Die so genannten 3D-Snapshot-Kameras dienen zur Erfassung von Abstandsbildern und den daraus ableitbaren Informationen. Sie basieren auf 3D-Time-of-Flight-Technologien (3DToF), die künftig im Kontext von Industrie 4.0 weiterentwickelt werden, um sie mittels Azure Intelligent Cloud und Intelligent Edge smarter zu machen. - (Bild: Sick)
Die Sensorik gilt als Schlüsseltechnologie für das Messen, Steuern und Regeln von mechatronischen Systemen in der Automation - und damit für Industrie 4.0-Anwendungen. Der AMA Fachverband sowie die Sensorspezialisten Baumer, Leuze und Sick beantworten Fragen zur aktuellen und zukünftigen Entwicklung in der Sensortechnik. Dazu gehören beispielsweise neue Kommunikationswege, KI oder Quantensensorik.
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"Je mehr ‚Intelligenz‘ in den Sensor in Form anspruchsvoller Signalverarbeitungsalgorithmen integriert wird, desto mehr Möglichkeiten der Selbstüberwachung und Rekonfiguration ergeben sich", sagt Thomas Simmons, Geschäftsführer AMA Verband für Sensorik und Messtechnik e.V. - Bild: AMA/Oertwig
AMA Verband für Sensorik und Messtechnik, Thomas Simmons, Geschäftsführer
Herr Simmons, was sind aktuelle Trends in der Branche?
Thomas Simmons: Die großen Themen unserer Branche bleiben auch im Jahr 2021 die Digitalisierung und das Internet of Things. Schätzungen zufolge werden im IoT in den kommenden Jahren voraussichtlich 20 Milliarden Geräte miteinander kommunizieren. Dadurch werden Unmengen an Daten entstehen, die dank selbstlernender Algorithmen in sogenannte Smart Data umgeformt werden und damit relevante Informationen zu Energieverbrauch, Anlageentscheidungen und die Erkennung von Hackerangriffen ermitteln.
Welche Technologien machen gerade die größten Entwicklungssprünge?
Derzeit gefragt ist die intelligente Verknüpfung von verschiedenen Sensordaten mit anderen Informationen. Ob die Lokalisierung durch GPS oder WLAN oder modellbasiertes Wissen über den Prozess, so dass Sensorsysteme mittels intelligenter Algorithmen schon im Feld entscheiden können, welche Ereignisse gemeldet werden müssen. Gleichzeitig wird auch die intelligente Verknüpfung von verschiedenen Sensordaten untereinander immer wichtiger.
Smarte Sensoren vereinfachen trotz ihrer Komplexität häufig den Einsatz durch sogenannte ‚Plug and Play‘-Anwendungen. Je mehr ‚Intelligenz‘ in den Sensor in Form anspruchsvoller Signalverarbeitungsalgorithmen integriert wird, desto mehr Möglichkeiten der Selbstüberwachung und Rekonfiguration ergeben sich. Damit ermöglichen Dienstleistungen wie Predictive Maintenance und Maschinenüberwachung erweiterte Geschäftsfelder für die Sensorik und Messtechnik.
Was sind die Treiber dieser Entwicklung?
Wir beobachten in unserer Branche zwei Hauptströmungen: die explosionsartig wachsende Zahl von Sensoren für Massenmärkte wie Smart Phones, Tablets und Kameras. Diese kennzeichnen sich meist durch miniaturisierte Abmessung und kostengünstige Herstellung in Großserien.
Auf der anderen Seite entwickeln sich anspruchsvolle Sensorsysteme für die industriellen Anwendungsgebiete wie Automatisierung, Automotive oder Medizintechnik. Diese Sensorsysteme kennzeichnen sich durch hohe Anforderungen an Genauigkeit und Arbeitsfrequenzbereich. Sie müssen besonders robust sein und verlässlich Messdaten liefern, werden in Kleinserien gefertigt, wodurch deutlich höhere Kosten entstehen.
In welchen Bereichen sehen Sie noch das größte Entwicklungspotenzial?
