Smarte Sensoren: In der Summe mehr


Sensoren sind schon heute allgegenwärtig. Künftig wird ihre Zahl weiter steigen. Darüber hinaus werden die einzelnen Sensoren intelligenter, vernetzter, bekommen zusätzliche Sinne und Funktionen und liefern die Grundlage für die Digitale Transformation.

Ohne Daten wäre Industrie 4.0 und die digitale Transformation der Wirtschaft nicht denkbar. Sensoren liefern Daten. Sie sind allgegenwärtig und können immer mehr: mehr Messwerte, mehr Kommunikation, Vorverarbeitung der Messwerte. Auch autonome Sensoren mit eigener Energieversorgung und eigener Kommunikationsschnittstelle sind denkbar. Es lohnt sich ein Blick in die Forschungs- und Entwicklungsbereiche der Sensorhersteller.

Sensoren, die mehr können Der Sensorhersteller Sick stellt im Gegensatz zu vielen anderen Sensorherstellern seine anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen, kurz ASICs, selber her. Dies ermöglicht ihm beispielsweise die Kommunikationsschnittstelle IOLink direkt in den Sensor zu integrieren. Darüber hinaus werden Sensoren mit zusätzlichen «Sinnen» ausgestattet, die den Kontext von Ereignissen mitliefern. Dies kann zum Beispiel eine Lichtschranke sein, die gleichzeitig die Temperatur und den Zeitpunkt eines Ereignisses mitliefert. Durch diese zusätzlichen Daten kann die Performance des Sensors und der damit ausgestatteten Maschine enorm gesteigert werden.

In der Verpackungsindustrie bieten Lichtschranken von Sick, die zusätzlich Daten zum Ereignis liefern wie Zeitpunkt und Temperatur, viel Potenzial, Produktionsprozesse ressourceneffizienter zu gestalten.

Ein Beispiel: Eine Verpackungsmaschine stellt Chipstüten her. Bisher weisen Chipstüten meist eine breite Folienüberschneidung für die Schweissnaht auf. Diese resultiert aus einer Ungenauigkeit über den Zeitpunkt des Ereigniseintritts einer Lichtschranke. Würde die Lichtschranke eine genaue Information über den Zeitpunkt des Ereigniseintritts mitliefern, wäre die breite Folienüberlappung unnötig. Durch eine kleine Zusatzinformation, die der Sensor liefert, kann also sehr viel Material gespart und ein wertvoller Beitrag zur Wirtschaftlichkeit und verbesserter Ressourceneffizienz der Verpackungsherstellung geleistet werden. Mit diesem Konzept lassen sich verschiedene Funktionalitäten auf den Sensorchip packen. Doch das Konzept eignet sich noch für mehr. Wird der Sensor mit einer gewissen Intelligenz ausgestattet, kann er zusätzlich einfache Aufgaben der Steuerung übernehmen. Die hauseigene ASIC Herstellung von Sick ermöglicht die Erhöhung der Funktionalität des Sensors ohne zusätzlichen Platzbedarf.

Verschmelzung von Sensor und Auswerteelektronik
Ebenfalls auf die Integration von viel Funktion auf einem Chip setzt der Schweizer Sensorhersteller Sensirion. Dabei handelt es sich um ein noch junges Unternehmen, das 1998 als ETH Spinnoff startete. Mittlerweile agiert Sensirion weltweit. Sensirion entwickelt und produziert Sensorlösungen zur Messung der wichtigsten Umweltindikatoren wie Feuchte, Temperatur, flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), Feinstaub (PM2.5) und CO2 sowie Sensoren zur Messung und Steuerung von Gas- und Flüssigkeitsdurchflüssen. Die Produkte werden zum Beispiel in der Automobilindustrie, Medizintechnik und Gebäudetechnologie eingesetzt. Den Ansatz, Sensor und Auswerteelektronik auf einem Chip zu integrieren, macht die von Sensirion entwickelte CMOSens Technologie möglich. Auch die Integration von analoger und digitaler Signalverarbeitung zusammen mit dem Sensorelement auf einem Halbleiterchip basiert auf dieser Technologie. Funktionen wie Selbsttest, Lowbattery Betrieb, Linearisierung, Digitalisierung, Temperaturkompensation sowie Speicherzellen für Kalibrationsdaten können integriert werden. Die Fusion von Auswerteelektronik und Sensor kann Systemkosten und Baugrösse einsparen.

