Sensorik: Das Internet of Things wäre ohne Sensoren undenkbar

Sie sind die Sinnesorgane im Internet der Dinge: Kameras, Messfühler und Schallsensoren, die ihr Umfeld erfassen und in Sekundenbruchteilen Millionen von Messwerten liefern. Die technische Sensorik als Teildisziplin des Gesamtkomplexes Sensorik befasst sich speziell mit künstlichen Sensoren vom Drucksensor bis zur Photozelle.

Vorbei sind die Zeiten, als Ingenieur:innen Prüfstücke vom Fließband nahmen, um diese im Labor per Messschieber zu kontrollieren. Moderne Sensoren in einer Smart Factory arbeiten in Echtzeit und vermessen lückenlos die gesamte Fertigung. Was diese Sensoren heute alles können und wie Sie dieses Potenzial im Internet of Things (IoT) für sich nutzen, lesen Sie hier.

Was ist Sensorik?

Die Sensorik ist die Lehre von der Erfassung und Übermittlung von Impulsen und Zuständen. Während die Sensorik in Biologie und Medizin die Sinneswahrnehmung von Lebewesen behandelt, betrachtet die technische Sensorik technische Geräte zur Messwertermittlung. Eine Sonderstellung nimmt die Bionik ein, die technische Sensoren nach Vorbildern aus der Natur entwickelt oder sie in Teilbereichen sogar mit der Natur verschmilzt (Biosensoren).

Als technischer Sensor gilt die kleinste Einheit, die ihre Umwelt erfasst und die von ihr ermittelten Daten an andere Systeme weiterleitet. Dies geschieht in der Regel per elektrischem oder optischem Impuls oder als Zahlwert in digitaler Form.

Die technische Sensorik wird im deutschsprachigen Raum unterschiedlich abgegrenzt. Je nach Definition umfasst sie:

nur die eigentlichen Sensorelemente der Messtechnik
zusätzlich binär schaltende Systeme wie beispielsweise Lichtschranken und Sicherheitsabschaltungen
auch komplexe Mess- und Regelsysteme zur Automatisierung in Labor und Industrie

Neben der technischen Entwicklung der Sensoren gewinnt auch ihre technische und logische Anbindung an das Internet of Things an Bedeutung. Über moderne Bus-Systeme können selbst große Sensorarrays mit vielen Einzelsensoren ihre Messwerte nahezu ohne Verzögerung weiterleiten. Moderne Übertragungsstandards wie der 5G-Mobilfunk erlauben in der Smart Factory die Datenübermittlung kabellos und in Echtzeit über die Luftschnittstelle.

Sensortechnik: So funktionieren Sensoren

Ein Sensor erfüllt keinen Selbstzweck. Er ist immer Teil eines größeren Systems. Ein solches System kann unterschiedlich komplex sein und unterschiedliche Aufgaben erfüllen.

Oft arbeiten technische Sensoren innerhalb eines Regelkreises mehrstufig. Mit zunehmender Spreizung zwischen Soll- und Istwert lösen sie unterschiedliche Prozesse aus:

0. Stufe/Normalbetrieb: Der Sensor arbeitet rein informativ. Über die gesamte Laufzeit gibt er seine Messdaten an ein lokales Anzeigeinstrument oder die Steuerzentrale weiter.
1. Stufe: Sensor initiiert einen Ausgleich innerhalb des Systems, beispielsweise durch den Befehl zum Absenken der Drehzahl oder das Öffnen eines Überdruckventils (Versuch der Selbstregulierung).
2. Stufe: Alarm: Herbeirufen der Maschinenführer:innen durch akustisches Signal oder Blitzleuchte, wenn der gemessene Wert trotz Regulation weiter ansteigt.
3. Stufe: (Not-)Abschaltung der gesamten Anlage oder zunächst Teilen davon, wenn der Detektorwert weiter ansteigt.

Je nach Auslegung eines Systems können Stufe 1 und 2 auch in umgekehrter Reihenfolge vorhanden sein. Die einzelnen Stufen sind unabhängig voneinander. Jede von ihnen wird allein durch ihre jeweilige Alarmschwelle getriggert. Eine Notabschaltung der Stufe 3 bei Überschreiten des höchsten Alarmwertes erfolgt also auch dann, wenn es zuvor noch keinen Regelungsversuch auf Stufe 1 gegeben hat.

