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Heute schon elektrisch die Zähne geputzt, den Puls auf der Smartwatch kontrolliert oder die Einparkhilfe des Autos bemüht? Ob Zuhause, am Handgelenk oder im Pkw: Sensoren begegnen uns längst überall im Alltag. Die elektronischen Bauteile haben aber noch viel mehr auf dem Kasten. Thomas Ostermann, Sales Manager bei apra-norm, erklärt, warum das Konzept der Industrie 4.0 ohne Sensoren zum Scheitern verurteilt ist und worauf es beim Schutz der wichtigen IIoT-Komponenten ankommt.
Regentropfen trommeln auf die Frontscheibe – und erwecken die Scheibenwischer automatisch zum Leben. Der Saugroboter erkennt auf seiner Reinigungstour durch die Wohnung die im Weg liegenden Schuhe und umfährt sie. In der Fabrikhalle erhält der Werker eine Warnung, weil das Bauteil einen Kratzer aufweist und nicht verbaut werden darf. So unterschiedlich diese Beispiele auf den ersten Blick auch wirken, haben sie doch einen gemeinsamen Nenner: Sensoren.
Die Sensoren, die uns als meist unsichtbare Helferlein die Annehmlichkeiten des Alltags bescheren und unser Zuhause smart machen, sorgen in der Industrie für eine echte Revolution. So komplex und clever die Technik ist, so logisch und vor allem ökonomisch ist es für Unternehmen, sie zu nutzen. Denn Sensoren sind auch Voraussetzung für Industrie 4.0, also die intelligente Vernetzung von Maschinen und die Automatisierung von Prozessen. „Mit zunehmender Digitalisierung in der vierten industriellen Revolution haben Sensoren Einzug in verschiedenste Branchen gehalten, z.B. in den Maschinen- und Anlagenbau, die Automobilindustrie oder auch in die Mess- und Prüftechnik – um nur einige zu nennen“, sagt Thomas Ostermann, Sales Manager bei apra-norm.
Das Besondere an Sensoren: Sie ersetzen oder ergänzen die menschlichen Sinnesorgane. Je nach Einsatzgebiet können Sensoren Eigenschaften wie Druck, Temperatur, Position, Vibration, Luftfeuchtigkeit oder Flüssigkeit messen. „Vereinfacht gesagt: Sensoren erfassen einen Ist-Wert und leiten ihn an die Datenverarbeitung weiter. Dann wird er mit dem Soll-Wert abgeglichen. Bei Abweichungen kann entsprechend reagiert werden“, erklärt Thomas Ostermann.
Ein einfaches, aber effektives Beispiel aus der Lebensmittelindustrie, das die Unternehmens-Ressourcen schützt: Ein Temperatursensor überprüft, ob den Tiefkühlerbsen auf ihrer Reise entlang der gesamten Kühlkette, von den Stationen der Produktion bis ins Supermarktregal, nicht zu warm wird. Dafür misst er in Echtzeit konstant die im Produktionsprozess herrschende Temperatur und leitet die Werte zum Abgleich an ein übergeordnetes System. Liegt die Gradzahl über dem zulässigen Limit, greifen die Mitarbeiter rechtzeitig ein. Manche Sensoren nehmen Anpassungen sogar selbstständig vor. Dieses sensorbasierte Temperaturmonitoring stellt sicher, dass die Lebensmittelqualität einwandfrei und die Haltbarkeit nicht beeinträchtigt ist – das verhindert mögliche Gesundheitsschäden beim Konsumenten und erspart dem Hersteller einen kostspieligen finanziellen Schaden.
Wettbewerbs- und Kostendruck sowie immer komplexere Kundenanforderungen: Industrieunternehmen stehen vor der großen Herausforderung, ihre gesamte Wertschöpfungskette zu optimieren. Dafür brauchen sie vor allem: Daten, Daten, Daten. Die Quelle, die zu diesem Zweck angezapft wird, ist das Industrial Internet of Things (IIoT).
Das IIoT als Schlüsseltechnologie der Industrie 4.0 ist eine speziell auf das industrielle Umfeld und damit verbundene Anforderungen zugeschnittene Variante des Internet of Things (IoT). „Im Gegensatz zum Internet of Things, bei dem es vorrangig um die Vernetzung von Geräten von Endkonsumenten geht, fokussiert sich das IIoT auf Konzepte wie Smart Factory, Automation oder auch Predictive Maintenance, etwa im Energie- und Entsorgungssektor“, so Thomas Ostermann. Grundlage ist eine intelligente Vernetzung, im industriellen Bereich vor allem die Vernetzung von Maschinen untereinander. Ziel ist eine automatisierte Produktion mit rationalisierten, flexiblen und effizienten Prozessen.
