Smarte Sensorik für Maschinen und Kühe

Nicht erst seit dem Siegeszug von Industrie 4.0 und der zunehmenden Digitalisierung aller Lebensbereiche nimmt der Bedarf an smarten Sensoren stetig zu. Die Produktion wird immer schneller, individueller und flexibler. Im Zuge dieser steigenden Anforderungen sind gesamte Wertschöpfungsketten im Wandel: Alle Prozesse und Bereiche sollen so umfassend wie möglich quantifiziert, analysiert, ausgewertet und gesteuert werden. 

Dabei sind Sensorik, Mess- und Steuerungstechnik laut dem Verein Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) wesentliche Erfolgsfaktoren. Denn egal, ob Unterhaltungsindustrie, Automobilbranche, Consumer Industrie, Fluidtechnik, Sicherheitstechnologie oder Maschinen- und Anlagenbau, intelligente Sensoren und innovative Messtechniken prüfen, überwachen, kommunizieren miteinander und automatisieren. Der intelligente Umgang mit Daten wird mehr und mehr zum Erfolgsfaktor.

Prozesstechnik im Kontext von Industrie 4.0 erfordert Veränderungen in allen Unternehmensbereichen und über komplette Wertschöpfungsketten hinweg. Der VDMA sieht dabei auch die Chance für die Etablierung völlig neuer Geschäftsmodelle, wie etwa datenbasierter Services, digitaler Märkte und Infrastrukturen sowie eine direkte Vernetzung mit dem Kunden. Zugleich ist die anhaltende Digitalisierung wesentlicher Treiber einer gesteigerten Ressourcen- und Energieeffizienz. Vor diesem Hintergrund ist das stetige Wachstum intelligenter Sensoren keine Überraschung. So nimmt, laut einer Studie der Robert Berger Stiftung, das Absatzvolumen von intelligenten Sensoren jährlich um 17 Prozent zu, sodass sich die Zahl der verkauften Einheiten zwischen 2015 und 2020 voraussichtlich auf 30 Milliarden verdoppeln wird. „Sensorhersteller haben den Vorteil in fast alle Anwenderindustrien liefern zu können“, so Thomas Simmons, Geschäftsführer bei AMA, Verband für Sensortechnik. Vermutlich einer der Gründe, warum AMA im zweiten Quartal ein Umsatzplus von zwei Prozent sowie konstante Exportraten von 40, beziehungsweise 70 Prozent – inklusive indirekter Exporte – vermeldet.

Als ein Vertreter des Digitalisierungstrends hat auch das Festo Motion Terminal (FMT) Absatzchancen in vielen Märkten. Durch die Kombination aus integrierter Funktion und Software-Apps können komplette Wertschöpfungsketten vereinfacht und vergünstigt werden, weil statt umfangreicher Hard- und Software nur noch eine Hardwarekomponente benötig wird: eine Paarung aus integrierter Hub- und Drucksensorik mit Piezotechnologie, die über sogenannte Motion Apps angesteuert wird. Das Festo Motion Terminal verwirklicht somit die Fusion aus Mechanik, Elektronik und Software in einem pneumatischen Produkt und erlaubt als Industrie-4.0-Komponente einen flexiblen und leicht adaptierbaren Einsatz. Das Ergebnis für den Endanwender ist ein Ventil mit vielen, über die App frei wählbaren Einsatzmöglichkeiten.

So kann ein einziges Ventil durch die Auswahl in der App beispielsweise als Proportional-Wegeventil, (modellbasierter) Proportional-Druckregler sowie zur Zu- und Abluftdrosslung, der Vorgabe einer energieoptimierten Betriebsweise oder Verfahrzeit, verschiedener Druckniveaus für das Öffnen und Schließen, Start und Stopp sowie einer Leckagedetektion genutzt werden. Ein Ventil, zehn Funktionen. Reichen diese nicht aus, können weitere Apps zugeschaltet und neue Funktionen aktiviert werden. Zeit- und kostenintensive Umbauten werden überflüssig. Auch die Wartung gestaltet sich problemlos, da nur ein Ventil und keinerlei zusätzliche Druckregler und -sensoren benötigt werden. Keine Zukunftsmusik, sondern bereits Realität. Ursprünglich ausgestattet mit sieben Mehrschichtfiltern, sieben Aktivkohlefiltern und 84 automatisierten Armaturen werden in der Filtrationsanlage für ein kommunales Wasserwerk dank des Festo Motion Terminals VTEM zahlreiche Einzelkomponenten sowie Energiekosten eingespart. Durch unterschiedliche Druckniveaus für das Öffnen und Schließen von Prozessventilen wird der Verbrauch von Druckluft enorm reduziert. Integrierte Durchfluss- und Drucksensoren überwachen den Luftverbrauch und schalten die Zufuhr automatisch ab, wenn keine Druckluft verbraucht wird. Zugleich hat der Anwender die Möglichkeit, Leckagen frühzeitig zu erkennen, Warnungen reaktiv auszugeben und entsprechende Anlagenteile individuell abzuschalten.