Komplexität sensorgeführter Regelsysteme

Im einfachsten Fall liefert ein Sensor an einer Industriemaschine lediglich Messwerte, die beispielsweise von Maschinenführer:innen abgelesen werden, ohne dass der Sensor selbst innerhalb der Anlage weitere Prozesse anstößt. Typische Beispiele sind ablesbare Manometer und per Drehzahlmesser oder Lichtschranke getriggerte Zählwerke, die Waren auf einem Laufband zählen. Allein der Mensch entscheidet hier, wie er die vom Sensor ermittelten Daten bewertet und ob er hieraus Aktionen ableitet.

Die nächsthöhere Komplexitätsebene umfasst Systeme, in denen Sensoren einfache binäre Impulse auslösen. Ein Beispiel hierfür ist eine Anlage mit einem Überdruck- oder Überspannungssensor, der eine Notabschaltung der Anlage auslöst. Aber auch ein simpler Zähler, der nach einer vorher definierten Stückzahl die Abholung der fertigen Werkstücke am Ende der Fertigungsstraße anstößt, kann Teil eines binären Systems sein. Binäre Systeme können sich selbst in sehr engen Grenzen regeln, sie können aber auch andere Maschinen beauftragen, etwas zu tun.

In der Industrie 4.0 mit ihren untereinander kommunizierenden Systemen haben IoT-Sensoren und die Weiterleitung ihrer Messwerte besonderes Gewicht. Dort sendet beispielsweise eine Abfüllanlage eine elektronische Nachricht (ein sogenanntes Telegramm) per Machine-to-Machine-Kommunikation an die Basisstation der autonomen Förderfahrzeuge am Standort. Die Software der Basisstation überprüft dann, welches nächstgelegene Förderfahrzeug gerade den Status „leer“ hat, und beauftragt dieses mit der Abholung. Das Fahrzeug sucht sich daraufhin autonom den Weg zum Zielort und weicht hierbei stehenden Hindernissen aus oder handelt mit anderen selbstfahrenden Maschinen per Datenfunk ein gegenseitiges Ausweichen aus.

Aber auch eine Abholdrohne kann auf diesem Wege gerufen werden, sofern ihre Tragfähigkeit für das Palettengewicht ausreicht. So kann ein einfaches binäres Sensorsignal („Palette voll“) ohne menschliches Zutun einen sehr komplexen Ablauf anstoßen. Dies ist eine der vielen Stärken des vernetzten Internet of Things.

Sensorgeführte Regelkreise

Auf einer höheren Ebene arbeiten Systeme mit echten sensorgeführten Regelkreisen. Ein solcher Regelkreis kann digital als Schaltungslogik ausgeführt sein. Er kann aber auch unter Ausnutzung physikalischer Gesetze mechanisch analog funktionieren.

Ein Beispiel hierfür ist die von James Watt erfundene Fliehkraftregelung an Dampfmaschinen: Hierbei rotieren zwei an Gelenkarmen montierte Gewichte um eine senkrechte Achse, die vom Kolben der Dampfmaschine in Rotation versetzt wird. Je schneller die Achse sich dreht, desto stärker werden die Gewichte durch die Fliehkraft nach außen getragen, heben dabei die Gelenkarme an und aktivieren so eine Drossel, die die Dampfzufuhr hemmt.

Läuft die Dampfmaschine wieder langsamer, sinken die Gelenkarme mit den Gewichten durch die Schwerkraft nach unten, schieben die Drossel zurück und geben damit wieder mehr Dampf frei. Im Ergebnis entsteht so ein einfaches, selbstregulierendes System mit einem mechanischen Drehzahlsensor. Indem das System mit den überall dauerhaft verfügbaren Kräften Fliehkraft und Schwerkraft arbeitet, ist es sehr zuverlässig, sofern seine Mechanik regelmäßig gewartet wird.

