Energieautarke Funksensoren für mehr Nachhaltigkeit in der Industrie 4.0
Ausgabe 01-2022:
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Sensoren sind in der industriellen Produktion ein essenzieller Bestandteil. Die erfassten Daten sind das erste Glied in der Kette, um zum Beispiel Qualitätskriterien zu prüfen oder Prozesse zu überwachen und zu automatisieren. Aufgrund der rasch voranschreitenden Digitalisierung werden die Anwendungsgebiete immer vielfältiger. So ist das Thema Nachhaltigkeit zunehmend ein wesentlicher Treiber für Industrie 4.0-Projekte und IIoT-Anwendungen (Industrial Internet of Things). Schließlich ist die Industrie für rund 40 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich.
Keine Batterien und Kabel
Die kabellosen Energy Harvesting-Funksensoren von EnOcean eignen sich hervorragend für eine Vielzahl an industriellen Anwendungen. Sie sind wartungsfrei, flexibel und kostengünstig zu installieren – ideale Voraussetzungen, um im Industrie 4.0-Umfeld nicht nur hohe Qualitätsstandards, sondern auch mehr Nachhaltigkeit sicherzustellen.
Die EnOcean-Sensoren gewinnen ihre Energie aus Bewegung, Licht und Temperaturunterschieden nach dem Prinzip des Energy Harvesting und benötigen weder Kabel noch Batterien für den Betrieb. Daher können sie flexibel direkt an beweglichen Maschinenteilen oder in schwer zugänglichen Bereichen montiert werden. Die Kombination aus Funk und Energy Harvesting ermöglicht neue Anwendungen ganz ohne Wartungsanforderungen und Batteriemüll.
Obgleich der eigentliche Batterietausch schnell passiert, treiben Anfahrt, Auffinden, Gerätetest und Dokumentation die Stundenkosten immens in die Höhe. Außerdem sind Ressourcenschonung und Umweltschutz ebenso wichtige Nachhaltigkeitsfaktoren: Rohstoffe wie Kupfer werden immer teurer und auch die schädlichen Bestandteile in Batterien stellen zunehmend ein Problem dar.
Die Industriedigitalisierung spiegelt sich auch in dem stark wachsenden Sensorenmarkt wider. So prognostizieren die Marktexperten von Mordor Intelligence für Funksensoren ein mittleres jährliches Wachstum von 23,5 Prozent bis 2026. Im Detail heißt es weiter: „Auf Energy Harvesting-basierende autonome drahtlose Sensorknoten sind eine praktische und kostengünstige Lösung. Die Technologie beseitigt einen der kritischen Faktoren, der die Verbreitung von drahtlosen Knoten begrenzt, indem sie genügend Energie zur Verfügung stellt, um den Sensorknoten jahrelang ohne Batteriewechsel mit Energie zu versorgen. Es ergeben sich erhebliche wirtschaftliche Vorteile, wenn diese energieautarken Sensoren im Vergleich zu festverdrahteten Lösungen zum Einsatz kommen.“[1]
Die Qualität im Blick
Im Produktionsprozess nehmen die Qualitätsüberwachung und -sicherung eine Schlüsselfunktion ein. Es muss sichergestellt werden, dass das Endprodukt den zuvor definierten Parametern entspricht. Sich ändernde Umweltfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und Luftqualität können erhebliche Qualitätsabweichungen zur Folge haben. In der Fertigung ist daher das sogenannte Goldene Batch relevant. Dieses Konzept sieht vor, dass genau die Umgebungsbedingungen identifiziert werden, in denen die beste Charge produziert wurde. Dies erfordert die Aufzeichnung von Prozesswerten im Zeitverlauf und die Analyse der Daten, um die kritischen Variablen zu bestimmen und diese dann konstant zu reproduzieren.
EnOcean-Sensoren können die dafür relevanten Umweltfaktoren fortlaufend überwachen und die gemessenen Daten in die Cloud oder an Edge-Komponenten senden. Die draht- und batterielosen Funksensoren eignen sich für solche industriellen Anwendungsbereiche, da sie an bewegten Teilen oder in schwer zugänglicher Umgebung eingesetzt werden können, z.B. zum Erfassen der Temperatur von Flüssigkeiten, von Gasen, Geräten oder Maschinenteilen sowie zum Messen von Motorströmen. Mit den energieautarken Sensoren sparen sich die Unternehmen die aufwändige – und gerade im Industrieumfeld kostenintensive – Verkabelung und den regelmäßigen Batteriewechsel.
Schon heute wissen, was morgen kaputt geht
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist Predictive Maintenance. Durch die vorausschauende Wartung erkennen sensorbasierte Systeme einen sich abzeichnenden Schaden an Maschinen beziehungsweise an einzelnen (Verschleiß-)Teilen wie Ventilen oder Bremsen bevor er auftritt, beispielsweise durch Erfassung von abnormalen Temperaturverläufen. Dazu verknüpft ein Algorithmus die historischen Maschinen- und Produktionsdaten mit den aktuellen Sensordaten, sodass die Merkmale eines baldigen Ausfalls zu einer Benachrichtigung der Techniker führen. Das bedeutet eine Abkehr von regelmäßig angesetzten Wartungsintervallen und damit eine deutliche Kostenreduzierung. Denn einerseits garantiert die kontinuierliche Überwachung einen reibungslosen Fertigungsablauf und verhindert Produktionsausfälle, andererseits fallen Wartungskosten nur bei tatsächlichem Bedarf an. Auch hier besteht die Herausforderung oft darin, dass das Monitoring an bewegten oder schwer zu verkabelnden Teilen erfolgen muss.
Interoperable und sichere Datenübertragung
In der Industrie 4.0 sind sämtliche Produktionsschritte vollständig vernetzt und meist in einem Digitalen Zwilling abgebildet. Dazu müssen Daten kontinuierlich versendet, ausgetauscht und analysiert werden. Wichtig für den Erfolg ist, dass die Daten nicht in Datensilos innerhalb einzelner Anwendungen oder Anlagengruppen verbleiben, sondern der Austausch zwischen den Ebenen durchgängig und anwendungsneutral ist. Standardisierte und zertifizierte Protokolle sind daher ein Muss, um Interoperabilität zu gewährleisten. Immens wichtig ist das Thema Sicherheit in industriellen Anwendungen. Dementsprechend sind Sensordaten verschlüsselt und lassen keinen Zugriff auf das Netzwerk zu.
Die Industrie erlebt durch Corona aktuell einen enormen Digitalisierungsschub und die Sensorik ist die Grundlage dafür. Das Internet of Things und damit die Industrie 4.0 beruhen auf den Sensordaten, ohne die vernetzte Prozesse und Auswertungen nicht möglich wären. Insbesondere wenn nur geringe Datenmengen zu übertragen sind und eine Verkabelung aufwändig ist, eignen sich energieautarke Funksensoren für die Industrie 4.0 basierend auf der Energy Harvesting-Technologie hervorragend.
[1] https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/wireless-sensors-market
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