Sensoren für die intelligente Fabrik

Intelligente Maschinen zeichnen sich durch erhöhte Effizienz in sämtlichen Phasen ihres Betriebs aus. Die zugeführte Energie wird umgewandelt und bei Bedarf gespeichert. Zudem erfolgt die Steuerung der Beleuchtungen drahtlos und bedarfsgerecht. Maschinen sind mit Sensoren ausgestattet, um Größen wie zum Beispiel Vibration, Temperatur oder Feuchtigkeit zu messen. Die von den Sensoren gelieferten Daten übermittelt das Sensorsystem an eine lokale Verarbeitungseinheit, die dort die Rohdaten zu brauchbaren Informationen verarbeitet. Die Maschinen interagieren mit den Menschen in ihrer Umgebung und stellen ihnen dazu die Sensorinformationen zur Verfügung.

Die Maschinen sind innerhalb der einzelnen Fabrik, aber auch im gesamten Unternehmen sowie mit der Cloud vernetzt. Sie stellen bis zur untersten Ebene Echtzeitinformationen bereit und sind Bestandteil einer Lieferkette von enormem Umfang. Die in die Cloud übertragenen Sensorinformationen lassen sich für verschiedene Analysen heranziehen wie etwa die Vorhersage bevorstehender Ausfälle.

Die Hauptsegmente des Smart-Industry-Komplexes

Zu den größten Einsatzgebieten von Sensoren in Smart-Industry-Anwendungen zählen die Bereiche der Fabrikautomation, der Industrieroboter sowie die intelligente Fertigung. Je nach Einsatzgebiet kommen verschiedene Sensoren mit unterschiedlichen Funktionen zum Einsatz.

Unter dem Begriff Fabrikautomation versteht man die Anwendung verschiedener Steuerungssysteme zur Koordination des Produktionsprozesses. Dadurch können Fertigungsunternehmen ihre Maschinen sequenziell und mit einem Minimum an menschlicher Einwirkung betreiben. Viele Entscheidungen im Fertigungsprozess lassen sich aufgrund erfasster Daten, wie etwa Feuchtigkeit und Temperatur des Rohstoffs und der fertigen Produkte, etwaige Fehler oder automatisierte Prüfberichte, fällen. Mehrere Maschinen lassen sich außerdem mit drahtlosen Übertragungstechniken wie 6-Low-PAN im Sub-Gigahertzbereich vernetzen, um einen Informationsaustausch zu ermöglichen.

Bei Industrierobotern handelt es sich um Maschinen, die sich in mehreren Freiheitsgraden bewegen können und für die verschiedensten vorgegebenen Fertigungs- und Prüfaufgaben programmierbar sind. Sie können für eine hohe Fertigungsqualität sorgen und die Arbeitskosten senken und sind auch in gefährlichen, widrigen Umgebungen einsetzbar. Mit Robotern der neuen Generation, die flexibel und programmierbar sind, ist eine individuelle Produktion einzelner Produkte nach den Anforderungen und Wünschen des Kunden möglich. Roboter sind mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet, um ihre exakte Position und Winkelstellung erfassen zu können. Intelligente Roboter verfügen zudem über drahtlose Kommunikationsfähigkeiten zum Senden und Empfangen von Eingaben.

Die Messung des atmosphärischen Drucks mittels Drucksensoren hilft, Steig- und Fallrate abzuschätzen und ist deshalb für Roboter wichtig, um die gewünschte Höhe zu erreichen. ST Microelectronics

Die intelligente Fertigung ist eine ganzheitliche Kombination aus verschiedenen Bereichen der Produktion und der Lieferkette. Sie umfasst unter anderem die Automatisierung, die Steuerung, fortschrittliche Robotertechnik, Sensoren sowie vernetzte Maschinen. Eine intelligente Fertigungsstätte ist in der Lage, ihr Rohmaterial selbst nachzubestellen und eine Instandhaltungsmaßnahme in Auftrag zu geben, bevor es tatsächlich zu einem Ausfall kommt. Sie sorgt für bessere Arbeitsbedingungen und erlaubt eine sicherere Abwicklung gefährlicher Produktionsabläufe. Auch Big Data und Künstliche Intelligenz spielen in der intelligenten Fertigung eine Rolle.

Das Aufkommen von kostengünstigen, stromsparenden Sensoren und Konnektivitäts-Optionen hat dafür gesorgt, dass die Voraussetzungen für die intelligente Fertigung besser sind als je zuvor.

