Die oft geringen Energiemengen, die bei einer Bewegung entstehen, reichen oft aus um einen drahtlosen Sensor zu betreiben.

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Mit Energy Harvesting zu mehr Nachhaltigkeit für das IIoT Funksensoren per Bewegung antreiben

28.09.2022

Das Internet der Dinge (IoT) besteht aus einer Vielzahl von miteinander vernetzten Systemen. Die Energieversorgung erfolgt per Kabel oder Batterie. Doch idealerweise erzeugen kleine Energieumsetzer aus Licht oder Bewegung den Strom für den Funkbetrieb. Wie erklären, wie das nachhaltige „Energy Harvesting“ für die IIoT/IoT-Geräte funktioniert.

Zukunftssichere Technologien bilden die Grundlage für das Internet der Dinge (IoT). Wichtig ist dabei vor allen Dingen, wie Millionen von kommunizierenden Geräten mit Energie versorgt werden. Glücklicherweise sind erneuerbare Energien längst ein fester Bestandteil der Energiegewinnung. Felder mit Solarzellen oder Windkraftanlagen prägen heute das Landschaftsbild. Diese Form der Energiegewinnung gibt es auch in kleinerem Maße, das sogenannte „Energy Harvesting“. Kleine Energiewandler „ernten“ Energie aus Bewegung, Licht oder Temperaturunterschieden. Diese oft geringen Energiemengen reichen aus, um einen drahtlosen Sensor zu betreiben und Daten per Funk zu übertragen.

Diese Form von Energiegewinnung für funkbasierte Produkte, die bereits in der Massenproduktion sind, nutzt vier verschiedene Quellen:

  • Bewegung – der Druck auf einen Schalter, sich bewegende Maschinenteile, die Drehbewegung eines Griffs

  • Licht – Innenraumlicht oder einfallendes Sonnenlicht in einem Raum

  • Temperaturunterschiede – zwischen einer Wärmequelle wie einem Heizkörper, Rohren oder einem Heizkessel und der Umgebung sowie Tag- und Nachtschwankungen

  • Elektromagnetisches Feld – eine kontaktlose Spule in einer Käfigklemme, die um ein Kabel geklemmt wird, versorgt das Messgerät mit genügend Energie und misst den Leitungsstrom

Für jede dieser Quellen gibt es verschiedene Energiewandler mit unterschiedlichen Leistungsparametern. Die Art der Energieerzeugung zusammen mit der entsprechenden Leistungsausbeute bestimmt maßgeblich die Einsatzmöglichkeiten der Sensoren.

Mehr Nachhaltigkeit

Mit Hilfe dieser Energy Harvesting-Technologie werden Funksensoren immer nachhaltiger, da sie weder Kabel noch Batterien benötigen. Das ist nicht nur umweltfreundlicher, sondern spart auch mehr Kosten ein. Obwohl der Batteriewechsel an sich ein schneller Prozess ist, erhöhen sich die Arbeitskosten durch die Fahrt zum Einsatzort, das Auffinden des Sensors, das Testen des Geräts und die Dokumentation des Vorgangs drastisch. Sehr oft wird den Batterien eine Lebensdauer von mehreren Jahren nachgesagt, doch in der Praxis tauschen die Wartungsunternehmen sie oft spätestens alle ein bis zwei Jahre aus, um einen frühzeitigen Ausfall zu vermeiden.

Ressourcenschonung und Umweltschutz sind so wichtig wie noch nie. Die Preise für Kupfer steigen stetig und die schädlichen Bestandteile sowie die Sicherheitsaspekte von Batterien sind ein ernstes Problem. Drahtlose Energy Harvesting-Sensoren sind eine nachhaltige Lösung, die sowohl den finanziellen Aspekt als auch die Auswirkungen auf die Umwelt berücksichtigt.

