TREND Intelligente Sensoren: Smart und „Industrie 4.0 Ready“

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Jedes „Ding“ braucht einen Sensor. Im Industrial-IoT-Umfeld allerdings muss er mehr können, als lediglich physikalische Messgrößen ausspucken.

Intelligente Sensoren spielen in automatisierten Fahrzeugen und dem Internet der Dinge längst Schlüsselrollen. Nach einer aktuellen Studie von Roland Berger soll sich ihr Absatz von 2015 bis 2020 auf 30 Mrd. Stück verdoppeln. Die künstlichen „Sinnesorgane“ sind aber auch maßgeblich an der Realisierung von Industrie-4.0-Konzepten beteiligt. Und das nicht nur als „Messgeräte“. Mit eigenen Mikroprozessoren, Mikrocontrollern oder DSPs (Digitale Signalprozessoren) führen sie zusätzlich komplexe Signalverarbeitungen selbst durch und werden so zu wichtigen Datenquellen. Erst mit dieser „Doppelbelastung“ verdienen sie sich den Zusatz „intelligent“ oder „smart“. Was in dem Fall ausnahmsweise nichts mit künstlicher Intelligenz zu tun hat. Noch nicht.

Wichtig ist zudem, dass sie sich über digitale Schnittstellen (z.B. CAN, Modbus, CANopen, IO-Link, Ethernet) einfach in komplexe Produktionssysteme einbinden lassen. Aktuelle Industriesensoren sind dafür nur begrenzt geeignet. Vielfach nicht schlau und flexibel genug, verbrauchen sie auch zu viel Energie und sind zu teuer.

Intelligente Sensoren als MEMS

Inteligenter Sensor
Bausteine und Funktionen eines intelligenten Sensors im Kontext von Industrie 4.0. (Bild: www.intelligente-sensorik.info).

Eine Lösung stellen sogenannte MEMS (Mikro-Elektromechanisches System) dar. So versucht etwa das Forschungsprojekt AMELI 4.0 (PDF) unter der Leitung von Bosch die Schlüsseltechnologie auch für Sensoranwendungen in der Industrie fit zu machen. In der Unterhaltungselektronik (z.B. Beschleunigungssensoren in Smartphones) und im Automobil (z.B. Schleuderschutz ESP) ist sie längst Standard. Im industriellen Umfeld fehlt ihnen aber noch die nötige Robustheit und Leistungsfähigkeit.

Auch für die Energieversorgung müssen andere Lösungen gefunden werden. Industrielle MEMS-Sensoren sollen ohne Kabel oder Batterie auskommen. Sie verwandeln durch sogenanntes Energy Harvesting etwa Maschinenschwingungen oder Abwärme in Strom.

Die Hauptaufgabe solcher Systeme ist erst einmal die Maschinenüberwachung, sogenanntes Condition Monitoring. Ungeplante Anlagenstillstände gehören damit der Vergangenheit an und Reparaturen und Wartung erfolgen dann, wenn der Zeitpunkt günstig ist.

Darüber hinaus macht die Verlagerung der „Intelligenz“ vom Automatisierungssystem in die Feldgeräte Automatisierungsnetzwerke grundsätzlich effizienter und leistungsfähiger. Denn Sensorik und Aktorik kommunizieren direkt miteinander.

Anwender wünschen sich Plug-and-Play

Bisher scheitert Condition Monitoring oftmals am hohen Engineering-Aufwand. Intelligente Sensoren könnten da die Lösung sein. Sie würden ihre Ergebnisse zum Beispiel an eine Cloud-Serviceplattform weitergeben, wo sie mit einer Datenbank verglichen werden, um gegebenenfalls Aktionen wie Alarm oder Benachrichtigungen einzuleiten.

Eine Umfrage von Namur (Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie) ergab allerdings, dass auch intelligente Sensoren noch nicht alle Anwenderwünsche erfüllen. So forderten fast 70 Prozent der Befragten eine automatische Integration in die Anlagenarchitektur, gefolgt von selbständiger Kalibrierung. Innerhalb der nächsten fünf Jahre erwartete übrigens die Hälfte der Teilnehmer, dass nur ein Viertel der Sensoren bereits smarte Sensoren sein könnten. In den nächsten zehn Jahren soll dieser Anteil dann bei 50 Prozent liegen.

Auf die abschließende Frage, ob Sensorhersteller in Zukunft nicht hauptsächlich Datenhändler sein könnten, gibt die Studie von Roland Berger mit drei idealtypischen Strategien eine Antwort:

Strategie 1 „Analog Now“: Danach sollten sich Unternehmen ausrichten, die ihre Zukunft als Messtechnik-Spezialist sehen. Aufgrund des Kostendrucks sind höhere Produktionsvolumina und standardisierte Sensoren anzustreben.

Strategie 2 „Smart Plug & Play“: Damit stellen sich Sensorhersteller als Technologieführer für lokale Analysefähigkeit auf. Dafür sollten sie über Systeme verfügen, die Messdaten mit intelligenten Softwarealgorithmen kombinieren. So werden die angebotenen System Daten vorverarbeiten und verfügen im besten Fall sogar über selbstlernende Fähigkeiten, z.B. mittels „Deep Learning“.

Strategie 3 „Sensor Fusion“: Damit bieten Sensorhersteller als digitale Innovatoren Komplettlösungen an. Dabei sollten sie in der Lage sein, große Datensätze aus verschiedensten Messdatenquellen zu erheben und in vernetzten Rechnersystemen bis hin zur Cloud zu bearbeiten. Standardisierte Plattformen können hier helfen, Kosten zu senken und Produkte massentauglicher zu gestalten.

 

Intelligente Sensoren

Hocheffiziente vernetzte Fabriken brauchen intelligente Sensoren. (Bild: AG Silicon Germany).