Fortschritte in der Sensortechnologie verbessern die intelligente Fabrik

Ein Gespür für smarte Fabriken

Von der Bestellung von Rohmaterialien bis zur Endproduktion haben intelligente Fabriken die Fertigungsindustrie revolutioniert, die Produktionsgeschwindigkeit durch Optimierung erhöht, menschliche Fehler reduziert und Effizienzen gesteigert. 

Intelligente Fabriken nutzen intelligente Maschinen, Geräte sowie Mess- und Prüftechnik, um kritische Parameter des Herstellungsprozesses zu überwachen. Diese Verbesserungen haben die Infrastruktur der Produktionsstätte grundlegend verändert und bieten eine Umgebung, die eine konsistente und präzise Kommunikation fördert. Dadurch werden Maschinen, Datenspeicher und Zugriffspunkte vernetzt, während gleichzeitig Betriebssysteme maximale Effizienz und Produktivität aufrechterhalten können.  

Diese technologischen Fortschritte haben auch die Anforderungen an Maschinen verändert und die Nachfrage nach zuverlässigen Sensoren, insbesondere in hochvibrationsreichen Umgebungen, erhöht. Sensoren spielen eine wichtige Rolle in der Fabrikintelligenz, indem sie genaue Daten sammeln und in Herstellungsprozesse integrieren, um die Qualität des Produkts zu verbessern. 

Die jüngsten Fortschritte in der Sensortechnologie ermöglichen jetzt eine Prozesskontrolle und Datenerfassung wie nie zuvor. Prozesssteuerungen können Kommunikation nutzen, um die Systemqualität anzupassen. Beispielsweise kann die Toleranz für verschiedene Produkte problemlos über Software programmiert und anschließend mittels Inter-Integrated Circuit (I2C)- oder Serial Peripheral Interface (SPI)-Protokollen implementiert werden. Auf die gleiche Weise können Sensordaten die Produktqualität optimieren und Herstellern dabei helfen, die effektivsten Methoden für Produktionsdurchläufe zu finden.

Von der grundlegenden Temperatur- und Feuchtigkeitsüberwachung bis hin zur anspruchsvollen Positions- und Druckmessung benötigen intelligente Fabriken eine Vielzahl von Sensortypen, die dazu beitragen, die Betriebsabläufe der Fabrik voranzutreiben, indem sie Produkte bewegen, robotische und Fräsprozesse steuern und Umweltfaktoren erfassen.

Sensorlösungen von TE Connectivity für intelligente Fabriken  

TE Connectivity (TE) ist eines der größten Unternehmen für Konnektivitäts- und Sensortechnologien weltweit und bietet innovative Sensorlösungen, die Kunden dabei helfen, Konzepte in intelligente, vernetzte Kreationen umzuwandeln. Das umfassende Sensorportfolio des Unternehmens umfasst industrielle und hochintegrierte Multi-Sensor-Module, die eine Lösung bieten, die Echtzeitverarbeitung ermöglicht und somit die intelligente Fabrik verbessert. Viele der industriellen Sensoren von TE verfügen über digitale Ausgänge, die sich einfacher an Fabrikkommunikationssysteme anpassen lassen als weniger fortschrittliche Sensoren. Die Sensoren von TE bieten hohe Genauigkeit und Auflösung, was zuverlässige Daten garantiert. Sie können außerdem in intelligente Maschinen, Mess- und Testgeräte und statistische Prozesskontrolle integriert werden. 

In intelligenten Maschinen überwachen und messen Positionssensoren die Lage von beweglichen Teilen, oft mit hoher Genauigkeit und Präzision, während Temperatur- und Drucksensoren Parameter überwachen und messen, die für den ordnungsgemäßen Betrieb der Maschine entscheidend sind. Durchflussschalter überwachen den korrekten Fluss von wichtigen Flüssigkeiten, einschließlich Kühlmitteln und Schneidölen. Kraftsensoren überwachen die auf Produkte angewendete Kraft während des Form-, Biege- und spannungsbezogenen Herstellungsprozesses. 

Sensoren werden eingesetzt, um die Genauigkeit von Mess- und Prüfausrüstungen zu erhöhen, indem Temperatur- und Drucksensoren verwendet werden, um den ordnungsgemäßen Betrieb zu überwachen. Positionssensoren (LVDT, Fühlköpfe) messen Produktabmessungen, und Wägezellen werden verwendet, um das Gewicht zu bestimmen und zu überprüfen, ob das Produkt innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte liegt. 

