Sensorik So finden Sie die richtige Sensorik für Industrie 4.0

Um die für eine Industrie-4.0-fähige Anwendung richtigen Sensoren auswählen zu können, müssen frühzeitig im Entwicklungsprozess grundlegende Fragen zu deren Aufgaben geklärt werden. Ein aktueller Leitfaden des VDMA hilft dabei.

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Ohne sie geht nichts: Bei der Umsetzung von Industrie 4.0 spielen Sensoren eine zentrale Rolle – sie liefern die Daten, auf deren Grundlage innovative Technologien und neue Geschäftsmodelle entstehen können. Daher kommt der Auswahl der richtigen Sensoren entscheidende Bedeutung zu für eine erfolgreiche technische und wirtschaftliche Umsetzung neuer Maschinen und Anwendungen.

An diesem Punkt setzt der „Leitfaden Sensorik für Industrie 4.0“ an, den das VDMA Forum Industrie 4.0 im Jahr 2018 veröffentlicht hat. Er soll Sensoranwender im Entwicklungsprozess sensorbasierter Anwendungen unterstützen und Kostentreiber aufdecken helfen. Hierfür definiert der Leitfaden sieben Leitfragen sowie Werkzeugkästen, die wiederum das Beantworten der Leitfragen erleichtern sollen.

Die Leitfragen zielen darauf ab, bereits früh in einem Entwicklungsprozess die verschiedenen Aspekte einer Sensoranwendung unvoreingenommen und ausgewogen zu beleuchten. Sie lauten kurz zusammengefasst:

1. Welchen Nutzen soll die Anwendung bieten?

Am Anfang steht die Auseinandersetzung mit dem Kern-Nutzen der neuen Sensoranwendung. Dabei ist es wichtig, sich vom Denken in technischen Lösungen zu trennen und vom Mehrwert für die spätere Zielgruppe der Anwendung auszugehen. Zwar hat die konkrete technische Ausgestaltung großen Einfluss auf die Kosten des Systems, für den Kunden spielt sie jedoch meist eine untergeordnete Rolle – im Gegensatz zum Nutzen. Dieser könnte beispielsweise in einer erhöhten Maschinenverfügbarkeit oder besseren Planbarkeit von Maschinenstillständen bestehen. Die Konkretisierung des Anwendernutzens hilft dabei, klarer zu spezifizieren, welche Anforderungen an das Sensorsystem bestehen – und welche für die Zielgruppe nebensächlich sind.

2. Welche Messgrößen sollen erfasst werden?

Ausgehend vom anvisierten Nutzen und dem vorhandenen technischen System sollten im nächsten Schritt diejenigen Messgrößen neutral diskutiert werden, mit denen eine technische Umsetzung des Gewünschten denkbar wäre. Schließlich können Effekte und Zustände eines technischen Systems oft auf verschiedene Arten erfasst werden – direkt und indirekt, über eine Messgröße oder durch Korrelation einer Reihe anderer Größen.

Auf Grundlage dieser Diskussion kann eine erste Auswahl der in Frage kommenden Sensortypen für die individuell definierten Messgrößen getroffen werden.

3. Welcher Bauraum und welche Schnittstellen stehen für das Sensorsystem zur Verfügung?

Das bereits vorhandene technische System, in das die Sensorik integriert werden soll, legt häufig grundlegende technische Eckpunkte fest: etwa die Schnittstellen für die Kommunikation, die jeweilige Energieversorgung, mechanische Befestigungsmöglichkeiten oder den zur Verfügung stehenden Bauraum. Zudem beschränken die in Frage kommenden Messgrößen und Sensortypen häufig auch die Möglichkeiten zur Positionierung des Sensorsystems und folglich den dort zur Verfügung stehenden Bauraum.

Umso enger die Vorgaben für Bauraum und Schnittstellen sind, desto wahrscheinlicher kommen am Markt verfügbare Sensorsysteme für die Anwendung nicht mehr in Frage. Die in diesem Fall zusätzlichen Entwicklungskosten in Kombination mit den im Maschinenbau oft geringen Stückzahlen führen dazu, dass die Kosten der Anwendung stark ansteigen können. Vor diesem Hintergrund sollte das Wechselspiel aus Messgröße, Sensortyp und den daraus ergebenden Bauraum- und Schnittstellen-Restriktionen intensiv erörtert werden.

4. Welche Umgebungsbedingungen herrschen?

Die auf Sensoren wirkenden äußeren Einflüsse und deren Ausprägungen sind so unterschiedlich wie die Anwendungen selbst. Daher ist es wichtig zu definieren, welchen Einflüssen ein Sensorsystem an den möglichen Sensorpositionen jeweils ausgesetzt wäre und wie lange es diesen Einflüssen standhalten müsste.

BUCHTIPPDas Buch „Industriesensorik“ beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

5. Welche Eigenschaften sollte das Messsignal für die geplante Dateninterpretation aufweisen?

Die Qualität des Messsignals ist die Basis für die technische Umsetzbarkeit der Sensoranwendung – und gleichzeitig ein starker Kostentreiber: Große Messbereiche oder hohe Messgenauigkeiten und Abtastfrequenzen haben große Auswirkungen auf Komponenten, Konstruktion und Entwicklungsaufwand eines Sensorsystems. Daher ist es sinnvoll, frühzeitig alternative Lösungen zu testen und zu klären, wie hoch die Minimalanforderungen an das Messsignal für die jeweiligen Messgrößen sind. So kann man später das günstigste Sensorsystem einsetzen, das allen Anforderungen entspricht.

6. Was haben ein Ausfall oder eine Fehlfunktion des Sensorsystems zur Folge?

Der Ausfall eines Sensorsystems im industriellen Einsatz kann gravierende Folgen haben. Ausgehend vom Nutzen des Anwenders ist es daher wichtig, die Folgen eines Ausfalls des Sensorsystems zu erörtern. Das Beantworten dieser Frage hilft den Aufwand abzuschätzen, der erforderlich ist, um einerseits Ausfälle zu vermeiden und andererseits die Funktionsfähigkeit des Systems zu qualifizieren.

7. In welcher Stückzahl soll das Sensorsystem eingesetzt werden?

Stückzahlen stellen aufgrund von Skaleneffekten den großen Stellhebel für Kosten von Sensorsystemen dar. Somit hängt auch die Wirtschaftlichkeit der Anwendung stark von der Stückzahl ab, in der das Sensorsystem abgesetzt werden kann.

Auf den Dialog vorbereitet

Der Leitfaden hält insgesamt fünf Werkzeugkästen bereit. Sie sollen helfen, möglichst schnell zu ersten funktionsfähigen Anwendungen zu kommen und frühzeitig Klarheit über die technische und wirtschaftliche Umsetzbarkeit zu erreichen. Auf dieser Grundlage sollten dann im Dialog mit Sensorherstellern Szenarien entwickelt werden, wie sich die Kostenstruktur eines anvisierten Sensorsystems in Abhängigkeit der abgenommenen Stückzahl verändern kann. (jv)

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