Verschiedene Anwendungsgebiete, Verschiedene Sensoren: Welcher Sensor wann zum Einsatz kommt, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Sensoren für die intelligente Industrie

Mit Beschleunigungssensoren lässt sich feststellen, welchen Beschleunigungen Industriemaschinen in X-, Y- und Z-Richtung ausgesetzt sind. Auch die Neigungswinkel von Maschinen oder Roboterarmen lassen sich damit feststellen. Befindet sich eine Maschine stationär in horizontaler Position, wird für die X- und Y-Achse eine Beschleunigung von 0g ausgegeben, für die Z-Achse dagegen 1g. Dabei handelt es sich auf alle Objekte auf der Erdoberfläche wirkende Erdbeschleunigung. Dreht sich die Maschine nun um 90° um die X-Achse, lauten die Werte für die X- und die Z-Achse 0g, während die Werte für die Y-Achse 1g entsprechen. Während des Drehvorgangs geben die Sensoren für die X-, die Y- und die Z-Achse Werte aus, die zwischen 0 und 1g liegen. Verarbeitet man diese Werte mithilfe trigonometrischer Formeln, lässt sich jeweils der Neigungswinkel der Maschine errechnen.

Feuchtigkeitssensoren kommen in Wetterstationen zum Einsatz, können aber auch der Messwertkorrektur von Gassensoren dienen. ST Microelectronics

Mit Beschleunigungssensoren lässt sich auch lineare Beschleunigung in horizontaler und vertikaler Richtung bestimmen, um daraus die Geschwindigkeit, die Richtung und sogar die Änderungsrate der Höhe der Maschine zu berechnen.

Auch die Vibrationen, denen eine Maschine ausgesetzt ist, lassen sich mit Beschleunigungssensoren feststellen. An einem Motor befestigt, kann ein Beschleunigungssensor wichtige Erkenntnisse liefern, um die Art eines vorliegenden Fehlers zu bestimmen. Unwuchten, Lagerschäden und Zahneingriff äußern sich alle durch unterschiedliche Frequenzen, sodass sich diese Informationen nutzen lassen, um den Instandhaltungsbedarf des Motors vorherzusagen.

Dahingegen detektieren Gyroskopsensoren die Winkelgeschwindigkeit um drei Achsen, also um die Hochachse (Gieren), die Querachse (Stampfen) und die Längsachse (Rollen). Die Änderungen bei den Winkelinformationen können dem Stabilisieren der Maschine dienen. Dazu überträgt das System die gesammelten Informationen aus dem Gyroskop an die Motortreiber, die daraufhin die Motordrehzahl dynamisch variieren können, um den jeweiligen Motor oder Roboterarm zu stabilisieren. Nicht zuletzt stellen Gyroskopsensoren sicher, dass sich Maschinen oder Roboterarme genau um den vom Anwender gewünschten Winkel drehen.

Das Funktionsprinzip eines Barometers ist es, den atmosphärischen Druck zu messen. Eine Druckänderung kann man dann in eine Höhenangabe umwandeln. Der atmosphärische Druck lässt sich hingegen mit einem Drucksensor ermitteln. Diese Daten unterstützen so wiederum die Steuerung einer Maschine oder eines Roboterarms, um die gewünschte Höhe zu erreichen. Eine gute Abschätzung der Steig- und Fallrate ist wichtig für viele Maschinen, darunter auch Roboter. ST Microelectronics bietet für diese Höhenabschätzungs-Anwendungen den Drucksensor LPS22HB mit einer Datenrate von 75 Hz und Single-Shot-Mode an.

MEMS-Mikrofone ersetzen zunehmend konventionelle Mikrofone, da sie bessere Rohdaten liefern und zudem kompakter sind. ST Microelectronics

Feuchtigkeitssensoren kommen wiederum in Wetterstationen, zur Überwachung der Kondensationsgrenze oder der Luftdichte sowie zur Messwertkorrektur von Gassensoren zum Einsatz. Der Feuchtigkeitssensor HTS221 enthält neben dem eigentlichen Sensorelement auch ein analoges Frontend, das die Messgröße über ein serielles digitales Interface ausgibt. Das Sensorelement selbst besteht aus einer planaren Kondensatorstruktur mit Polymer-Dielektrikum, die Änderungen der relativen Feuchte registrieren kann.

Bei MEMS-Mikrofonen handelt es sich um Audiosensoren, die Schall in elektrische Signale umwandeln. MEMS-Mikrofone ersetzen zunehmend konventionelle Mikrofone, da sie sich durch einen größeren Signal-Rauschabstand, kleine Abmessungen, eine digitale Schnittstelle, eine höhere HF-Immunität und eine hohe Vibrationsfestigkeit auszeichnen. Einsatzgebiete sind beispielsweise Videografie oder Überwachungssysteme.