Wir sehen im digitalen Zwilling, also der digitalen Abbildung einer Anlage oder Maschine, ein deutliches Entwicklungspotential für die gesamte Industrie. Da eine Simulation sich hier so verhält wie eine reale Anlage oder Maschine. Das spart der Industrie Zeit und Kosten ob in der Entwicklung, der Inbetriebnahme oder Optimierung.
Ein interessanter Trend ist für unsere Branche auch das sogenannte Retrofitting, also das Umrüsten bestehender Industrieanlagen mit neuer Technik. Sensoren können alte und bewährte Techniken zukunftsfit machen.
Ob bestehende oder zukünftigen Technologien, für alle Entwicklungen ist eine frühe, branchenübergreifende und interdisziplinäre Vernetzung zwischen allen beteiligten Akteuren aus Industrie und Wissenschaft notwendig.
"Unser neuer Kombigabelsensor GSX vereint die Detektionsprinzipien Licht und Ultraschall in einem Gehäuse und eignet sich ganz besonders für Etikettiermaschinen", sagt Henning Grönzin, CTO bei Leuze. - Bild: Leuze
Leuze, Henning Grönzin, CTO
Herr Grönzin, was sind aktuelle Trends in der Sensorik bei Leuze?
Henning Grönzin: Für den Bereich Arbeitssicherheit haben wir einen eigenen strategischen Geschäftsbereich gebildet. Diesen nennen wir 'Safety at Leuze'. Darin bündeln wir unsere jahrzehntelange Safety-Expertise und Erfahrung beim Einsatz sicherheitstechnischer Anwendungen. Um unsere starke Position im Bereich der sicheren Sensorik weiter zu verstärken, haben wir unser Angebotsspektrum erweitert und in 2020 erstmalig Safety-Lösungen für definierte, sicherheitstechnische Applikationen entwickelt. Diese sind bereits bei Schlüsselkunden im Einsatz.
Die Safety-Lösungen bestehen aus einem Set von Sicherheitssensorik und einer sicheren Kleinsteuerung. Auf dieser wurde eine Software entwickelt, zugeschnitten auf die jeweilige Applikation. Kern jeder Safety-Lösung sind die von uns qualifizierten Sicherheitskonzepte. Diese werden für jede Lösung von unseren Safety-Consultants erfasst. Die Lösung an das jeweilige Anlage-Layout wird dann individuell angepasst.
Diese Lösungen werden von uns bis zur sicherheitstechnischen Abnahme der Lösung vor Ort begleitet. Die Kombination unserer Safety-Produkte und das Knowhow unserer Safety-Consultants im Bereich der Maschinen- und Anlagensicherheit erlaubt uns eine Differenzierung gegenüber zahlreichen Marktbegleitern.
Welche Technologien machen gerade die größten Entwicklungssprünge und warum?
Wir sehen auf allen Gebieten der optischen Sensorik eine kontinuierliche Weiterentwicklung. Hier lässt sich nicht ein Gebiet exklusiv herausgreifen. Wie wir mit unserem neuen Referenztaster DRT 25C zeigen sind auch noch in der binär schaltenden Sensorik Entwicklungssprünge möglich. Er basiert auf der innovativen CAT-Technologie, wobei CAT steht für Contrast Adaptive Teach. Leuze hat damit ein völlig neues Funktionsprinzip geschaffen.
Völlig neu ist der GSX - laut Leuze der weltweit erste Kombigabelsensor, der die Vorteile der Detektionsprinzipien Licht und Ultraschall kompakt in einem Gehäuse vereint. - Bild: Leuze
Was sind die Treiber dieser Entwicklungen?
Die Treiber dieser Entwicklung sind stetig wachsende Anforderungen an die Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen. Damit wächst auch die Erwartungshaltung an die Sensorik. Unser neuer Kombigabelsensor GSX vereint die Detektionsprinzipien Licht und Ultraschall in einem Gehäuse und eignet sich ganz besonders für Etikettiermaschinen. Er erlaubt einen Materialwechsel ohne dass ein zeitaufwändiger Formatwechsel in der Maschine notwendig ist und erhöht somit die Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Anlage signifikant.