Sehr ähnlich funktioniert ein elektronischer Maschinenregelkreis, etwa unter Verwendung diskreter kapazitiver Sensoren in einer Industrieanlage. Die große Stärke digitaler Systeme ist deren leichte und vielfältige Programmierbarkeit. Ein Auftrag an eine digitale Logik kann lauten: Schalte Maschine X ab, wenn Sensor A Messwert X detektiert ODER Sensor A UND Sensor B jeweils Messwert Y detektieren UND Sensor C in Position Z steht. Auch ein automatisches Wiederanlaufen einer Anlage nach einem Cool-down ist leicht zu programmieren.

Anforderungen an sensorgeführte Regelkreise

Um einen effizienten und sicheren Regelkreis zu schaffen, müssen die vom Sensor ermittelten Daten bestimmte Grundbedingungen erfüllen. Im Einzelnen sind dies:

Granularität der Messdaten: Je nach Einsatzzweck muss ein Sensor ausreichend abgestufte Messwerte liefern, um sinnvoll Prozesse anzustoßen. Eine binär arbeitende Lichtschranke, die nur die Zustände „offen“ und „geschlossen“ kennt, kann beispielsweise keine Information darüber liefern, wodurch ein Transportband blockiert wird. Eine Kamera an gleicher Stelle hingegen „sieht”, wenn durchlaufendes Material seitlich aus seiner Führung herauswandert und damit eine Blockade auslöst. Die Kamera kann dann die passende Problembehebung an der Materialführung initiieren, etwa das rechtzeitige Nachjustieren der Führungsschiene anstelle eines simplen Not-Aus.

Auch der Fliehkraftregler von James Watt funktioniert nur, weil er als analoges Instrument unzählige Zwischenpositionen kennt und damit eine feinfühlige Regelung der Dampfzufuhr erlaubt. Würde das System nur zwei Zustände abbilden können, käme es sehr schnell zu einem Springen zwischen den beiden Zuständen „Drossel offen“ und „Drossel geschlossen“, was zu hohem Materialverschleiß der Maschine und je nach Regelungsgeschwindigkeit der Anlage zu einem „Stottern“ im Gesamtsystem führen könnte.

Qualität der Messdaten: Messdaten müssen einen Zustand möglichst genau beschreiben, sie sollten weder „falsch positiv” noch „falsch negativ” sein. Ein Staubkorn vor einem Temperatursensor darf keinen kompletten Maschinenstillstand auslösen. Ebenso sollte die verschmutzte Linse einer Lichtschranke nicht die Notabschaltung einer Maschine verhindern. In der praktischen Anwendung gibt es zwei Lösungsansätze, um die Datenqualität zu verbessern:

Redundanz: Wichtige Sensoren sind nach dem Vorbild von Raum- und Luftfahrt mehrfach vorhanden. Idealerweise werden hierbei unterschiedliche Sensortypen kombiniert, sodass ein systemischer Erfassungsfehler niemals alle Sensortypen täuschen kann. So sind beispielsweise in einem Verkehrsflugzeug ein magnetischer und ein Kreiselkompass parallel verbaut, da diese prinzipbedingt unterschiedliche Messfehler haben. Pilot:innen kennen die Schwächen der jeweiligen Systeme (Deklination des Magnetkompasses versus Beschleunigungsempfindlichkeit des Kreiselkompasses) und ermitteln hieraus die echte geographische Nordrichtung.

Digitale Vernetzung: Je umfassender die Datenbasis, desto sicherer kann ein Schadensbild analysiert werden. In der Industrie 4.0 schreiben alle Produktionsanlagen permanent ihre Sensordaten in die Unternehmenscloud. Ermittelt eine Maschine ungewöhnliche Messwerte, lassen sie sich leicht mit den Messwerten anderer Maschinen abgleichen. So können die zuständigen Mitarbeiter:innen überprüfen, ob ein bestimmtes Sensorbild auf einen Fehler hindeutet, der an einer anderen, vergleichbaren Maschine an einem anderen Unternehmensstandort auch schon aufgetreten ist.

Sensorenarten: Diese Sensoren werden unterschieden

Sensoren werden unterteilt nach ihrem Einsatzzweck, nach ihrem technischen Aufbau und danach, ob sie aktiv oder passiv detektieren. Für den praktischen Einsatz ist die Auflösung der Messwerte ein weiteres wichtiges Unterscheidungskriterium.

