Wie Sensoren für Sicherheit sorgen

Sicherheit, ob nun physisch oder virtuell, ist ein breit gefächertes Thema, dass sich eine ganze Industrie darum gebildet hat. So sind zum Beispiel Sensoren für die funktionale Sicherheit von Maschinen nicht nur ein zentraler Baustein für den Schutz von Leib und Leben des Bedienpersonals, sondern auch für die Verfügbarkeit und Produktivität der Anlagen. Sie übernehmen aber auch Aufgaben wie Qualitätskontrolle, Diagnose oder Bedienung von Maschinen. Sie übernehmen aber auch Aufgaben wie Qualitätskontrolle, Diagnose oder Bedienung von Maschinen. Die Redaktion der IEE sprach mit Christian Fiebach, Geschäftsführer ipf electronic, zum einen über den Megatrend „Sicherheit“, aber auch darüber, wie die Sensorik zum allgemeinen Sicherheitsbedürfnis der Menschen und insbesondere für die Sicherheit in der Produktion beitragen?

Herr Fiebach, das Bedürfnis zu mehr Sicherheit hat durch viele Faktoren zugenommen: Vielfältige (Dauer-)Krisen, wie u.a. internationale Konflikte, die Klimakrise oder die Corona-Pandemie. Auch die Digitalisierung und permanente Vernetzung (z.B. durch Tablets und Smartphones) tragen zu diesem Bedürfnis bei. Sehen Sie Auswirkungen auf die Industrie?

Christian Fiebach Natürlich, weil wir beispielsweise ein sehr hohes Bedürfnis an sicheren Lieferterminen, etwa von Vorprodukten, haben. Zum einen sind die genannten Konflikte und Krisen Störfaktoren für diese Sicherheit und zum anderen kann ja auch die Digitalisierung durchaus Sicherheitslücken mit sich bringen, wodurch Abläufe derart gestört werden können, dass Lieferungen nicht mehr pünktlich erfolgen, Produktionen lahmgelegt und hierdurch wiederum Lieferketten unterbrochen werden.

Der reguläre Zugang zu Märkten ist ebenfalls ein wichtiges Thema, denn hier muss sichergestellt sein, dass wir als Unternehmen planbare Bedingungen vorfinden, wie bei der Abwicklung von Zollformalitäten. Wenn solche und weitere wesentliche Voraussetzungen durch politische Rahmenbedingungen oder auch einer Pandemie nicht mehr erfüllt werden können, haben wir hier natürlich auch keine Sicherheit mehr und können Märkte möglicherweise nicht mehr so bedienen, wie wir das gerne möchten.

Digitalisierung bedeutet zudem, sich als Unternehmen durch den Ausbau der Infrastruktur in gewisser Weise zu öffnen, um Informationen von außen abholen zu können und auch Informationen nach außen zu liefern. Hierdurch ergeben sich unter anderem Schnittstellen, die anfällig gegenüber Hackerangriffen sind, die wiederum zu erheblichen Sicherheitsproblemen im Unternehmen führen können.

Auf dieses Thema möchte ich noch genauer zu sprechen kommen. Während die Digitalisierung, auf der einer Seite mehr Sicherheit schafft, bietet sie mit ihrer Ausdehnung auf immer neue Lebensbereiche (z.B. dem Internet der Dinge) auch wieder zusätzliche Angriffsmöglichkeiten – die ihrerseits wieder neuer Sicherheitssysteme bedürfen. Wie gewährleisten sie die Sicherheit der Daten und IT?

Christian Fiebach Wir haben im Zuge unseres Umzugs in die neue Firmenzentrale nach Altena unsere IT-Infrastruktur komplett modernisiert. In diesem Zusammenhang haben wir uns ganz bewusst dazu entschlossen, im Unternehmen ein eigenes Rechenzentrum zu betreiben, um hausintern einen Zugriff auf die Daten zu haben und sie vor Ort zu verwalten. Konkreter gesagt, haben wir zwei Serversysteme, die räumlich getrennt voneinander sind, sich also auch in verschiedenen Brandschutzabschnitten befinden. Diese beiden Systeme sind über Glasfaser miteinander verbunden und synchronisieren sich gegenseitig. Darüber hinaus verfügen wir über einen Cloud-Speicher, der sich mit den entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen und Datenschutzbestimmungen an einem Standort in Deutschland befindet und auf dem wir zusätzlich die Daten sichern. Wir haben daher eine hohe Redundanz und somit ein recht hohes Sicherheitsniveau. Aber eine 100-prozentige Sicherheit gibt es bekanntlich nicht.