Unser von mir bereits oben angesprochene DRT 25C reduziert die Fehleranfälligkeit bei der Detektion bei kritischen Objekten auf dem Förderband dramatisch und somit auch die prozentuale Stillstandszeit der Anlage.
Bei Safety Produkten ist höchste Verfügbarkeit bei maximaler Sicherheit schon immer ein zentrales Thema: denn das unnötige Auslösen eines Sicherheits-Sensors zieht grundsätzlich immer einen kompletten Maschinenstillstand nach sich. Auch eine Desensibilisierung unserer Lichtgitter gegen unnötiges Auslösen beispielsweise aufgrund von Vibrationen bringt einen Effizienzgewinn. Darauf zahlt auch eine kürzere Inbetriebnahmezeit aufgrund einer vereinfachten Ausrichtbarkeit mit einem neuen optischen Design ein.
Es ist aber wichtig, darüber hinaus auch die Peripherie der Sensorik bei dieser Betrachtung nicht zu vernachlässigen. Da Sensoren die Hauptdatenlieferanten in der industriellen Automatisierung sind, spielt die Datenanbindung der Sensorik eine zentrale Rolle. Sei es über normale Feldbusse wie Ethernet basierende Schnittstellen, über IO-Link oder aber über neue Kommunikationswege im Kontext von Industrie 4.0. Hier ist die Entwicklung sicherlich am rasantesten.
In welchen Bereichen sehen Sie noch das größte Entwicklungspotenzial?
Die Erhöhung der Verfügbarkeit, insbesondere im Bereich der sicheren Sensorik wird weiterhin ein wichtiges Thema bleiben. Hier spielt Einfachheit und Robustheit eine zentrale Rolle. Auch der Wunsch nach sicheren Messdaten wird stärker werden, um eine sichere Regelung von Anlagen umsetzen zu können.
Auch dies erhöht die Verfügbarkeit, da die derzeitig einzige Alternative das harte Abschalten der Anlage ist. Zudem wird die Größe von Sensoren weiterhin eine zentrale Rolle spielen. Hier sind der optischen Sensorik bedingt durch die Menge des zu empfangenden Lichts jedoch gewisse physikalische Grenzen gesetzt.
"Schauen wir auf Zukunftstechnologie für die Sensorik, verzeichnet auch die Quantentechnologie mit dem Teilgebiet Quantensensorik große Fortschritte; vom Physik-Labor hin zu ersten Demonstratoren, die in echten Anwendungen erprobt werden", sagt Michael Overdick, Technology Manager bei der Sick AG. Bild: Sick
Sick AG, Michael Overdick, Technology Manager
Herr Overdick, was sind aktuelle Trends in der Sensorik bei Sick?
Mit dem Sick IntegrationSpace haben wir im vergangen Jahr einen wichtigen Schritt in Richtung Digitalisierung unternommen. Darüber können wir unseren Kunden digitale Services anbieten, die beispielsweise bei sensorübergreifenden Anwendungen Transparenz über die erfassten Daten liefern und dadurch Erkenntnisse und Optimierungen der Anwendungen ermöglichen.
Mit dem neuen Graphical Application Modelling bietet das Eco-System SICK AppSpace einen einfachen Workflow, mit dem sich ohne Programmierkenntnisse SensorApps schreiben lassen. So bringen wir applikationsspezifische Programmierung direkt in den Sensor. Dabei greifen wir auf KI/Deep Learning Algorithmen und Cloud Services zurück. Diese ermöglichen es uns, schnelle und gute Lösungen für ein Problem zu finden.
Da KI Muster in Daten, die aus unterschiedlichen Ereignissen oder verschiedenster Sensorik gewonnen werden, schneller erkennen kann als Menschen, erhalten Unternehmen mehr Einblick und neue Erkenntnisse über Prozesse und Vorgänge in ihrer Produktion.
Aber auch in der Messtechnik selbst gibt es weitere Entwicklungen, wie zum Beispiel verbesserte ToF (Time of Flight) Sensoren zur Messung von Abständen. Der Vorteil liegt darin, dass etwa die 3D-Snapshot-Technologie mit der Lichtlaufzeitmessung sogar unbewegte Szenen dreidimensional erfassen kann, ohne dass Aktoren oder mechanische Teile innerhalb der Kamera bewegt werden müssen.