Einsatzzweck und technischer Aufbau

Im Folgenden finden Sie eine übliche Systematik für Sensorarten. Aber auch andere Sortierungen sind üblich. So werden beispielsweise Lichtschranken mal zu den Licht-, mal zu den Näherungssensoren gezählt. In medizinischen Diagnosegeräten wiederum können eine Lichtquelle und die zugehörige Photozelle aus der Färbung von Blutgefäßen die Sauerstoffsättigung im Blut errechnen. Auch dies ist im Grunde eine farbsensitive Lichtschranke.

Optische Sensoren detektieren einfallendes Licht. CCD-Sensoren von Digitalkameras gehören ebenso zur Gruppe der Lichtsensoren wie Lichtschranken. Die in vielen Sensoren verwendeten Photodioden nehmen teilweise andere Lichtspektren wahr als das menschliche Auge. So messen einige Sensoren auch im infraroten und ultravioletten Wellenbereich. Ein typisches Einsatzgebiet für Infrarotsensoren sind Bewegungsmelder.

Geschwindigkeits- und Beschleunigungssensoren nutzen verschiedene physikalische Effekte, beispielsweise die Massenträgheit. Drehzahlmesser und Tachometer wiederum zählen elektrische oder magnetische Impulse auf einer Achse oder Welle. Beim Tachometer wird im Unterschied zum Drehzahlmesser die Zahl der Impulse pro Zeiteinheit mit dem Umfang des rotierenden Körpers multipliziert.

Näherungssensoren kennen besonders viele unterschiedliche Funktionsprinzipien. Der Näherungssensor muss zu seinem Einsatzzweck passen. So können induktive Näherungsschalter nur metallische Körper detektieren, während kapazitive und Ultraschall-Näherungsschalter auch die Annäherung nichtleitender Gegenstände erfassen können. Auf Magnetfelder reagierende Hallsensoren oder auch Radarsensoren können die Entfernung zu Objekten auch durch Hindernisse hindurch messen, wo optische Sensoren versagen.

Lage-, Kraft- und Dehnungssensoren ermitteln und messen eine von außen einwirkende kinetische Energie. Dies kann piezoelektrisch, aber auch anhand der veränderten elektrischen Leitfähigkeit im Bauteil erfolgen (beispielsweise durch Dehnung entsprechend flexibler Sensorkomponenten).

Volumen- und Füllstandssensoren ermitteln über den Gas- oder Flüssigkeitsdruck, die Lichtdurchlässigkeit, die elektrische Leitfähigkeit des umgebenden Mediums oder mithilfe von Schwimmern Füllstände von Gefäßen.

Temperatursensoren machen sich ebenfalls viele unterschiedliche physikalische Effekte zunutze. Neben Sensoren, die Wärmestrahlung messen, gibt es andere, deren elektrische Leitfähigkeit sich bei Temperaturanstieg verringert (Kaltleiter) oder erhöht (Heißleiter). Zu den bekanntesten mechanischen Temperatursensoren gehören die sogenannten Bimetalle. Das sind Kompositelemente aus üblicherweise Eisen und Nickel, die sich bedingt durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Metalle verbiegen, sobald sich die Umgebungstemperatur verändert. Gebräuchliche Einsatzzwecke waren früher Kfz-Blinker und sind auch heute noch Toaster und Bügeleisen.

Akustiksensoren werden unterteilt in Mikrofone, die Luftschall aufnehmen, und Tonabnehmer, die Körperschall erfassen. Zum Teil wird zwischen Mikrofonen und einfacher gebauten Schallsensoren unterschieden. Kehlkopfmikrofone wiederum gehören zu den Tonabnehmern, da sie Körperschall erfassen. Auch Glasbruchmelder gehören zu den Akustiksensoren. Als aktive Sensoren reagieren sie auf den für Glasbruch charakteristischen Luftschall. Passive Glasbruchsensoren detektieren über piezoelektrische Sensoren die für Glasbruch typischen Körperschallfrequenzen um 100 kHz. Bei den Akustiksensoren sind die Grenzen zu anderen Sensorarten fließend: Ein Beispiel sind Ultraschallsensoren für die Messung akustischer Ultraschallpegel. Fungiert der darin verbaute Oszillator zugleich als Schallgeber, kann ein Ultraschallsensor auch Entfernungen messen.