Im Hinblick auf mögliche Cyberangriffe treffen wir zusätzlich Sicherheitsvorkehrungen, wie durch Firewalls, Antivirussysteme oder den Zugriff auf bestimmte Daten von außen nur über entsprechend sichere Kanäle. Unsere Mitarbeiter haben zudem nur begrenzte Möglichkeiten, externe Speichergeräte an ihre PCs anzuschließen. Außerdem bieten wir zum Thema IT-Sicherheit mit einem externen Dienstleister Online-Seminare für unsere Mitarbeiter an. Anschließend wird geprüft, ob das in den Seminaren vermittelte Wissen auch verinnerlicht wurde. Flankiert wird das alles durch Tests seitens des externen Dienstleisters, der beispielsweise Fake-Mails versendet, um zu sehen, wie hierauf reagiert wird, also werden vielleicht Anhänge geöffnet, wird auf Links geklickt oder werden möglicherweise sogar Daten in Formularen auf Fake-Webseiten eingegeben. Bei Bedarf können wir dann nochmals bspw. Nachschulungen veranlassen.

ipf electronic steht seit mehr als drei Jahrzehnten für Hochleistungs-Sensoren in der Automatisierungstechnik. Was kann die Sensorik zum allgemeinen Sicherheitsbedürfnis der Menschen und insbesondere für die Sicherheit in der Produktion beitragen?

Christian Fiebach Die Sensorik kann wesentlich dazu beitragen, dass so produziert wird, wie es gewünscht ist und damit die Sicherheit zu haben, dass ein Produkt die Anforderungen des Endkunden erfüllt. Im weitesten Sinne geht es hier um das Thema Qualitätssicherung. Hierzu werden an vielen Stellen innerhalb von Produktionen Sensoren als Kontrollinstanzen eingesetzt. Also stimmt die Farbe, die Maßhaltigkeit, sind die Einzelkomponenten eines Produktes richtig montiert, sind alle Bauteile vorhanden, befinden sich Leitungen an der richtigen Stelle, stimmt die Bedruckung, die Codierung, die Markierung oder die Kennzeichnung? Und das sind nur die klassischen Fragenstellungen, die Sensorik im Hinblick auf die Qualitätssicherung beantworten kann. Hinzu kommt eine Fülle an weiteren Anforderungen, mit denen wir konfrontiert werden. Alle Aufgaben, die sich mit Hilfe von Sensoren lösen lassen, haben am Ende des Tages das Ziel, die Produktqualität so zu sichern, wie es Endkunden vorgeben und erwarten. Das ist die eine Seite der Sicherheit. Zum anderen geht es darum, Schaden und Gefahren von Personen fernzuhalten, indem wir Anlagenbereiche, von denen gefahrbringende Bewegungen ausgehen, mit Sicherheitslichtgittern von dem Eingriff oder auch Eintritt von Personal schützen. Hier dreht sich bei der Sensorik demnach alles um die eigentliche Sicherheit der Produktion.

Wir entwickeln solche Sicherheitssysteme ständig weiter. So lassen sich bspw. unsere Sicherheitslichtgitter mit Mutingsensoren und Mutingrelais ausstatten, um die Schutzfunktion eines Lichtgitters vorübergehend automatisch deaktivieren zu können und somit die Möglichkeit zu haben, z. B. Material in einen abgesicherten Bereich zu transportieren. Angesichts der vielfältigen Aufgabenstellungen, die sich in der Industriepraxis tagtäglich ergeben, haben wir den entscheidenden Vorteil, eine sehr breitgefächerte Produktpalette anbieten zu können.

Leckagen gefährden das Produktionsumfeld. Leckagesuchgeräte von ipf electronic ermöglichen es, nicht erkennbare Leckagen aus mehreren Metern gezielt zu lokalisieren. Für welche Anwendungsgebiete sind diese Geräte geeignet? Und bieten Sie auch Leckagesuchgeräte für explosionsgefährdende Stoffe?

