Die gewonnenen Messdaten werden mit einer Webapplikation visualisiert und können mit Tablets eingesehen werden. (Bild: Festo)
Der effiziente Umgang mit Energie ist für produzierende Unternehmen von großer Bedeutung. Um den Energieverbrauch von Produktionsanlagen verbessern zu können, müssen alle relevanten Verbrauchsdaten erfasst und analysiert werden. Im Forschungsprojekt ESIMA (energieautarke Sensorik in Interaktion mit mobilen Anwendern) hat Festo – gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft – ein Konzept für ein Energiemanagement auf Basis einfach zu installierender Sensorik erarbeitet. Zentraler Bestandteil des Projekts war neben der Entwicklung von energieautarken Sensoren auch die Visualisierung, die dem Anlagenbetreiber ein differenziertes Verständnis der eigenen Prozesse ermöglicht und somit einen Beitrag für Industrie 4.0 Fabriken leistet.
Mit diesem durchgängigen Konzept von der einfachen Installation der Sensoren, der Datenerfassung, der Übertragung per Funk und der Visualisierung kann der Energieverbrauch — beispielsweise für einzelne Werkstücke — abgeleitet werden. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass die Sensoren einfach in vorhandenen Produktionsanlagen nachgerüstet werden können. Während des Produktionsprozesses werden alle relevanten Verbrauchsdaten erfasst. Hierzu gehören beispielsweise der elektrische Energieverbrauch (Strom, Spannung, Leistung) oder der Verbrauch an Druckluft (Druck, Durchfluss). Zusätzlich können die kabellosen Sensorsysteme relevante Umgebungsparameter wie Temperatur, Luftfeuchte und CO2-Gehalt erfassen. Die Messwerte werden anschließend vorverarbeitet und per Funk an eine Basisstation übermittelt.
Druckluftsensor mit Datenübertragung per Funk
Bei Festo wurde im Projekt ein Druckluft-Sensor entwickelt, der gleichzeitig Druck und Durchfluss misst und die gewonnenen Daten per Funk an eine Basisstation überträgt. Eine integrierte Turbine-Generator-Einheit, die mit einem geringen Anteil der Druckluft betrieben wird, stellt die notwendige elektrische Energie zur Versorgung der elektrischen Komponenten dezentral bereit.
Ein frequenzagiles Zugriffsverfahren stellt die Zuverlässigkeit der kabellosen Übertragung der Daten sicher: Das System wechselt die Sende- und Empfangsfrequenz immer wieder systematisch, um Kollisionen mit anderen Funksystemen, zum Beispiel mit einem bereits vorhandenen WLAN, auszuschließen. Die Ergebnisse aus dem Projekt ESIMA fließen auch bei der Entwicklung von IO-Link „wireless“ mit ein.
Visualisierung auf mobilen Endgeräten
Die gewonnenen Messdaten werden mit einer im Projekt entwickelten Internetanwendung visualisiert und können mit mobilen Geräten wie Smartphones und Tablet-PCs eingesehen werden. Die Darstellung der Daten kann je nach Benutzer angepasst werden. So kann beispielsweise ein Maschinenbediener aktuelle Sensormesswerte und Anlagenzustände begutachten, wohingegen das Interesse eines Teamleiters eher auf Energieverbräuchen und Produktionsstatistiken liegt.
Energiedatenmanagement für Industrie 4.0
„Die Ergebnisse von ESIMA zeigen Wege auf, wie Energiedaten wesentlich kostengünstiger und flexibler erfasst werden können“, erklärt Bernd Kärcher, Projektleiter von ESIMA bei Festo. „Im Kontext Industrie 4.0 ermöglichen die Datenerfassung, ihre Übertragung per Funk sowie die Visualisierung der Daten in einer Webapplikation auf mobilen Endgeräten ein effizientes Energiemanagement.“
Neben der Möglichkeit zur optimierten Energienutzung profitieren Kunden auch im Bereich der Wartung. Da die Sensoren bereits kleinste Abweichungen vom Normalwert automatisch melden, können Reparaturen ausgeführt werden, bevor es zu teuren Stillständen in der Produktion kommt. ssc
Projektpartner aus Industrie und Wissenschaft
- VARTA Microbattery als international führender, weltweit agierender Hersteller von Retail- und OEM-Batterien lieferte die notwendigen Komponenten zur Speicherung der elektrischen Energie in den drahtlosen Sensoren.
- Die Hahn-Schickard-Gesellschaft verfügt über breite Erfahrungen in den Bereichen der Systemauslegung und im Energy-Harvesting. Im Projekt ESIMA wurden Sensoren zur Erfassung des elektrischen Energieverbrauchs (E-Meter) und Umgebungssensoren entwickelt.
- Die Firma EnOcean brachte ihr Know-How im Bereich Energiewandlung und Low-Power-Funksysteme in das Projekt mit ein.
- An der Professur für Elektrische Messtechnik (EMT) der Helmut-Schmidt-Universität wurden die benötigten Funk-Komponenten sowie die Basisstation entwickelt.
- Von der C4C Engineering GmbH wurde die Web-Applikation zur Visualisierung und Auswertung der Messdaten entwickelt und programmiert.
- Das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der TU Braunschweig entwickelte innovative Methoden der automatisierten Datenanalyse und war das Testfeld für die prototypische Umsetzung. Im nächsten Schritt wird das ESIMA-System in einer realen Produktionsumgebung des Mercedes-Benz Werk Mannheim der Daimler AG getestet.