Wie das Sensortile von ST Microelectronics bei der Entwicklung helfen kann, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Eigenschaften an Sensoren

Maschinen sind oft extremen Bedingungen ausgesetzt, was die Vibrationen, die Störbeeinflussungen und die übrigen Umgebungseinflüsse betrifft. Ein Sensor, der für den Einsatz in einer Industriemaschine vorgesehen ist, sollte eine hohe Stoßfestigkeit aufweisen, weitgehend immun gegen Störbeeinflussungen und außerdem so schnell sein, dass er alle Vibrationen erfassen kann. Änderungen der Umgebungsbedingungen sollten keinen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Sensors haben.

Die Bedeutung von Algorithmen

Softwarebibliotheken spielen eine wichtige Rolle bei der Umwandlung der rohen Sensordaten in aussagefähige Informationen. Die entsprechenden Algorithmen werten die Funktion der Sensoren deshalb entsprechend auf und sind auch in der Lage, aus den Signalen mehrerer Sensoren eine kontextsensitive Ausgangsinformation zu generieren.

Die drei Bewegungssensoren (Beschleunigungssensor, Gyroskopsensor und Magnetkompass) haben alle ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Als Einschränkungen gelten beispielsweise eine unzureichende Kalibrierung, Drift über Zeit und Temperatur oder weißes Rauschen. Magnetometer und Beschleunigungssensor sind Verzerrungen ausgesetzt, und der Gyroskopsensor besitzt eine prinzipbedingte Drift. Entwickler nutzen Sensorfusions-Bibliotheken in ihren Algorithmen, um die Sensoren gegenseitig zu kalibrieren. Dadurch sorgen sie auch dafür, dass unter jeglichen Bedingungen präzise Ergebnisse entstehen. Sie geben nicht nur kalibrierte Sensorausgänge aus, sondern auch Winkel, Kursinformationen und Quaternionen.

Die Entwicklungsplattform

Das Entwicklungstempo des Markts ist so hoch, dass die Erfolgschancen in hohem Maße vom Zeit- und Kostenaufwand abhängen. Wichtig ist deshalb eine Entwicklungsplattform, die quelloffen, bezahlbar, flexibel, produktionsbereit und skalierbar ist.

Sensortile im Überblick ST Microelectronics

ST Microelectronics bietet dafür die Open-Development-Environment-Platform STM32, die Designern eine flexible und erschwingliche Entwicklung von Produkten mit den Mikrocontrollern, Sensoren, HF- und Analogprodukten von ST ermöglicht. Ergänzt wird die Hardwareplattform durch Treibersoftware, Middleware, Bibliotheken und Applikationen. Auch Code für Android und iOS ist enthalten.

Über ein einfaches computerbasiertes Lizenzabkommen hat der Anwender ferner Zugang zu einer Vielzahl gängiger Bibliotheken. Ist die Plattform getestet, kann der Designer seine eigene Leiterplatte entwerfen und die auf der Plattform entwickelte Firmware laden. Die Produktions-Lizenz für die Bibliotheken muss der Anwender nur dann unterzeichnen, wenn er Tests auf seiner eigenen Leiterplatte vornehmen will.

Bei dem Sensortile (Bild 2) handelt es sich um eine miniaturisierte Designplattform in Form einer Kachel. Die Plattform enthält alles, was Entwickler zur Fernerfassung und Messung von Bewegungen sowie von Umgebungs- und Akustikparametern benötigen. Ein Maschinenentwickler kann sich so direkt auf die Aerodynamik, die Motorsteuerung oder die mechanische Konstruktion seiner Maschine oder seines Roboterarms konzentrieren, ohne sich um die Konnektivität oder die Sensorintegration kümmern zu müssen.

Das gesamte Konzept erlaubt eine präventive und proaktive Instandhaltung. Selbst Maschinen, die sich in gefährlichen Umgebungen befinden, lassen sich damit überwachen. Für die betreffenden Unternehmen ergeben sich zudem Einsparungen, weil kein Personal mehr unnötig anreisen muss.

Fazit

Smart Industry ist das Gebot der Stunde, um die Produktivität zu steigern, sicherere Arbeitsbedingungen zu schaffen und mehr Effizienz zu erzielen. Möglich ist dies dank der Einführung von Sensoren und Konnektivitäts-Technologien mit weniger Stromverbrauch. Die vielfältigen Optionen bei den Sensoren und der Konnektivität gestatten die Lösung vieler komplexer Probleme, deren Bewältigung früher unpraktikabel und teuer war.

ST Microelectronics besitzt mehr als 30 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Produkten für industrielle Anwendungen. Fundiertes Anwendungs-Know-how ermöglichte dem Unternehmen die Einführung einer optimierten Lösung. Neben eigenen, qualitativ hochwertigen Fertigungseinrichtungen und branchenführenden, innovativen Technologien kann ST mit einem umfassenden Angebot an Tools, Software und Support aufwarten.

(prm)