Welche Technologien machen gerade die größten Entwicklungssprünge und warum?
Applikationsnahe Software und künstliche Intelligenz sind gerade sehr dynamische Gebiete mit sehr erfreulichen Ergebnissen, durch die sich neue Einsatzfelder ermöglichen. Schauen wir auf Zukunftstechnologie für die Sensorik, verzeichnet auch die Quantentechnologie mit dem Teilgebiet Quantensensorik große Fortschritte; vom Physik-Labor hin zu ersten Demonstratoren, die in echten Anwendungen erprobt werden.
Ermöglicht wird dies durch maßgeschneiderte Lichtquellen, die gleichzeitig genügend kompakt und preiswert sind. So haben Sick und Trumpf gemeinsam erst kürzlich die Entwicklung des QuantAlyzers – des ersten industrietauglichen Quantensensors verkündet. Erste Pilotanwendungen in der Praxis erwarten wir Ende des Jahres.
Was sind die Treiber dieser Entwicklungen?
Automatisierung ist ein ungebrochener Trend. Durch Digitalisierung und Industrie 4.0 kommen noch Messgrößen und weitere Messstellen hinzu. Ein Beispiel, an dem man die steigenden Bedarfe und Anforderungen gut sehen kann, sind fahrerlose Transportsysteme aller Größenklassen. Hier werden neben der Abstands- und Bewegungssensorik auch sehr viel sicherheitsgerichtete Sensorik und Lokalisierungs- sowie Navigationslösungen benötigt. Dies verbunden mit den Anforderungen an kleine Abmessungen, geringe elektrische Leistung und niedrige Kosten sind Treiber vieler Entwicklungen.
In welchen Bereichen sehen Sie noch das größte Entwicklungspotenzial?
Eine Herausforderung ist die Handhabung von Komplexität. Auf der einen Seite bestehen Sensor-/Aktor-Systeme aus immer mehr Komponenten, die möglichst intuitiv oder automatisch zusammen funktionieren sollen (Plug & Play, ad hoc networks). Auf der anderen Seite sind unsere Kunden eine hohe Zuverlässigkeit und industrielle Robustheit gewöhnt. Hier sehe ich ein Spannungsfeld für Planung, Aufbau, Inbetriebnahme und Unterhalt (inkl. Updates/Upgrades) von komplexen Systemen.
Hinzu kommen die wichtigen Aspekte der Cybersecurity, die ebenfalls für alle Lebensphasen des Systems zu berücksichtigen sind. Daher sehe ich das Thema 'Complexity Management' als wichtiges Entwicklungsgebiet mit großem Potenzial, um letztlich den Kunden einfach beherrschbare und gleichzeitig hoch zuverlässige Lösungen zu bieten.
"Wir werden auch in der Sensorik erleben, dass neuronale Netze auf dem Sensor ausgeführt werden und das System selbstlernend neue Aufgaben löst", sagt Lasse-Pekka Thiem, Senior Product Manager Connectivity & Control bei Baumer. - Bild: Baumer
Baumer, Lasse-Pekka Thiem, Senior Product Manager Connectivity & Control
Herr Thiem, was sind aktuelle Trends in der Sensorik bei Baumer?
Ein wichtiges Thema für uns und unsere Kunden ist IO-Link. Das Produktportfolio ist gewachsen und wir lösen die Aufgabenstellungen der Kunden. Dazu kommen die Themen Zuverlässigkeit, Daten, Zusatzdaten und Informationen aus dem Sensor (auch OPC UA) um Machine Learning Modelle zu trainieren und um erste Schritte beispielsweise in der Anomalieerkennung zu gehen, dann gewinnen UX und Usability für die einfache Bedienung der Sensoren an Bedeutung und das Thema IO-Link und die Rolle von SPE wird immer wieder diskutiert.