In den vergangenen Jahren ist eine Vielzahl neuer Sensortypen entstanden. Diese Entwicklung wurde von vielen Faktoren angetrieben: unter anderem durch die Miniaturisierung, die Entdeckung neuer Werkstoffe und die zunehmende Verwendung von Sensoren in der Industrie 4.0, bei mobilen Geräten sowie beim autonomen und teilautonomen Fahren.

Aktive und passive Sensoren

Die meisten elektrischen und elektronischen Sensoren sind passiv. Sie brauchen also eine Spannungsversorgung von außen, um Messwerte zu liefern. Die Rückmeldung von Messwerten erfolgt meist in Form eines elektrischen Widerstandes oder als diskreter Zahlwert. Passive Sensoren werden oft auch als Detektoren bezeichnet.

Zur Gruppe der aktiven Sensoren gehören solche, die eine andere, von außen zugeführte Energie in elektrische Energie umwandeln. Hierzu zählen viele Lichtsensoren, Thermosensoren und Piezo-Elemente. Letztere verwandeln Druck in Spannung. Umgekehrt ist nicht jedes genannte Element automatisch aktiv. Häufig ist hinter dem aktiven Sensor noch eine elektronische Schaltung verbaut, die das Signal zum Beispiel verstärkt, linearisiert oder glättet und hierfür eine Versorgungsspannung benötigt. Auch die Einbindung der Sensoren in das IoT, etwa über Mobilfunk, benötigt Energie. Moderne Systeme nutzen hierfür Mobilfunkchips, die außerhalb der Sendezeiten in einen stromsparenden Idle-Modus wechseln.

Auflösung der gelieferten Messwerte

Bestimmte Sensoren kennen nur die Zustände „offen“ und „zu“, beziehungsweise „ein“ und „aus“. Sie werden deshalb auch binäre Sensoren genannt. Binäre Sensoren sind nicht notwendigerweise elektronisch. Auch ein Bimetall-Schalter kann als analoger binärer Sensor betrachtet werden.

Die Mehrzahl der analogen Sensoren übermittelt ihre Messwerte stufenlos und meist linear. Der Messwert wird in der Regel entlang einer Achse oder als Drehungswinkel übermittelt. Allerdings gibt es Sonderformen wie den mechanischen Wirbelstrom-Tachometer, der ein Magnetfeld erzeugt und damit eine Zeigernadel gegen ein Rückstellmoment ausschlagen lässt.

Digitale Sensoren liefern üblicherweise einen elektrischen Widerstand oder einen Zahlenwert zurück. Da in ihrem Inneren häufig Analog-Digital-Wandler und Logikschaltungen verbaut sind, entspricht die Messwertauflösung meist einer Zweierpotenz, zum Beispiel über den Zahlenraum von 0 bis 255. Eine höhere Auflösung eines digitalen Sensors führt jedoch nicht immer zu besseren Messwerten. Gerade bei preisgünstigen Sensoren können Wiederholgenauigkeit und Abschirmung gegen Störeinflüsse so mangelhaft sein, dass die rechnerische Auflösung nicht der praktisch nutzbaren Auflösung entspricht.

Umgekehrt sind in intelligenten Sensorsystemen, die etwa in der Industrie 4.0 oder in aktuellen Smartphones zum Einsatz kommen, oft sehr komplexe Schaltungen rund um die Sensoren verbaut. Diese Systeme können aufgenommene Rohdaten dank entsprechender KI-Routinen und Prozessoren sehr schnell in Daten höherer Güte umwandeln.

Als Beispiel seien hier die Fingerabdrucksensoren von Mobiltelefonen und biometrische Zugangskontrollen in sensiblen Unternehmensbereichen genannt. Hier zeigt sich die technische Weiterentwicklung von früher simplen Überwachungssensoren hin zu smarten Sensoren mit sehr komplexem Innenleben. Sie können innerhalb des IoT auch anspruchsvolle Aufgaben übernehmen.