Doch IIoT hungert nach Daten. Genau hier kommen Sensoren ins Spiel. Sie arbeiten als künstliche Sinnesorgane, um relevante Prozessparameter zu sammeln und für weitere Analysen weiterzuleiten. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen als Entscheidungsgrundlage für den Betrieb sowie die Steuerung und Wartung von Anlagen. Notwendige Anpassungen lassen sich in Echtzeit vornehmen. Aber auch Wartungsbedarf sehen intelligente Sensoren verlässlich vorher. Das führt im Idealfall dazu, dass Produktionsstörungen und -Unterbrechungen minimiert werden und das Produktionsvolumen steigt.
Anders als beim Internet of Things liegt der Fokus des Industrial Internet of Things also nicht auf der alltäglichen Interaktion mit dem Menschen, sondern auf dem Monitoring und der Analyse von komplexen industriellen Prozessen sowie der Machine-to-Machine-Kommunikation. Deshalb erfordern IIoT-Technologien eine signifikant höhere Präzision der Sensoren, was mit einer höheren Sensibilität der Bauteile einhergeht. Gleichzeitig sind Sensoren im industriellen Einsatz auch problematischen Umgebungseinflüssen wie Nässe, Verschmutzungen oder aggressiven Flüssigkeiten ausgesetzt. Nur wenn sensible elektronische Bauteile verlässlich geschützt sind, bleiben Messergebnisse aussagekräftig und es kommt nicht zu Verfälschungen oder Defekten. Spezielle Sensorgehäuse leisten beides: stabile Vernetzung und Schutz.
Gehäuse für Sensoren sind also ein entscheidender Faktor für die Funktionalität des IIoT – dafür müssen sie aber bestimmte Spezifikationen erfüllen. „Da die Größe des Gehäuses von der verwendeten Elektronik und Batteriegröße abhängt, ist es sinnvoll, wenn der Sensorschutz zusätzlich zu Standardgrößen auch auf kundenindividuelle Maße angepasst werden kann“, weiß Thomas Ostermann. Grundsätzlich müssen Gehäuse Platz für die innenliegenden Sensoren, ein Funkmodul und die Spannungsversorgung bieten.
Deshalb bietet der Elektronikgehäusehersteller apra die Gehäuse seiner neuen Produktlinie apraSens zum Beispiel aktuell in zwei Größen aus Kunststoff an. Weitere Größen sind geplant, auch kundenindividuelle Baugrößen sind möglich.
Der Vorteil von Kunststoff ist zum einen, dass das Material kostengünstig ist. Kunststoff lässt sich einfacher mechanisch bearbeiten, etwa für Bohrungen oder Ausfräsungen, und ist für innenliegende Funkantennen geeignet“, sagt Thomas Ostermann. Mit Blick auf mögliche externe Einflüsse ist es wichtig, dass die Sensorgehäuse Hitze und Feuchtigkeit standhalten und mechanisch belastbar sind. apra-norm nutzt deshalb schwer entflammbares, selbstverlöschendes Polycarbonat der Brandschutzklasse UL94-V0. Die Gehäuse für Sensoren erfüllen zudem die IP-Schutzarten 40 oder 65. „Je nach Einsatzgebiet reicht ein Gehäuse ohne Dichtung mit IP 40. Hier ist ein Schutz gegen Eindringen von 1mm großen Fremdkörpern gewährleistet. Unsere Sensorgehäuse der Schutzklasse IP 65 sind mit einer Dichtung ausgestattet – gegen Strahlwasser und Staub. Zusätzlich können wir im Gehäuse eine Druckausgleichsmembran integrieren, sodass Sensoren auch für den Außeneinsatz bereit sind.” Außenliegende Sensoren lassen sich mittels Kabel anschließen, hier gewährleistet die optionale PG10-Verschraubung mit Dichtung einen hohen IP-Schutz.
Je nach Einsatzort und Anwendungsbereich sind vielfältige Befestigungsmöglichkeiten von Vorteil, die für einen sicheren Halt der Sensoren sorgen. So können Anwender die Gehäuseserie apraSens entweder einfach anschrauben oder mit Kabelbindern an einem Rohr sowie optional mit einer Hutschienenklammer an der Hutschiene im Schaltschrank/Klemmkasten befestigen.
Immer mehr Technologien nutzen die Intelligenz von Sensoren. Die maschinellen Sinnesorgane sorgen nicht nur dafür, dass unser Alltag smart wird, sondern heben auch industrielle Prozesse auf ein neues Effizienzlevel. Jedoch stoßen auch die leistungsfähigsten Sensoren an Grenzen, wenn sie äußeren Störungsfaktoren schutzlos ausgesetzt sind. Durchdachte Gehäuse erhalten die Funktionalität der Sensoren und stellen so sicher, dass sich die Investition in IIoT-Technologie für Unternehmen auf dem Weg in die Industrie 4.0 nicht nur kurzfristig, sondern auch langfristig lohnt.