SPE ist für Applikationen mit großen Datenmengen gemacht. In diesen Anwendungen spielt die Technologie ihre Vorteile zweifelsohne aus. Doch auch die IO-Link Community prüft IO-Link über SPE zu spezifizieren. SPE ist aus unserer Sicht 'nur' das Übertragungsmedium. Es wird in Zukunft darauf ankommen, welche Protokolle über SPE kommunizieren. Es ist denkbar, dass auch verschiedene Protokolle sinnvoll über die gleiche Infrastruktur kommunizieren. Spannend zu Beobachten wird sein welches Steckerbild sich in welchen Bereichen durchsetzen wird.
Welche Technologien machen gerade die größten Entwicklungssprünge und warum?
Kaum ein Artikel über die Fabrik der Zukunft kommt gerade ohne 5G oder Wireless Kommunikation aus. Ich möchte da ein bisschen bremsen. In der Fabrik- und Prozessautomation wird sich aus meiner Sicht mittelfristig wenig ändern. Bedenken Sie, dass in vielen Anwendungsbereichen Funktechnologie noch immer schwierig zu realisieren ist.
Doch die Anwendungen für die Sensorik wachsen über die Fabriken hinaus und deshalb sehe ich vor allem in Remote Outdoor Anwendungen Potentiale für kabellose Verbindungen. Ich denke dabei an die Überwachung von Abwasseranlagen oder die vermeintlich profane Füllstandkontrolle von Müllcontainern. Auch bei IO-Link diskutieren wir seit 2018 Wireless-Ansätze, aber im Feld habe ich noch nichts im breiten Einsatz gesehen.
Ein zweites Thema ist KI. Wir erleben einen Hype, was nicht schlecht ist, aber wir müssen doch immer mit beiden Beinen am Boden bleiben und den Kundenmehrwert darstellen. Das Spielfeld ist sehr groß. Wir unterstützen Kunden bei der Anomalieerkennung bei Oberflächen - ein klassischer Ansatz. Spannend wird es dann, wenn wir nicht nur Fehler erkennen oder vorhersagen, sondern mit KI-Methoden Optimierungen in den Prozessen ermöglichen.
Klar ist, dass die Sensorik ein wichtiger Baustein für Machine Learning Projekte in der Industrie ist. Ohne Daten und Informationen können keine Modelle trainiert werden. Moore´s Law wird wohl Bestand haben und dann werden wir auch in der Sensorik erleben, dass neuronale Netze auf dem Sensor ausgeführt werden und das System selbstlernend neue Aufgaben löst. Manches davon ist heute schon realisierbar, allein der Energieverbrauch der Systeme ist noch ein Problem.
Was sind die Treiber dieser Entwicklungen?
Zunächst müssen die Sensoren die Standardfunktionen (messen und detektieren), sicher erfüllen. Das ist aus der Baumer-Sicht das Pflichtprogramm für jeden Sensor. Wenn die Produkte schon in der Pflicht nicht zuverlässig arbeiten, dann sind Monitoring oder sogar Machine Learning-Ansätze für den Anwender weit weg. Es klingt vielleicht banal, aber bei der Distanz- oder Präzisionsmessung scheitern beispielsweise schon viele Systeme beim Kunden.
Die Kür liegt in den Zusatzfunktionen und in den Zusatzdaten - in Prozess - und Diagnosedaten. Dazu zählen beispielsweise bei einem Induktivsensor die Temperatur oder die Betriebsstunden. Viele Maschinenbauer wissen vor einem Machine Learning-Projekt oft noch gar nicht, welche Daten oder Informationen sie brauchen, um die Modelle zu trainieren beziehungsweise zu entwickeln. Es fehlt an einer Datenstrategie in den Firmen. Deshalb spielen Zusatzdaten wie Diagnosedaten oder Fehlermeldungen eine wichtige Rolle.
Gemeinsam mit dem Domänenexperten analysieren Data Scientisten die Datensätze. Auch Fehlermeldungen können so im Zusammenspiel beider Funktionen analysiert werden. War der Sensor vielleicht nur verschmutzt? Dann spielt der Datensatz für das Model keine Rolle. Der Domänenexperte kennt seine Maschine und dieses Wissen ist wichtig für Machine Learning Projekte.