Sensoren werden in die statistische Prozesskontrolle integriert, um genaue, konsistente und zuverlässige Messungen der verschiedenen Prozessparameter durchzuführen. In robusten Gehäusen und Umhüllungen erhältlich, bietet das Sensorportfolio von TE eine langfristige Stabilität, wodurch der Wartungsbedarf reduziert wird und gleichzeitig eine zuverlässige Leistung in rauen Umgebungen gewährleistet ist. Diese Sensoren sind austauschbar, was einen schnellen Austausch defekter Sensoren ermöglicht und somit die Ausfallzeit in der Produktion verringert.

Von Druck- und Flüssigkeitsstandsensoren, die zur Überwachung von Wasser-, Luftleitungen und Flüssigkeitsständen in Prozesslagertanks verwendet werden, bis hin zu Temperatur- und berührungslosen Temperatursensoren, die zur Überwachung von Umgebungstemperaturen, Arbeitstemperaturen sowie der Belegung von Arbeitsbereichen eingesetzt werden, bietet das Portfolio von TE die Lösung, die benötigt wird, um eine produktive, sichere und komfortable Arbeitsumgebung zu gewährleisten.  

Sensorfortschritte für intelligente Fabriken 

Die Produktionskapazitäten entwickeln sich kontinuierlich weiter, da Hersteller Geräte- und/oder System-Upgrades implementieren. Mit der Realisierung dieser Upgrades schreiten die Sensortechnologien voran und neue Produkte werden eingeführt.  Beispielsweise erfordern Faktoren wie die Temperaturabschaltung elementare analoge Signale. Sobald ein Temperaturgrenzwert überschritten wird, wird der Produktionsprozess gestoppt.  Die grundlegendsten dieser Komponenten sind Thermistoren, [15] Module, die ihren Widerstandswert ändern, sowie der Measurement Specialties (MEAS) HS1101LF Luftfeuchtigkeitssensor von TE [2], der basierend auf der Luftfeuchtigkeit eine Kapazität ausgibt. Diese einfachen Komponenten liefern Informationen, die zu einem sich ändernden Wert bei einem normalerweise passiven Gerät führen.  Obwohl passive Komponenten zusätzliche Schaltungen für die Umsetzung des endgültigen Prozesses erfordern, wird das entscheidungsrelevante Signal in intelligentere, multifunktionale Komponenten integriert, die auf unterschiedlichste Weise analoge Signale bereitstellen. Fortschrittlichere Sensoren werden Hysterese beinhalten, um Fehltrigger zu reduzieren oder einen Temperaturbereich zu ermöglichen, der umgesetzt werden kann.  

Über einfache analoge Trigger hinaus resultiert eine erhöhte Sensorkapazität aus Sensordaten, die eine Reihe von Spannungswerten erzeugen.  Da Halbleiterprozesse weiterhin niedrigere Spannungspegel verwenden, sind ausgefeiltere Methoden erforderlich, um größere Granularität bereitzustellen. In diesen Anwendungen ersetzen digitale Signale den begrenzten analogen Spannungsbereich; jedoch benötigen einige Märkte nicht die Kosten und Komplexität von Kommunikationsprotokollen mit zusätzlichen mikroprozessorbasierten Entscheidungsprozessen.  Für diese Anwendungen werden Pulsweitenmodulation (PWM) und Sigma-Delta-Modulation als digitale Signale eingesetzt, deren Ergebnisse in ein analoges Ausgangssignal gemittelt werden.  Der digitale Temperatursensor TSYS02S von TE [1] ist ein Beispiel für ein Produkt mit diesen beiden Arten von Ausgängen zusammen mit einer zusätzlichen I2C-Option. Der Vorteil besteht in einem analogen Signal, das für eine Drei-Volt-Logik erstellt wurde und einen größeren Auflösungsbereich als ein typischer Drei-Volt-Operationsverstärker bietet.  Die Vielzahl verfügbarer Optionen ermöglicht es Kunden, eine Temperatursensorelösung auszuwählen, die ihrem Budget und der Komplexität ihrer Entscheidungsschaltung entspricht.