Christian Fiebach Die Leckagen, die mit unserem Suchgerät detektiert werden, gefährden im eigentlichen Sinne nicht unmittelbar das Produktionsumfeld. Das Leckagesuchgerät wurde primär dazu entwickelt, Undichtigkeiten in Druckluftnetzen aufzuspüren. Druckluft wird quasi rund um die Uhr in verschiedensten Produktionsumgebungen vorgehalten und ist schon allein aufgrund der benötigten Energie für deren Erzeugung einer der teuersten Industrieressourcen überhaupt. Dennoch verschwenden rund 80 Prozent der Betriebe jährlich durchschnittlich zirka 50 Prozent an Druckluft aufgrund von Leckagen, wodurch auf das Jahr gesehen, enorme Kosten entstehen. Vielen Unternehmen ist das nicht bewusst, zumal sich die Verluste schlecht beziffern lassen, weil in den wenigsten Netzen Geräte zur Verbrauchsmessung integriert sind. Im Produktionsalltag bleiben Leckagen überdies aufgrund von Geräuschentwicklung und Lärm zumeist unerkannt. Wenn überhaupt, lässt sich aber das Geräusch der aus einer Leitung oder einem Anschluss entweichenden Luft nur über das Gehör wahrnehmen. Hier bietet sich unser Leckagesuchgerät an, um das, auch während der laufenden Produktion, zu überprüfen.

Auf welchen Technologien basieren die Leckagesuchgeräte von ipf?

Christian Fiebach Die Handheld-Lösung besteht unter anderem aus einem Mikrofon mit Ultraschallwandler, einer Kamera mit Farbdisplay, einem Schaltrichter, einem Richtrohr für punktgenaue Ortungen kleinster Leckagen auf engem Raum sowie einem Kopfhörer.

Druckluftleckagen erzeugen Geräusche im Ultraschallbereich. Richtet man das Leckagesuchgerät mithilfe der Kamera auf einen Bereich, in dem sich mutmaßlich eine Undichtigkeit befindet, werden die Ultraschallwellen der ausströmenden Druckluft über den Schalltrichter gebündelt und mit dem Mikrofon aufgezeichnet. Für ein genaues Anpeilen der Leckagestelle kann bei dem UY000001 ein integrierter Laserpointer mit Laserklasse 2 eingesetzt werden. Das UY000002 ist alternativ hierzu mit einer Laserabstandsmessung ausgestattet, die nach dem Prinzip der Lichtlaufzeitmessung arbeitet, um exakt die Entfernung vom Messstandort bis zur Leckagestelle ermitteln zu können.

Die Ultraschallwellen werden von den Geräten in hörbare Frequenzen gewandelt und an den Kopfhörer übertragen. Aufgrund der Erfassung im Ultraschallbereich lassen sich störende Umgebungsgeräusche weitestgehend ausblenden, wobei der Kopfhörer zusätzlich die Umgebungs-Geräuschkulisse reduziert. Der Anwender ist somit in die Lage, kaum hörbare sowie nicht erkennbare Leckagen aus mehreren Metern gezielt zu lokalisieren und selbst kleinste Lecks punktgenau zu orten und durch deren Beseitigung enorme Einsparungen bei den Energiekosten erzielen. Wurden zuvor entsprechende Kosten im Gerät hinterlegt, können auch die durch das Leck verursachten monetären Verluste ermittelt werden. Alle gesammelten Messergebnisse sowie ergänzende Informationen lassen sich im Handheld-Gerät speichern, auf einen PC übertragen und anschließend über eine Software für eine lückenlose Dokumentation auswerten. Die Software ermöglicht in diesem Zusammenhang auch die Erstellung von ausführlichen Umweltmanagementreports gemäß ISO 50001.

Sensorik sorgt in der Produktion in vielfältigster Weise für Sicherheit. Welche Produkte hat ipf hier im Portfolio?

Christian Fiebach Im Grunde das gesamte Portfolio an Lösungen, wenn es um Bereiche wie bspw. die Prozesskontrolle und Qualitätssicherung geht. Mit diesen Themen beschäftigen wir uns immerhin schon fast 40 Jahre lang. Betrachten wir die Sicherheit von Personen, dann konzentriert sich unser Angebot vor allem auf Sicherheitssysteme, allen voran die Sicherheitslichtgitter.

Eine durchgängige Qualitätsprüfung ermöglicht eine hohe Fertigungsqualität und bietet somit auch Sicherheit für den Endanwender. Welche Technologien stellt ipf für die Qualitätsprüfung zur Verfügung und welche Vorteile haben die Produzenten hiervon?