Treiber für Zusatzdaten um damit Modelle für Voraussagen zu Wartungen etc. sind vor allem neue Geschäftsmodelle unserer Kunden. Die nächsten zehn Jahre werden von Automatisierung und maschinellen Lernen geprägt sein. Wir erwarten Zuwächse in der Robotik, aber auch in Outdoor-Anwendungen.
In welchen Bereichen sehen Sie noch das größte Entwicklungspotenzial?
KI bis und auf dem Sensor ist sicher ein Entwicklungsbereich, den wir in den nächsten Jahren bearbeiten. Mit zunehmender Rechenpower kann der Sensor Zusatzaufgaben übernehmen, selber Probleme lösen. Dazu kommt: Es gibt für mich keine Alternative zu IO-Link für einfache Feldgeräte. Aber ich sehe auch noch ein paar Baustellen: Die Integration in schwierig zur verdrahtende Applikationen wie beispielsweise Greifer. Dazu kommt: Wir brauchen mehr Sichtbarkeit der Parametrierung in der Applikation.
Arten von Sensoren - von induktiven bis zu kapazitativen Sensoren
- RFID-Sensoren senden und empfangen per Funktechnologie verschlüsselte Daten an und von RFID-Chips beispielsweise für die Identifizierung von Produkten in Warenlagern oder im Güterverkehr. Dadurch Beschleunigen sie die Logistik immens.
- Temperatursensoren messen als Temperaturfühler präzise Änderungen der Wärmeenergie eines Körpers oder einer Flüssigkeit und wandeln die Messungen in eine bestehende Temperaturskala um. Als Kontaktlose Thermometer überwachen sie die Temperaturen beispielsweise mittels Infrarottechnologie.
- Hygrometer und Feuchtemessgeräte: Dabei messen Feuchtemessgeräte die Änderungen, die durch die Luftfeuchtigkeit in einem Material hervorgerufen werden. Hygrometer hingegen messen den Anteil von Feuchtigkeit in der Luft. Dabei ermitteln sie die relative Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre.
- Beschleunigungssensoren und Gyroskope erfassen Änderungen in der Geschwindigkeit eines Objekts oder dessen Rotation relativ zur Schwerkraft.
- Bewegungssensoren werden in Sicherheitssystemen sowie auch in Fertigungsverfahren eingesetzt, um Bewegungen von Objekten (wie beweglichen Bauteilen oder Fahrzeugen) oder nicht autorisierten Personen zu erfassen.
- Näherungssensoren erkennen Objekte in ihrer Umgebung, indem sie elektromagnetische Strahlung emittieren und die Änderungen des zurückgeworfenen Strahlen messen. Dazu zählen:
- Ultraschallsensoren nutzen die die konstante Geschwindigkeit des Schalls zur Erkennung des Vorhandenseins von Objekten. Dazu gehören Kapazitive Näherungsschalter die den Vorteil haben, dass sie auch nicht metallische Objekte erkennen. Allerdings sind sie nicht unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Sowie Induktive Näherungssensoren, die das Prinzip des induzierten Magnetfelds nutzen, um vorhandene Metallobjekte zu erfassen.
- Fotoelektrische Sensoren werden als Lichtschranken bezeichnet. Sie emittieren einen Lichtstrahl, der metallische Gegenstände bei Unterbrechung des Strahls registriert.
- Hall-Effekt-Sensoren verfügen über zwei dünne Halbleiter, durch die Strom hindurchfließt. Wird ein Magnetfeld senkrecht zur Flussrichtung des Stroms angelegt, steigt die Spannung geringfügig an. Diese verringert oder vergrößert sich je nach Abstand des Magneten. Sie kommen oft als Tankfüllstandanzeigen zum Einsatz.
- Stromsensoren messen die Stromstärke in Kabeln und Stromschienen
- Füllstandsensoren und Durchflusssensoren überwachen die Durchflussmenge und den Füllstandes
- Drucksensoren nehmen Druck wahr und konvertieren dies in ein Messsignal, meistens ein analoges elektrisches Signal