Sensirion setzt auch darauf, die kleinen leistungsstarken Sensorsysteme in Flip-Chip Packages zu produzieren. Damit werden beispielsweise die Feuchtesensoren so klein, dass sie sich problemlos in Smartphones und Wearables integrieren lassen.

Die Integration von zusätzlichen Funktionen auf den Asics der Sick Sensoren liefern einen hohen Mehrwert für die Gestaltung von effizienten Prozessen.

Sensordaten verknüpfen
Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Einzelteile, sagte schon Aristoteles. Das gilt auch oder gerade besonders für Daten, der Grundlage der Digitalisierung. Sie vollzieht sich in drei Phasen. Phase eins ist Sammeln von Daten über eine analoge Welt, um deren Abbildung in der digitalen Welt zu ermöglichen. Phase zwei umfasst die Datenfusion, bei der es darum geht, Daten aus verschiedenen Quellen zusammenzuführen und zu bewerten. Daten werden zu Informationen. Phase drei ist die kybernetische Phase, also die Phase, in der aufgrund der zusammengeführten und bewerteten Daten eine kontinuierliche Verbesserung eines Prozesses stattfindet. Dieses Phasenmodell hat auch Gültigkeit für Sensordaten. Die Fusion und Bewertung von Sensordaten kann sehr wertvolle Erkenntnisse liefern und fundierte und sichere Entscheide ermöglichen. Insbesondere bei autonom fahrenden Autos spielt die Sensordatenfusion daher eine grosse Rolle. Hier liefert beispielsweise die Fusion von Kameras, Radar- und Lidar- (Light detection and Ranging) Sensoren eine gute Entscheidungsgrundlage für die Steuerung von Autos. Jeder der Sensoren hat Stärken und Schwächen. Die Fusion der Sensordaten erlaubt es, die Schwächen der einzelnen Sensoren zu eliminieren. Ergebnisse der Daten werden auf Plausibilität geprüft, Sensoren redundant eingesetzt, zusätzliche Daten wie beispielsweise Landkarten werden mit in die Fusion einbezogen. Die Sicherheit autonom fahrender Fahrzeuge, so hoffen die Autohersteller, wird mit diesen Massnahmen auf nahezu 100 Prozent gesteigert 1. Doch auch in anderen Bereichen ist die Fusion von Sensordaten sinnvoll: Beispielsweise im Gesundheitswesen für die sichere Diagnose von Erkrankungen und natürlich in der produzierenden Industrie.

Die Fusion von thermischen, elektrischen, mechanischen und chemischen Sensoren kann dazu genutzt werden, den Zustand einer Produktionsumgebung oder einer Maschine sehr genau darzustellen. Die Erkenntnisse aus der Datenlage können für die vorausschauende Wartung der Produktionsanlage genutzt werden und die Anlagenverfügbarkeit stark erhöhen. Ausserdem kann die Energie- und Ressourceneffizienz entscheidend verbessert werden. Und viele anwendungsspezifische Nutzen werden darüber hinaus erreicht. Die Sensordatenfusion bietet noch ein grosses Potenzial, das es auf dem Weg zu Industrie 4.0 und Smart Factory zu heben gilt.

Heike Henzmann

Quellenverzeichnis
1 www.car-it.com/zentralorgan-fürs-auto/id-0050599



Community Führer Maschinen-, Metall, Elektro- und Elektronikindustrie der Schweiz 31 / 2017