Sensortechnik in der Praxis: Sensoren im IoT

Was vernetzte Sensoren leisten, zeigt sich heute schon beim autonomen Fahren. Zwar ist die Technologie im öffentlichen Straßenraum noch nicht wirklich angekommen, aber viele Hersteller arbeiten bereits an vielversprechenden Prototypen. Moderne Sensortechnik macht es möglich. Eine Auswahl:

Im Straßenverkehr erkennen Fahrzeuge über Radarsensoren, Ultraschallsensoren, LiDAR und Abstandssensoren ihr unmittelbares Umfeld und scannen zugleich die Straße bis auf 100 Meter im Voraus auf mögliche Besonderheiten oder andere Verkehrsteilnehmer. Intelligente Sensoren sehen nicht nur das vorausfahrende Fahrzeug, sie sehen auch, was vor diesem passiert. Mit IoT-Sensoren von Vodafone bietet Continental seinen Kunden eine innovative Lösung zum digitalen Monitoring von Nutzfahrzeugreifen. Rund um die Uhr werden dabei Luftdruck und Temperatur der Reifen per Sensor überwacht, um unbemerkten Druckverlust zu vermeiden.

In der Logistik ermöglichen Funksensoren und RFID-Technik neue Ansätze in der Lagerverwaltung, aber auch in der Lieferungsverfolgung. Die moderne Logistik arbeitet objektorientiert. Ein digitales Modell der Lieferkette spiegelt wider, wo sich welche Ware befindet. Sensoren entlang der Transportwege erfassen jedes einzelne Objekt per Etikettenscan, RFID-Tag oder Kameraaufnahme. Die Systeme gleichen Soll- und Ist-Werte der Ware auf dem Weg zu den Kund:innen permanent ab.

In der Produktion werden Maschinen selbstständiger, indem sie ihre eigenen Betriebszustände besser monitoren: Sei es das mobile Kranfahrzeug, das rechtzeitig einen Schaden in einem Hydraulikarm erkennt und automatisiert einen Servicetechniker anfordert. Oder aber das Flottenmanagement, das über Füllstandssensoren rechtzeitig erkennt, wo und in welchen Staplerfahrzeugen Betriebsmittel nachgefüllt werden müssen.

Auch im privaten Bereich eröffnet intelligente Sensorik neue Möglichkeiten. Das Smart Home erfasst Wetterdaten und alarmiert, wenn die Markise bei schnell fallenden Barometerwerten noch ausgefahren ist. Es überwacht das Grundstück und meldet unbekannte Besucher:innen, aber auch das vor der Haustür abgelegte Paket des Lieferdienstes.

Großes Potenzial bieten gerade im Smart Home sogenannte Softsensoren. Der Begriff steht für virtuelle Sensoren, die per Software über aufwendige Rechenmodelle simuliert werden. Solche Sensoren werden bevorzugt dort modelliert, wo der Einsatz realer Sensoren unzweckmäßig oder kaum machbar ist – beispielsweise im Immobilien-Altbestand, wo bestimmte Sensoren nur mit hohem Kostenaufwand nachzurüsten wären.

Ein solcher Softsensor wäre zum Beispiel eine Logik, die im Winter aus dem schnellen Absinken der Raumtemperatur an einem digitalen Thermostatventil ableitet, dass mindestens ein Fenster im Raum geöffnet ist. Die Hausautomation sendet den Bewohner:innen des Hauses dann eine entsprechende Nachricht aufs Smartphone oder regelt automatisch die Heizung herunter, um keine Energie zu verschwenden.

Vorteile der Sensorik in der Industrie 4.0

Das Internet of Things hebt Sensorik auf ein neues Level. Hier einige Beispiele, wie Sie durch die Verknüpfung von Sensoren in Ihrem Unternehmensnetzwerk Ressourcen sparen und Prozesse optimieren können:

Viele Messpunkte ergeben flächendeckendes Messfeld

Aus den Einzelwerten vieler Neigungssensoren, Kraftsensoren, Radarsensoren oder Abstandssensoren entsteht ein dreidimensionales Abbild des Unternehmens (oder beispielsweise eines Fahrzeugs oder eines Logistikzentrums) in Echtzeit. Ein sogenannter Digitaler Zwilling entsteht. Mögliche Störungen, aber auch Optimierungspotenziale werden schneller erkannt. Melden beispielsweise Bewegungssensoren an einer Engstelle zwischen zwei Maschinen häufig wartende Transportfahrtzeuge, können Sie deren Routing um die Engstelle herum optimieren.