Im Einsatz für die Industrie

Sensoren haben eine Schlüsselfunktion in der industriellen Produktion. Sie können zum Beispiel für die Qualitäts- und Prozessüberwachung oder die zustandsorientierte Wartung eingesetzt werden. Das Anwendungsspektrum ist breit gefächert und entwickelt sich durch den zunehmenden Einsatz von drahtlosen Sensoren in Richtung eines industriellen Internet der Dinge (IIoT). Durch die Kombination von energiesparendem Funk mit lokalen Energiewandlern können Batterie- und damit wartungsfreie Sensoren auch direkt an bewegten Teilen oder in hermetisch abgeschlossenen Umgebungen montiert werden, etwa zur Messung der Position von mechanischen Teilen, der Stromaufnahme oder der Temperatur von mechanischen Teilen, Flüssigkeiten oder Gasen.

Sensoren für Qualitätskontrolle

Die Qualitätsüberwachung dient dazu, den gesamten Produktionsprozess zu kontrollieren und die gewünschten Eigenschaften des Endprodukts anhand verschiedener Parameter sicherzustellen. Zu diesem Zweck müssen Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und Luftqualität oder im Prozessumfeld Faktoren wie Position oder Temperatur überwacht werden.

Automatisierte Überwachungssysteme benötigen Daten, die von Sensoren erzeugt werden. Dazu müssen sich diese Sensoren jedoch nahtlos in die bestehenden Produktionsprozesse einfügen und dürfen keine speziellen Mitarbeiterschulungen erfordern oder Folgekosten im laufenden Betrieb verursachen. Hier bietet die Integration von energieautarken und damit wartungsfreien Sensoren entscheidende Vorteile.

Zustandsorientierte Wartung

Neben dem Produkt müssen auch die Maschinen überwacht werden, um einen reibungslosen Produktionsablauf zu gewährleisten. Da diese oft einem hohen Verschleiß unterliegen, sind die frühzeitige Erkennung von Problemen und entsprechende Gegenmaßnahmen wichtige Voraussetzungen für eine kontinuierliche Qualitätssicherung und den Schutz vor Produktionsausfällen.

Ein grundlegendes Problem der Wartungsplanung ist die Berechnung der Intervalle zwischen den einzelnen Wartungszyklen. Einerseits muss die Zeit zwischen den Wartungsterminen so kurz wie möglich sein, um Abweichungen zu erkennen, bevor ein größeres Problem auftritt. Andererseits ist jede Wartung mit hohen Kosten für Personal und stillstehende Maschinen verbunden.

In vielen Fällen ist es möglich, durch die Überwachung einiger weniger einfacher Parameter wertvolle Informationen zu erhalten. So kann beispielsweise ein Temperaturanstieg auf erhöhte Reibung und damit auf Verschleiß hinweisen. Für die Messvorgänge können drahtlose Temperatursensoren eingesetzt werden. Feuchtigkeitssensoren überwachen dediziert, ob Wasser ausläuft, um kostspielige Wasserschäden zu vermeiden. Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren liefern auch Informationen über die Luftbedingungen, um im Messumfeld eine gleichbleibende Luftqualität zu gewährleisten.

Deshalb sind drahtlose Energy Harvesting-Sensoren ideal für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen. Sie sind wartungsfrei, flexibel und kostengünstig zu installieren – ideale Eigenschaften, um nicht nur hohe Qualitätsstandards, sondern auch mehr Nachhaltigkeit im Umfeld von Industrie 4.0 zu gewährleisten.

IoT im Fabrikgebäude

In der Fertigung ermöglicht das IoT eine deutlich effizientere, flexiblere und individuellere Produktion. Mit Hilfe von Sensoren, die mit einer intelligenten IoT-Plattform vernetzt sind, ist es sogar möglich, einen digitalen Zwilling, also ein exaktes virtuelles Abbild einer Maschine über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg, zu erstellen. Auch im Gebäudebereich schreitet die Digitalisierung rasant voran. Hier wird ein digitaler Zwilling des Fabrikgebäudes erstellt, der die genauen Nutzungsanforderungen virtuell abbildet. Dies führt zu automatisierten Serviceprozessen im Facility Management und zu höheren Energieeinsparungen. Sowohl für industrielle Prozesse als auch für den Einsatz in Fabrikgebäuden ist eines unerlässlich: batterielose Funksensoren.

Bildergalerie

  • Fernwartung mit Funksensoren erleichtert die Maschinenkontrolle.

    Bild: iStock; ArisSu

  • Funksensoren erleichtern die Montage auf einem Fabrikgelände.

    Bild: iStock; Bim

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