Durch die Verschmelzung von Fluidtechnologie mit elektrischen Antrieben, Software und Vernetzbarkeit hat die Hydraulik eine Zukunft in der Automatisierung. Wurden für Hydraulikaggregate lange Jahre die einzelnen Komponenten von Konstrukteuren individuell zusammengestellt und dann mit viel praktischem Hydraulik-Know-how in Betrieb genommen, geht Bosch Rexroth neue Wege. Die Hydraulikaggregate der Serie CytroBox decken in kompakter Bauform als Plug-and-Run-Lösung den Leistungsbereich von 7,5 bis 30 kW ab. Alle Komponenten sind in einem schlanken Gehäuse untergebracht, das 50 Prozent weniger Aufstellfläche als bisherige Aggregate beansprucht. Ein drehzahlvariabler smarter Pumpenantrieb passt über vordefinierte Regler die Drehzahlen bedarfsgerecht an und senkt damit den Energieverbrauch um bis zu 80 Prozent.

Integrierte Softwarelösungen erfassen kontinuierlich Leistungs- und Betriebsdaten, um sie dezentral zu verarbeiten und verschlüsselt in die Cloud zu schicken. Dort haben Instandhalter Zugriff auf die Daten und können unabhängig von ihrem Standort schnelle Diagnosen stellen, Maßnahmen ergreifen und umfassendes Condition Monitoring betreiben. Auch einfache Statusabfragen von Ventilen, dezentral synchronisierte Bewegungen und eine Parameteränderung per Software, um flexibel auf neue Anforderungen zu reagieren, sind einfach möglich. Das Einbinden weiterer Diagnoseinformationen unterstützt zustandsorientierte und vorausschauende Wartungskonzepte und verkürzt dadurch Stillstands- und Wartungszeiten.

Beim Unternehmen Vectoflow, das sich schnell vom Start-Up zu einem etablierten Innovationsführer im Bereich der Strömungsmesstechnik entwickelt hat, entstehen hochpräzise Systeme mit stationären und instationären Strömungssonden im 3D-Druck. Entstanden aus dem Wunsch, hochpräzise fluidtechnische Messtechnik für jeden Kunden individuell fertigen zu können, produziert Vectoflow stationäre und instationäre Strömungssonden im 3D-Druck. Neben der Individualisierung spielen Miniaturisierung und Integration passgenauer Software eine wichtige Rolle. Das Ergebnis ist Messtechnik, die an nahezu jede Messaufgabe und jedes Messgebiet adaptierbar ist. So können mit Mehrlochsonden simultan Druck- und Temperatursignale gemessen, in Echtzeit ausgewertet und dadurch Strömungsgrößen sofort bestimmt werden. Basierend auf den Daten greift diese Technik ohne Umweg in die Steuerung eines Objekts ein.

Um die Instrumentierung künftig gleich in den Fertigungsprozess einbinden zu können, hat Vectoflow zusammen mit dem Fraunhofer IGCV und Aerosint ein Entwicklungsprojekt gestartet. Darin soll ermittelt werden, wie verschiedene Metalle und Materialien in einem 3D-Druck vereint werden können – laut Mitgründerin Katharina Kreitz der heilige Gral der Messtechnik. Auf diese Weise könnten Thermoelemente direkt bei der Fertigung in Triebwerks- und Gasturbinenschaufeln eingebracht werden – ohne nachfolgendes Fräsen, Bohren oder Erodieren. Auch komplex geformte Pitot-Röhren mit 3D-gedruckten Heizelementen wären möglich. Dadurch könnte vermieden werden, dass die als Geschwindigkeitssensoren an Flugzeugrümpfen angebrachten Strömungssonden bei bestimmten Wetterbedingungen vereisen. Denn Vereisung könnte zu verheerenden Unfällen führen.

