Sensoren für Industrie 4.0

Dipl.-Ing. Benedikt Rauscher ist Gruppen- leiter im Bereich Fabrikautomation bei Pepperl+Fuchs GmbH in Mannheim

Dass solche Sensorik 4.0 greifbar nah ist oder schon im Alltag funktioniert, hat Pepperl+Fuchs auf der Hannover Messe 2015 demonstriert. Der Mannheimer Sensorikspezialist zeigte dort eine Reihe von realen und potenziellen Anwendungen für Messgeräte, mit denen größere Autonomie im Feld möglich wird.

Hochwertige Sensoren liefern schon heute genaue Informationen, allerdings meistens mit einem spezialisierten Fokus und in nur einer oder zwei Dimensionen. Das genügt für herkömmliche, gleichbleibende Anwendungen, aber nicht unbedingt für autonome Produktionsmodule. So ist zum Beispiel eine Robotereinheit, die ein Werkstück selbsttätig erkennen, greifen und bearbeiten soll, auf differenzierte dreidimensionale Daten angewiesen. Diese müssen zum großen Teil aber erst von Sensoren aus der Realität abgeleitet werden – mit zunehmenden Anforderungen an die Auflösung. Wenn man mehrere Sensoren unterschiedlicher Bauart kombiniert und ihre Signale zu einem Gesamtbild zusammenfügt, lässt sich ein Quantensprung in der Informationstiefe erreichen.

Wie das funktioniert, hat das Unternehmen mit dem MultiScan 3D gezeigt. Ein sich drehendes Objekt wird von drei optoelektronischen Sensoren erfasst und seine Oberfläche vermessen. Ein 2D-Laserscanner R2000 UHD detektiert mit dem Laufzeitverfahren PRT (Pulse Range Technology) Vorhandensein und Konturen des Objekts mit einer Auflösung im mm-Bereich. Er könnte in einer Produktionsumgebung die Ankunft des Werkstücks erkennen, seine Positionierung steuern und den Folgeprozess auslösen. Ein Laser-Lichtschnitt-Sensor LineRunner LR300 bestimmt Tiefeninformationen mit 0,1 mm Genauigkeit. Schließlich liefert ein Weißlicht-Interferometer Aufnahmen von Strukturen und Oberflächen mit einer Genauigkeit von 1 µm. Damit lassen sich hochpräzise Bearbeitungsprozesse steuern oder minutiöse Qualitätskontrolle durchführen. Zusammen liefern die drei Sensoren ein dreidimensionales, tiefenscharfes Bild als Grundlage für beliebig komplexe Bearbeitungsschritte.

In einem anderen Fall rotiert nicht das Objekt, sondern zwei Triangulationssensoren. Sie bestimmen zuverlässig die Positionen von bewegten weißen Bällen unterschiedlicher Größen, sodass diese nun etwa von einem Roboter gegriffen werden könnten. Beide Beispiele arbeiten mit bewährten Sensoren. Im nächsten Schritt kommt es darauf an, diese Daten über standardisierte Schnittstellen zur Verfügung zu stellen.

Pepperl+Fuchs hat gemeinsam mit anderen Unternehmen in einer Studie gezeigt, dass Ethernet auch in der Prozessautomation, unter Berücksichtigung deren besonderen Anforderungen wie Verwendung von Zweileiter-Kabeln, Leitungslängen bis 1200 m und Explosionsschutz, bis in die Feldebene geführt werden kann. Mit einem entsprechend definierten Physical-Layer könnte es dort die Feldbusse ersetzen und die Bandbreite der Kommunikation enorm verbreitern. Das wurde anhand der Zusammenschaltung von Geräten verschiedener Hersteller in einer prototypischen Implementierung gezeigt. Sie ermöglicht den Zugriff auf Daten von Switches und Feldgeräten über einen Webserver sowie Auslesen und Verwendung der in den Feldgeräten gespeicherten FDI-Packages durch PACTware.

Ethernet erlaubt einen durchgängigen Zugriff auf Infrastruktur und Geräte auch von außerhalb des Automatisierungsnetzwerks. Selbst einfache Geräte wie Temperatursensoren können kosteneffizient mit den entsprechenden Schnittstellen ausgestattet werden.

Wie das auch drahtlos funktionieren könnte, einschließlich einer Aktor-Steuerung per WirelessHART, zeigte die Design-Studie des Discrete I/O WirelessHART DIx: Der Füllstand eines Tanks wird drahtlos von zwei Grenzsignalgebern überwacht. Das Discrete I/O gibt nicht nur die Fülldaten weiter, sondern steuert sowohl die fürs Befüllen zuständige Pumpe als auch das Ventil für die Entnahme. Über seine digitalen Ein- und Ausgänge können diese Feldgeräte angesteuert werden. Mit einem Low-Power-Piezoventil lässt sich sogar die pneumatische Ventilstellung mit dem Batteriestrom des DIx regeln. Dieses gibt seine Daten an das WirelessHART-Gateway und von dort an die SPS weiter. Man kann aber auch mit einem Tablet auf das Gerät zu- und in die Regelung eingreifen.

Während dieses Gerät bisher nur als Prototyp existiert, hat sich SmartBridge bereits zum fertigen Produkt gemausert. Es besteht aus einem Adapter für IO-Link-Sensoren und der SmartBridge-App für handelsübliche Mobilgeräte wie Tablets oder Smartphones. Der Adapter übernimmt Daten und Parameter aus dem Sensor und stellt sie dem Mobilgerät über Bluetooth zur Verfügung. Die App visualisiert die Daten und ermöglicht den Zugriff auf die Parameter. Als intelligentes Multimeter erleichtert SmartBridge die Inbetriebnahme und Wartung von Feldgeräten. Zugleich kann es als universell verwendbare Brückentechnologie cyber-physischen Systemen die dezentrale Interaktion auf der Feldebene sowie die Anbindung an übergeordnete Netzwerke ermöglichen.

Eine komplette Systemlösung ist die Müllapplikation, die Pepperl+Fuchs zusammen mit der MOBA Mobile Automation AG in Limburg entwickelt hat. Die Industrie, um die es dabei geht, ist nicht Produktion, sondern Infrastruktur. Dafür ist 4.0 bei der automatisierten Fernüberwachung von Müllcontainern in Barcelona schon Realität. Im Deckel jedes Containers ist ein Ultraschall-Füllstandsmessgerät integriert, das über eine SIM-Karte Füllstands- und Sensordaten in regelmäßigen Abständen an die Zentrale meldet. Ist eine bestimmte Füllhöhe erreicht, wird der Container für die nächste Abholrunde in seinem Stadtteil eingeplant. Da nur noch volle Container angefahren werden, kommt die Stadt mit einer reduzierten Anzahl von Fahrzeugen aus. Unnötige Fahrwege, die mit ihnen verbundenen Emissionen von Lärm und Abgas wurden vermieden, die Kosten gesenkt.

Der Ultraschallsensor hat dabei eine Schlüsselstellung. Er muss extrem robust sein, die Füllhöhe im Behälter unabhängig von der Art des Mülls erkennen und regelmäßig Daten übertragen, störungsfrei und über eine lange Zeit. Da sein Stromverbrauch optimiert ist, kann seine Batterie bis zu zehn Jahre halten. Diese Leistungsmerkmale sind die Grundlage für die ‚Autonomie‘ des Containers und damit für die Effizienz des ganzen Systems.

Pepperl+Fuchs GmbH

Lilienthalstraße 200

68307 Mannheim

Deutschland

Tel.: 0621 776-1111

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