Christian Fiebach Die Anforderungen, die aus der Qualitätsprüfung und somit Qualitätssicherung entstehen, sind extrem breit gefächert. Entsprechend vielfältig ist hierfür das Angebot an Technologien. Vor diesem Hintergrund ist es besonders wichtig, die verschiedensten Applikationen mit ihren diversen Anforderungen auch wirklich zu verstehen, wobei wir hier über ein sehr hohes Maß an Applikationserfahrungen verfügen.

In der Regel kommen Anwender mit einer konkreten Problemstellung hinsichtlich der Fertigungsqualität auf uns zu und suchen eine Lösung, um einen Mangel oder einen Fehler frühzeitig zu erkennen und ihn beseitigen zu können. Unsere Aufgabe ist es, ein Merkmal oder aber auch verschiedenste Merkmale für ein Problem zu identifizieren und für dessen Prüfung oder Kontrolle geeignete Sensorik zu finden. Vor diesem Hintergrund sind entsprechende Lösungen nicht immer unbedingt naheliegend. Ein Beispiel: Ein Automobilzulieferer stellt Rohrbiegeteile her, wobei die geschweißten und geglühten Werkstücke zunächst gebogen und dann gepresst werden. Während des Biegeprozesses ist die richtige Lage der Schweißnaht entscheidend und darf sich nicht im Biegeradius befinden, weil ansonsten insbesondere beim anschließenden Pressen Risse im Werkstück entstehen könnten. Der Betrieb suchte eine Lösung, die vor dem Biegen der Rohre die Lage der Schweißnaht prozesssicher identifiziert. Diese befindet sich allerdings im Inneren der Rohre, was die Detektion zusätzlich erschwert. Wir haben dann einen Farbsensor der Serie OF50 in Kombination mit einem Lichtleiter und einer Spezialoptik als Lösung empfohlen. Auf den Prüfprozess genauer einzugehen, würde hier zu weit führen. Aber mit der leistungsfähigen Software zum Farbsensor ist es uns gelungen, Referenzen für IO- oder NIO-Zustände, also Schweißnaht vorhanden bzw. nicht vorhanden, zu ermitteln, die auch verschiedenste Oberflächen auf der Rohrinnenseite, Bereiche ohne Schweißnaht oder. Bereiche mit Streifen, Schlieren sowie Verfärbungen, berücksichtigten und die Erkennung der Schweißnaht erschweren. Letztendlich konnte der Betrieb mit dieser Lösung die Schweißnähte sicher detektieren und somit die Rohre prozesssicher biegen und pressen.

Es gibt aber auch immer wieder Fälle, in denen die sog. Lösungen von der Stange nicht weiterhelfen. Hier entwickeln wir dann auf Basis unserer umfangreichen Erfahrungen Sonderlösungen für unsere Kunden.

Gezielte Ortung von Leckagen

Leckagesuchgeräte dienen zur gezielten Ortung von Leckagen in Druckluftnetzen, wodurch erhebliche Energiekosten eingespart werden können. Darüber hinaus lassen sich die Lösungen an Gas- und Dampfleitungen sowie Vakuumanlagen einsetzen. Druckluftleckagen in Verbrauchsnetzen erzeugen Geräusche im Ultraschallbereich. Richtet man das Leckagesuchgerät über die Kamera auf einen Bereich mit einer mutmaßlichen Undichtigkeit, werden die Ultraschallwellen der ausströmenden Druckluft mithilfe eines Schalltrichters gebündelt und über das Mikrofon aufgezeichnet. Die Ultraschallwellen werden in hörbare Frequenzen gewandelt und an den Kopfhörer übertragen. Störende Umgebungsgeräusche lassen sich dabei aufgrund der Erfassung im Ultraschallbereich weitestgehend ausblenden.

Das Leckagesuchgerät ist mit einer Laserabstandsmessung (Laserklasse 2) ausgestattet, die nach dem Prinzip der Lichtlaufzeit-Messung arbeitet. Mit dieser Funktion lässt sich die Entfernung vom Messstandort bis zur Leckagestelle exakt ermitteln. Der ermittelte Entfernungswert wird überdies gemeinsam mit weiteren Informationen (z. B. eine Aufnahme der Leckagestelle, die Größe der Leckage, der Druckluftverlust sowie die hierdurch verursachten monetären Verluste, wenn zuvor entsprechende Kosten hinterlegt wurden) automatisch im Gerät übernommen.