Neue Wege geht Toposens, ein Münchner Start-up, das weltweit den ersten 3D-Ultraschallsensor entwickelt hat. Dieser kombiniert eine Hardware mit ausgeklügelten Algorithmen, um Objekte und Personen nach dem Prinzip der Echolokation aufspüren zu können. Basierend auf der Echoortung werden robuste 3D-Punktwolken in Echtzeit erstellt, die im Bereich Robotik und autonomes Fahren neue Möglichkeiten eröffnen. Im Gegensatz zu bestehenden Sensortechnologien beeinflussen Lichtverhältnisse oder Wetteränderungen die Funktionsweise nicht und selbst in schwierigen Umgebungen ist eine zuverlässige 3D-Distanzvermessung möglich. Damit ermöglicht der Sensor beispielsweise im Bereich autonomer Navigation, dass während der Bewegung eines Roboters Objekte in der unmittelbaren Umgebung kontinuierlich gescannt werden können.

Mithilfe der ermittelten Distanzdaten können in der Folge vorgegebene statische Karten erweitert und aktualisiert sowie der aktuelle Standort des Roboters angeben werden. Auch eine Trassenplanung, sprich die Planung von Bewegungen zwischen vordefinierten Wegpunkten, ist somit realisierbar: Sobald die Sensoren die Hindernisse in Echtzeit erkennen, initiiert er unmittelbar das Ausweichen. Um den praktischen Aufwand in der Entwicklung von passender Algorithmik zu reduzieren, können bestehende Ansätze bereits vorab in Sensorsimulationen erprobt und optimiert werden. Toposens folgt dabei den physikalischen Prinzipien des Ultraschalls und vertraut darauf, dass die vom Sensor zurückgegebenen Datenpunkte verlässlich repliziert werden.

Ein Blick über den Tellerrand zeigt, dass Sensoren inzwischen in allen Bereichen des Lebens Einzug halten. Dropnostix, ein Start-up aus Potsdam, integriert Sensoren direkt in den Pansen von Kühen und erlaubt durch das Online-Monitoring der Kuh ein frühzeitiges Erkennen von Krankheiten sowie ein effizientes Herdenmanagement. Durch das Messen der Körpertemperatur, des Bewegungsverhaltens und der Verdauungsaktivität lassen sich Aussagen über die Abkalbung, die Brunst und den allgemeinen Gesundheitszustand einer Kuh bestimmen. Die gemessenen Werte werden sowohl an einer Empfängerstation im Stall angezeigt als auch in die Cloud und an Smartphones weitergeleitet. Die Dresdner Uni-Ausgründung Senorics hat mit dem mobilen Biersensor Plan B den vom AMA vergebenen Innovationspreis 2019 gewonnen. Mit einem handlichen Infrarot-Spektrometer misst der Sensor während des Brauprozesses den Zucker- und Alkoholgehalt von Bier in Echtzeit, wodurch der Gärprozess ideal gesteuert werden kann.

Dr. Ronny Timmreck, CEO bei Senorics sieht mit seinem Produkt die Zielgruppe vor allem bei kleineren Craft- und Hobby-Bierbrauern. Neben der Bestimmung des Zucker- und Wassergehalts kann der Sensor künftig auch eingesetzt werden, um den Proteingehalt in Lebensmitteln zu ermitteln oder Schadstoffe in Textilien zu analysieren.

TecSence, ein Start-up aus Österreich, hat zur exakten Bestimmung des Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalts von Gasen und Flüssigkeiten optische Sensorsysteme entwickelt. Sie erlauben unabhängig von Fließgeschwindigkeit, Temperatur und Druck eine permanente Prozessüberwachung, etwa in der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie, der Biotechnologie, der pharmazeutischen und chemischen Industrie sowie bei Schweißprozessen. Die hochgenauen Messdaten werden drahtlos oder über Datenleitungen direkt an Prozessleitsysteme weitergegeben und erlauben in Echtzeit rechtzeitige Prozesskorrekturen. „Wir wollen den Lebensmittelherstellern die Sicherheit geben, dass die Qualität ihrer Produkte durch unsere Sensoren stabil gehalten werden kann“, sagt Geschäftsführer Johannes Krottmaier.

Diese Sensorik-Entwicklungen machen deutlich, dass der Entwicklungsgeist nicht nur in Asien oder im Silicon Valley spukt, sondern progressiv auch durch Tüftlerstuben der D-A-CH-Region wandelt. Kein Schreckgespenst, sondern geistreiche Ideen, von denen auch die Fluidtechnik künftig noch stärker profitieren wird.