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Sensorik

Smart vernetzte Sensoren für Industrie-4.0-Anwendungen

| Redakteur: Katharina Juschkat

Mit intelligenten Sensoren lassen sich vernetzte Prozesse zuverlässig überwachen und regeln. Daraus haben Fraunhofer-Forscher jetzt ein Überwachungs- und Optimiertungssystem mithilfe intelligenter Sensorknoten entwickelt.

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Das auf intelligenten Sensorknoten basierende Überwachungs- und Optimierungssystem verbessert beispielsweise Mischverfahren auf Doppelschneckenextrudern
Das auf intelligenten Sensorknoten basierende Überwachungs- und Optimierungssystem verbessert beispielsweise Mischverfahren auf Doppelschneckenextrudern
(Bild: Coperion / Volker Schrank)

Intelligente Sensoren überwachen und regeln Produktionsprozesse und sorgen dafür, dass vernetzte, autonome Arbeitsprozesse zuverlässig ablaufen. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) haben diese Technologien im Projekt „Im Process 4.0“ genutzt und ein auf intelligenten Sensorknoten basierendes Überwachungs- und Optimierungssystem für Mischverfahren mit Doppelschneckenextrudern entwickelt. Das Ergebnis: Schäden werden früher erkannt, der Verschleiß reduziert und Wartungs- sowie Reparaturtermine optimiert.

Überwachungssystem aus intelligenten Sensoren

Das am Beispiel eines Doppelschneckenextruders entwickelte Überwachungs- und Optimierungssystem besteht aus intelligenten Sensoren mit integrierter Sensordatenvorverarbeitung sowie einem multifunktionalen Gateway zur Datenaufbereitung und Prozessrückwirkung. Für das Projekt identifizieren die Forscher zunächst geeignete Sensorarten und Auswertungsverfahren, die ungünstige Maschinenzustände eines Extruders, wie beispielsweise Verschleißzustände, erkennen sowie Eingriffsmöglichkeiten in die Prozesssteuerung. Daraus leiteten sie Anforderungen an die Konfiguration der intelligenten Sensorknoten ab und definierten eine Systemarchitektur, Anwenderschnittstellen, Datenprotokolle und Datenformate. Über standardisierte Schnittstellen soll eine einfache, nachträgliche Integration in bestehende Unternehmensnetzwerke ermöglicht werden (Retro-fitting).

Der intelligente Sensorknoten dient der Zustandsüberwachung.
Der intelligente Sensorknoten dient der Zustandsüberwachung.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Zudem setzten die Forscher eine Signalvorverarbeitung um, mit der sich Messdaten bereits im Sensorknoten reduzieren lassen. Über ein multifunktionales Gateway werden die vorausgewerteten Sensordaten gesammelt, verarbeitet und einerseits über einen Datenpool als Information zur Verfügung gestellt. Andererseits werden die Daten zur Identifikation von Schädigungen mit ermittelten Datenkollektiven abgeglichen.

Sensordateninformation in der Cloud bereitstellen

Nicht messbare Prozessdaten lassen sich in dem neuen System modellbasiert berechnen. Um kritische Systemzustände zu vermeiden und den Verschleiß zu reduzieren, sorgen Optimierungsalgorithmen für eine direkte zustandsbasierte Rückwirkung auf die Prozesssteuerung. Aufgrund des modularen Aufbaus der entwickelten Sensorknoten lassen sich diese flexibel auf verschiedene Produktions- oder Arbeitsprozesse anpassen. Basierend auf definierten Zielanforderungen werden Prozesse autonom optimiert und Folgeprozesse in die Betrachtung integriert. Die Sensordateninformation können in einem Datenpool, etwa für einen Cloud Dienst, bereitgestellt werden.

Zustandsüberwachung oder Wartungsplanung als mögliche Anwendungen

Mit dem neu entwickelten Überwachungssystem kann das Institut Unternehmen bei der Zustandsüberwachung oder Wartungsplanung unterstützen. Gemeinsam mit Herstellern und Anwendern von Maschinen und Anlagen können die Experten das modulare, anpassungsfähige System auf unterschiedliche Prozesse und Maschinen in Unternehmen übertragen.

Dabei erleichtert die Vernetzung der Daten über einen Datenpool die Statusüberwachung für die jeweilige spezifische Anwendung über alle Maschinen und Operationen hinweg. „Durch die Kombination vorhandener Daten aus der Maschinensteuerung mit ausgewählten, zusätzlich erfassten Sensordaten können wir kritische Betriebszustände oder Materialschwankungen erkennen und Fehlchargen oder Maschinenausfälle minimieren“, erklärt Dr. Christian Beinert, Abteilungsleiter Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung im Fraunhofer LBF.

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