Mehr Sensordaten erlauben bessere Vorhersagen über Maschinenlaufzeiten und Wartungsintervalle. Und mittels Predictive Management können Sie Ausfälle reduzieren und Fehler durch selbstlernende Systeme früher erkennen.

Lernen dank besserer Verknüpfung

Die Anbindung an die Unternehmenscloud schafft die Basis für ein lernendes Sensornetzwerk. Das erlernte Wissen der KI wird automatisch an neue Systeme im Firmennetzwerk „vererbt”. So „weiß” die neu errichtete Lackierstraße schon vor ihrem ersten Produktionstag, mit welchen Temperaturwerten an welchen Kalendertagen zu rechnen ist, und passt ihr Aufheizprogramm dynamisch an. Die von ihren Sensoren ermittelten Daten gibt sie ihrerseits zur Bestätigung und zum weiteren Lernen zurück an die Firmencloud.

Verbessertes Energiemanagement

Ein Sensornetzwerk optimiert das Energiemanagement. Besonders energieintensive Anlagen werden beispielsweise erst dann aufgeheizt oder hochgefahren, wenn die Sensoren der Photovoltaikanlage auf dem Dach eine erhöhte Sonneneinstrahlung ankündigen oder elektrische Energie im Netz gerade günstig ist. Auch der Automobilzulieferer und -entwickler Magna International setzt auf ein IoT-Netz von Vodafone um die Energieverbräuche seiner Standorte zu managen. So werden Kosten und Energiebedarf zugleich gesenkt.

Sensorik für autonomes Fahren

Alle autonomen Transportfahrzeuge nutzen die Sensoren auf dem Firmengelände, um sich vor jedem Fahrtantritt einen Überblick über Staus und Störungen zu verschaffen. Eine Kamera meldet, dass vor der Laderampe gerade ein Sattelzug einer Fremdfirma rückwärts andocken möchte? Um gegenseitige Behinderung oder gar einen Unfall durch Übersehen zu vermeiden, wählt das autonome Fahrzeug selbstständig eine alternative Fahrtroute. Die Bewegungsmelder aller Rolltore auf der Strecke werden per Funk direkt getriggert, sodass die Tore bereits offen sind, wenn das autonome Fahrzeug sich nähert.

Optimiertes Flottenmanagement

Was auf dem Firmengelände funktioniert, funktioniert auch in großem Maßstab mit der gesamten Fahrzeugflotte des Unternehmens. Denn im vernetzten Betrieb liefern Lkw und Servicefahrzeuge permanent Daten an die Unternehmenscloud. Ein über IoT-Tracker vernetztes Lieferfahrzeug muss bei einem Kundenbetrieb gerade lange auf die Entladung warten, weil es dort Verzögerungen in der Lagerlogistik gibt? Das fließt umgehend in das Routing des nächsten Lieferfahrzeuges ein, das nun zuerst einen anderen Betrieb auf seiner Tour beliefert.

Viele Branchen entdecken den Mehrwert vernetzter Systeme mit IoT-gestützten Sensoren für sich. Zahlreiche Anwendungsfälle sind damit realisierbar. Die Vorteile sind offensichtlich:

Schadensprävention: Viele Schäden an Maschinen kündigen sich schon lange vorher an. Ob es Mikrorisse sind, die auf bevorstehende Ermüdungsbrüche hinweisen, oder zu erwartende Getriebe- oder Lagerschäden, die sich akustisch detektieren lassen. In der Industrie 4.0 überwachen sich Anlagen über ihre Sensoren deshalb auch gegenseitig. Expert:innen sprechen auch von vorausschauender Wartung oder Predictive Maintenance. Erkennt etwa der Infrarotwärmesensor der Gebäudeautomation bei einer Produktionsanlage erhöhte Temperaturwerte, kann er diese über die Cloud automatisiert an den Leitstand melden. So können Sie die betreffende Anlage außer Betrieb nehmen, bevor ein weiterer Temperaturanstieg zu irreparablen Schäden führt. Aber auch automatisierte und per Sensorarray (ein homogenes Feld aus mehreren identischen Sensoren) verknüpfte Transportsysteme können helfen, Schäden zu vermeiden, indem sie durch besonders vorausschauendes Fahren dank Sensorblick Unfälle reduzieren.