Referenz [1] Der digitale Temperatursensor TSYS02S von TE verfügt über drei Arten von analogen Ausgängen: PWM, SDM und I². Die Umsetzung dieser Generation analoger Signale erfordert eine Mittelung, die zu einer noch höheren Granularität führt, welche durch die Verwendung von Kommunikationsprotokollen erreicht wird.  In diesen Sensorprodukten sind Sensorik, A/D-Kommunikation und Datenausgaben in einem Gehäuse integriert. Die Granularität steigt mit der Bitgröße des Datenstroms.  Die Adressierung ist ein wesentlicher Bestandteil des Bitstroms, der es ermöglicht, viele Sensor-Slave-Lasten von Mastern zu steuern, wodurch die Datenerfassung für eine bessere Steuerung erhöht wird.  Die zusätzlichen Takt- und Daten-Synchronisationsaufwände sind minimale Nebenwirkungen im Vergleich zur verbesserten Genauigkeit und Signalintegrität von analogen Lösungen.

Referenz [14]  Die Vier-Datenleitungs-Struktur einer SPI-Schnittstelle ermöglicht eine schnellere Datenerfassung im Vergleich zu I2C.

Referenz  [14] Die serielle Datenleitungsstruktur einer I2C-Schnittstelle ist weniger komplex als SPI. 

Sensorprodukte mit serieller Kommunikationsfähigkeit sind verfügbar für die Erfassung von Temperatur [1] und Feuchtigkeit [3] sowie einer Kombination von Temperatur und Feuchtigkeit [3].  Eine Vielzahl von Drucksensoren [9-11] steuert Prozesse, die empfindlich auf barometrischen Druck sowie Druckniveaus von Druckluft reagieren. 

Positionssensoren erfassen die Stärke des Magnetfelds, um die Ausrichtung [8], die lineare Position [5] oder die Winkelposition [5, 6, 7] zu bestimmen.  Diese magnoresistiven (MR) [14] Produkte verwenden integrierte Wheatstone-Brücken.  Der Ausgangswert liegt in Form von zwei sinusförmigen Wellen vor, die phasenversetzt sind, basierend auf dem Winkel, der von der Wheatstone-Brücke bestimmt wird.

Blockdiagramm

Typische Leistungskurven

Referenz [5]: Der KMT32B-Sensor von TE ist ein magnetischer Winkelsensor, der die Position eines Roboterarms bestimmen kann.  Die Ausgangssignale sind sinusförmig mit einer Phasendifferenz, die den Winkel repräsentiert. 

Zusätzlich zu Informationen über Produkteigenschaften und -werte bieten Verpackungsoptionen eine Vielzahl von Montagemöglichkeiten, von der Oberflächenmontage bis zur Erhöhung über der Leiterplatte mittels Durchsteckmontage.  Für Komponenten, die durch Temperatur beeinträchtigt werden, wie beispielsweise der HTU20D(F)-Sensor von TE, liefert wertvolle Montageinformationen dem Benutzer Anweisungen, wie Slots auf der Leiterplatte genutzt werden können, um die Wärmeübertragung von anderen Komponenten zu reduzieren.  Dies wiederum ermöglicht eine präzisere Luftfeuchtigkeitsmessung, die auf der Umgebungstemperatur basiert, anstatt der zusätzlichen Temperatur, die durch die unterstützende Schaltung erzeugt wird.

HTU20D(F) RH/T Sensor-IC

Referenz [3] Das Datenblatt des HTU20D(F)-Feuchtigkeitssensors von TE gibt Anweisungen dazu, wie die Montage entscheidend für die Produktleistung auf Basis der tatsächlichen Umgebungstemperatur ist. 

Zusammenfassung

Von der Bestellung von Rohmaterialien bis hin zur Endproduktion haben intelligente Fabriken die Fertigungsindustrie revolutioniert, die Produktionsrate erhöht, menschliche Fehler reduziert und die Effizienz gesteigert. Diese Fortschritte auf dem Fabrikboden haben die Anforderungen an Maschinen verändert und die Nachfrage nach zuverlässigen Sensoren, insbesondere in Umgebungen mit hoher Vibration, erhöht. Basierend auf dem erforderlichen Maß an Raffinesse und den Signalisierungsmethoden gibt es ein Sensorprodukt, das eine zuverlässige Lösung bietet. Während die Funktionen intelligenter Fabriken zunehmen, verpflichtet sich TE dazu, seine Sensortechnologien weiterzuentwickeln, um den steigenden Systemanforderungen gerecht zu werden. 

Nomenklatur

[3] Die optionalen Funktionen für TE's HTU2XY(F) umfassen einen PTFE-Filter/Membran, der/die vor Staub und Eintauchen in Wasser schützt+