück) gebracht. Die Anschlussstelle der beiden Leiter mit der Signalerfassung und Signalverarbeitung ist nachfolgend als Cold Junction bezeichnet. Näherungsweise ist die Thermospannung proportional zur Differenz der beiden Temperaturen. Zum Bestimmen der absoluten Temperatur muss ein separater Sensor die Temperatur an der Cold Junction erfassen. Dieser Vorgang wird auch Cold Junction Compensation (CJC) bezeichnet (Bild 7).

Bild 7: Prinzipielle Signalverarbeitung zur Temperaturmessung in WTMIA. Ein zusätzlicher Sensor (oben li) erfasst die absolute Temperatur.

Bild 7: Prinzipielle Signalverarbeitung zur Temperaturmessung in WTMIA. Ein zusätzlicher Sensor (oben li) erfasst die absolute Temperatur. Fraunhofer-Institut IMS

Normierte Thermokennlinie berücksichtigen

Die Thermospannung ist nur näherungsweise linear zur Temperaturdifferenz. Die DIN EN 60584 beschreibt in Form sogenannter Grundwertreihen den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Thermospannung und den Temperaturen in tabellarischer Form. In WTMIA sind diese Grundwertreihen digital im Speicher der Sensorknoten abgelegt. Zwischen den Werten wird interpoliert.

Insbesondere Abweichungen der Thermoelemente von den Norm-Kennlinien führen in der Praxis zu vergleichsweise großen Fehlern. Nach der DIN EN 60584 können beispielsweise Thermoelemente vom Typ K in der höchsten Genauigkeitsklasse 1 im Temperaturbereich bis 1000 °C im Auslieferungszustand immer noch bis zu ±4 °C von der Normkennlinie abweichen. Durch Alterungsprozesse können sich diese Abweichungen noch deutlich vergrößern. In WTMIA ist daher eine Möglichkeit zur Korrektur dieser Abweichungen implementiert.

Fehler beliebig verkleinern

Dazu bringt ein Kalibrationsprozess unter Einsatz eines Blockkalibrators die jeweiligen Thermoelemente auf mehrere unterschiedliche Temperaturen und teilt diese Kalibrationspunkte WTMIA mit. Das System kann über den Zusammenhang der Thermokennlinie die Temperaturabweichungen und entsprechenden Korrekturparameter, unter Berücksichtigung der Kalibrationsparameter g (gain) und b (offset), selbstständig bestimmen und für jeden Messkanal dauerhaft abspeichern. Prinzipiell lassen sich durch eine geeignet engmaschige Reihe von Kalibrationspunkten die Kennlinienfehler nahezu beliebig verkleinern. Solch eine Kalibration von Messpunkten kann auch vollautomatisch erfolgen.

Bild 8: AVT-Konzept zur Cold-Junction Compensation. Die Kontaktstellen der Thermodrähte sind über einen Kupferblock mit dem Cold-Junction-Temperatursensor verbunden.

Bild 8: AVT-Konzept zur Cold-Junction Compensation. Die Kontaktstellen der Thermodrähte sind über einen Kupferblock mit dem Cold-Junction-Temperatursensor verbunden. Fraunhofer-Institut IMS

Die erwähnten Messfehler entstehen durch Abweichung der spezifischen Kennlinie eines Thermoelementes von der normierten Kennlinie und stellen in der Regel die dominanteste Fehlerquelle dar. Zum Gesamtmessfehler eines Temperaturmesssystems tragen indes auch weitere Fehler bei.

Aufbau -und Verbindungstechnik der Cold Junction

So ergibt sich eine weitere Fehlerquelle durch den räumlichen Temperaturunterschied zwischen der elektrischen Verbindungsstelle der Thermodrähte (Cold Junction) und dem zusätzlichen Temperatursensor für die CJC.  Diese Temperaturunterschiede gehen direkt in den Gesamtmessfehler mit ein. In Messanwendungen, in denen die Auswerteelektronik auf Zimmertemperatur operiert, hat diese Fehlerquelle wenig Anteil am Gesamtmessfehler. Die Elektronik der WTMIA-Sensorknoten soll jedoch auch bei Temperaturen von bis zu 125 °C und Temperaturgradienten um 1°K/s noch zuverlässig und genau funktionieren.

Gerade große Temperaturänderungen über der Zeit können aber an der Cold Junction zu entsprechend großen Abweichungen führen, denen die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) Rechnung tragen sollte. Da dies mit bestehenden AVT-Lösungen für die Cold Junction nicht möglich war, wurde für WTMIA daher eine eigene AVT entworfen (Bild 8). Hier sind die Kontaktstellen der Thermodrähte mit den Anschlussschrauben thermisch hoch leitfähig über einen Kupferblock mit dem Cold-Junction-Temperatursensor verbunden.

Bild 9: Standardabweichung der Thermoelementmessung in Abhängigkeit der Verstärkungsfaktoren und Messbandbreite.

Bild 9: Standardabweichung der Thermoelementmessung in Abhängigkeit der Verstärkungsfaktoren und Messbandbreite. Fraunhofer-Institut IMS

Fehler durch externe Störfelder

Wegen des niedrigen Thermospannungshub von beispielsweise ~40 µV/K lag das Augenmerk bei WTMIA auch besonders auf Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern sowie magnetischen und elektrischen Wechselfeldern. Daher unterdrücken geeignete analoge Filterstufen Gleich- und Gegentaktstörungen in der Thermospannung. Danach wird das Thermospannungssignal geeignet verstärkt und schließlich digitalisiert. Das übernimmt ein hochintegrierter Chip, dessen Fehler durch Rauschen und Nichtlinearität lediglich mit jeweils maximal 1/100 °C (bei 350 °C Messtemperatur) zum Gesamtfehler beitragen. Bild 7 zeigt das Grundprinzip der gesamten Signalverarbeitung in WTMIA, analoge Vorfilterung und Digitalisierung sind im Block Sensorfrontend zusammengefasst.

Im unkalibrierten Zustand ist mit diesen Maßnahmen ein mittlerer Gesamtmessfehler (Thermoelemente und Messsystem) von ~0,4 °C bei einem maximalen Fehler von 1 °C möglich. Durch Kalibrierung kann dieser Fehler jedoch noch deutlich kleiner werden (Bild 9).