Prozessoptimierung: Prozesse laufen dank optimaler Sensorik reibungsloser und haben kürzere Leerlaufzeiten oder kommen sogar ganz ohne Stopps aus. Die Verbesserung können Sie direkt auf Maschinenebene angehen, indem Sensormeldungen innerhalb von Produktionsumgebungen eine schnellere und automatisierte Reaktion auslösen. Die Optimierung kann aber auch auf allen Ebenen darüber erfolgen, zum Beispiel zwischen Unternehmensabteilungen. Wenn etwa Sensoren ankündigen, dass bald eine außerplanmäßige Kalibrierung einer bestimmten Maschine ansteht, kann Ihr Personal die Produktion an anderer Stelle so umstellen, dass während der Kalibrierungsphase nur Produkte in die Fertigung gehen, die diese spezielle Maschine nicht durchlaufen müssen.

Gesteigerte Effizienz: Durch eine verbundene Sensorik lassen sich genauere Modelle der Produktionsumgebung, aber auch der erweiterten Außenwelt erstellen. Ein Beispiel: Der Einsatz vieler Werkstoffe und Produktionsverfahren im Außenbereich ist wetter- und temperaturabhängig. Das gilt besonders für die Bauindustrie. Eine smarte Sensoriklösung kann so aussehen: Der Temperatursensor an Bord eines Mischfahrzeuges auf einer Großbaustelle detektiert besonders hohe oder niedrige Temperaturen vor Ort. Er meldet dies an das Betonwerk seines Unternehmens weiter, wo der just-in-time angemischte Beton für das nächste Fahrzeug noch rechtzeitig durch entsprechende Zuschlagstoffe (sogenannte Verzögerer oder Beschleuniger) angepasst und dann passend zur Baustelle verbracht werden kann.

Reduktion von Verschleiß: Vernetzte Maschinen und Sensoren erlauben ein besseres Monitoring der gesamten Unternehmenshardware. Übermäßiger Verschleiß entsteht beispielsweise durch das Überladen von Transportfahrzeugen oder den unbemerkten Betrieb von Anlagen außerhalb der herstellerseitig vorgegebenen Spezifikationen. Eine vollständig sensorüberwachte Fabrik hilft auch hier, Schäden zu vermeiden. Sei es, indem beispielsweise Transportfahrzeuge über eine interne Wiegeeinheit gefährliche Überladung schon vor dem Losfahren erkennen und dies melden. Oder aber, indem eine intelligente Sensorsteuerung permanent Betriebsparameter überwacht, eine Produktionsanlage rechtzeitig abbremst und so wieder in den erlaubten Drehzahl- oder Temperaturbereich herunterfährt.

In der smarten Fabrik sorgen intelligente Sensorsysteme auf diese Weise für einen optimierten und schonenden Umgang mit Ressourcen. Sie verbessern Abläufe und vermeiden Betriebsstörungen.

Sensorik im Überblick

Die technische Sensorik behandelt künstliche Sensoren, die technische Systeme überwachen. Je nach Definition wird auch die Regelungstechnik als Teil der technischen Sensorik betrachtet.
Sensoren unterscheiden sich nach Art der von ihnen erhobenen Daten, aber auch nach Bauart, Wirkprinzip oder Format der von ihnen gelieferten Messwerte.
In der Smart Factory können Sie mit vernetzten Sensoren erhebliche Einsparpotenziale ausschöpfen. Die Vorteile lassen sich branchenübergreifend nutzen. Mit Vodafones IoT-Plattform und Device-Management verwalten Sie alle Geräte in Ihrem Unternehmensnetzwerk übersichtlich im Self-Service-Tool.
Im Automotive-Sektor sind intelligente Sensoren essenziell für die Entwicklung autonomer Fahrzeuge. Sie scannen das Fahrzeugumfeld und sehen durch vorausfahrende Autos hindurch.
Im Smart-Home-Bereich bieten Softsensoren als Ersatz für physische Sensoren neue Nutzungsmöglichkeiten, ohne vorgegebene Kostenrahmen zu überschreiten.
Sensortechnik vermeidet Schäden im Unternehmen, steigert die Effizienz und reduziert den Verschleiß von Systemen.

Quelle:

https://www.vodafone.de/business/featured/technologie/sensorik-das-internet-of-things-waere-ohne-sensoren-undenkbar/