Technologiebaukasten auf dem Weg zu autonomen Industrie-4.0-konformen Sensor/Aktor-Systemen

Ilmenau, 19.04.2018. Die Thüringer Forschergruppe Green-ISAS präsentierte Vertretern des projektbegleitenden Beirats aus zwölf Unternehmen und drei Forschungseinrichtungen am 18. April 2018 beim dritten Statusworkshop am IMMS den Stand der Arbeiten zu Grundlagentechnologien für autonome Industrie-4.0-konforme Sensor/Aktor-Systeme anhand von drei Demonstratoren und vier Fachvorträgen.

„Die Unternehmen wünschen sich eine vernetzte, automatisierte und flexible Produktion, um effizienter hohe Qualität bieten zu können. Dazu muss man an vielen Stellen viele Mess- und Steuerdaten erfassen, verarbeiten und transportieren. Die Maschinenparks in den Firmen sind dafür oft noch nicht ausgelegt, lassen sich aber auch nicht ohne weiteres mit der notwendigen Sensorik nachrüsten,“ so die Sprecherin des Green-ISAS-Industriebeirats Dr. Katja Nicolai, Leiterin F&E, IL Metronic Sensortechnik GmbH. „Diese Sensorik kann nicht einfach überall ergänzt werden, sondern müsste in vielen Fällen autark an einer Anlage arbeiten. Dort muss die Sensorik zunehmend komplexe Aufgaben erfüllen, darf dabei aber nur wenig Energie verbrauchen. Dieser Spagat ist noch nicht ohne weiteres möglich, hier stößt die Technologie häufig an Grenzen und es ist noch einiges an Forschungsarbeit notwendig. Kleine und mittlere Unternehmen können das allerdings nicht im Alleingang leisten.“

Fünf Wissenschaftler des IMMS, darunter drei Doktoranden, erforschen und entwickeln seit 2016 gemeinsam mit einem Forscherkollegen der Technischen Universität Ilmenau unter der Leitung von Prof. Dr. Ralf Sommer, dem wissenschaftlichen Geschäftsführer des IMMS, in Green-ISAS breit einsetzbare Basislösungen für hochleistungsfähige, intelligente und autonome Sensor/Aktor-Systeme, die ein Schlüssel für vielfältige Industrie-4.0-Anwendungen sind. Noch bis Oktober 2018 arbeiten die Forscher daran, smarte Sensorik energieeffizienter zu machen, für diese Systeme mehr Energie bereitzustellen und den Ressourcenbedarf durch neue Systemarchitekturansätze und intelligentes Energiemanagement zu optimieren. Ausgewählte Entwicklungen und Aufbauten haben die Forscher bereits auf wissenschaftlichen Konferenzen vorgestellt, wie z.B. zur internationalen Fachkonferenz zur Entwurfsautomatisierung elektronischer Systeme DATE im März 2018, sowie zur internationalen Konferenz und Fachmesse IDTechEx im April 2018. Den Gästen des Statusworkshops bot sich eine Gesamtschau über Ergebnisse aus allen in Green-ISAS verfolgten Forschungsgebieten.

In Green-ISAS wurden zwei anwendungsspezifische integrierte Schaltungen mit sehr niedrigem Energiebedarf entwickelt und in die Fertigung übergeben – ein RFID-Kommunikationschip sowie ein Temperatursensorchip mit integrierten Ultra-Low-Power-Signalverarbeitungsschaltungen (ULP). Im Statusworkshop wurde die eigens am IMMS entwickelte Messtechnik für solche ULP-Komponenten mit hohem Dynamikumfang präsentiert, welche Lücken bei kommerziellen Mess-Systemen füllen können. Die ULP-Konzepte beinhalten unter anderem, energieintensive Schaltungselemente durch eine zeitkodierte Signalverarbeitung zu ersetzen. Damit werden Messwerte in ein Zeitsignal umgewandelt, das sich bei minimalem Energieverbrauch digital verarbeiten lässt. Ultra-Low-Power-Schaltungen sind die Voraussetzung für passive RFID-Sensorik. Dabei erzeugt eine RFID-Ausleseeinheit ein elektromagnetisches Feld mit einer Frequenz von 868 MHz, das dazu ausreicht, einen passiven RFID-Tag mit Energie zu versorgen sowie Messdaten zu erfassen und zu senden. Der in Green-ISAS entwickelte passive RFID-Chip soll das Auslesen von Daten über Distanzen von bis zu zehn Metern ermöglichen. Zum Statusworkshop wurde ein Testaufbau für RFID-Kommunikation zwischen Reader und Tag gezeigt.

Im industriellen Umfeld und in der Logistik sind mechanische Bewegungen allgegenwärtig und können über die Wandlung von Vibrationen die Energie für eben jene smarte Sensorik liefern, die diese Maschinen und Anlagen überwachen sollen. Elektromagnetische Energy Harvester können baulich sehr unterschiedlich gestaltet werden. Ein Ziel von Green-ISAS ist, für verschiedene Anwendungen optimierte elektromagnetische Energy Harvester mit maximaler Energieausbeute schnell entwerfen zu können. Das IMMS hat in Green-ISAS eine Entwurfsmethodik für anwendungsspezifische elektromagnetische Energy Harvester entwickelt und begonnen, diese als Design-Tool in der Software MATLAB® zu implementieren. Den Vertretern des Projektbeirats wurde als Demonstrator ein mit diesem Tool entworfener optimierter elektromagnetischer Harvester mit reduziertem Bauraum in Aktion präsentiert. Der Harvester versorgte ein autarkes Sensorsystem, das Temperaturdaten über einen Industrie-PC an eine Datenbank und eine webbasierte Visualisierungssoftware schickte.

Zum Statusworkshop wurde ein am IMMS realisierter Aufbau präsentiert, mit dem der Fortschritt bei der Entwicklung einzelner Komponenten eines energieautarken Systems nachgewiesen und demonstriert werden kann. Mit dem Aufbau ist es möglich, im Labor das Verhalten von Maschinen und Industrieanlagen nachzubilden. Damit wurden unter anderem die bereits erarbeiteten Ansätze für das Energiemanagement illustriert. Der gezeigte energieautarke Funksensor mit adaptivem Messverhalten verfügt über ein intelligentes Energiemanagement, mit dem die Messrate an das vorhandene Energiebudget und an Umgebungsbedingungen angepasst wird. Dieser Funksensor wird von dem oben genannten miniaturisierten elektromagnetischen Energy Harvester mit Energie versorgt und kann die Sensordaten drahtlos über größere Entfernungen übertragen.

Die Konzepte gaben den Anlass für angeregte Diskussionen zu Potenzialen und Anwendungsmöglichkeiten zwischen Forschern und Vertretern des Beirats, dessen Spektrum von Halbleiter-Herstellern über Sensor- und Messgerätehersteller bis zu Sensorik-Anwendern und Maschinenherstellern reicht. „Aus meinem Blickwinkel als Sensorhersteller und dem unserer Kunden sprechen die heute vorgestellten Ergebnisse für sich,“ fasst Dr. Katja Nicolai zusammen. „Die energieautarken und drahtlosen Lösungen bahnen den Weg für einfache und kostengünstige Nachrüstmöglichkeiten. Anwendungen sehe ich über Industrieprozesse hinaus unter anderem auch in der Logistik.“