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Vernetzte Produktion Intelligente Sensoren – die Sinnesorgane der Industrie 4.0 werden immer schärfer

Intelligente Sensoren sind unverzichtbar für die vernetzte Produktion. Viele Unternehmen aber scheuen noch die Kosten für entsprechende Systeme.

Am Stand des Fraunhofer Instituts auf der Hannover Messe werden Tabakpflanzen vollautomatisch mit Sensoren für Temperatur, Luftfeuchtigkeit, PH-Wert und Lichtintensität überwacht, um Unregelmäßigkeiten beim Anbau frühzeitig zu erkennen und Pilzbefall oder Infektionen mit Viren vorzubeugen. Quelle: dpa

HannoverSensoren sind unscheinbare Alleskönner: Sie erwecken Fabriken zum Leben. Maschinen können dank der Bauteile sehen, hören und fühlen. Wie kleine Sinnesorgane bilden sie Basis für die vernetzte Produktion, sie melden mehr und mehr Maschinendaten ins Internet. Höhere Flexibilität, individuellere Produkte, weniger Stillstand – so lauten zentrale Versprechen. Doch wie gut die Pläne von Industrie 4.0 aufgehen, hängt stark von den Bindegliedern ab.

„Sensoren werden immer intelligenter“, sagt Peter Wienzek, Manager Business Development Systems des Herstellers IFM Electronic in Essen. Das Leitbild heißt Smart Data: Statt Terabytes von Daten zu liefern, die dann von Analysesoftware durchkämmt werden, findet die Auswertung bereits größtenteils im Sensor statt. Nur relevante Informationen gibt er weiter.

Die richtige Information zum richtigen Zeitpunkt für den richtigen Adressaten – das sei die Herausforderung. Auf der gerade beendete Hannover Messe zeigte IFM Electronic den „Smart Valve Sensor“, der Ventile von industriellen Anlagen nicht nur steuert, sondern auch den Zustand von Dichtungen überwacht. Das Bauteil wertet Daten eigenständig aus und schlägt bei Auffälligkeiten Alarm. Zudem erhalten Techniker einen Hinweis, wenn eine Wartung nötig ist.

Dafür sorgt eine IO-Link genannte Sensorschnittstelle mit entsprechender Serveranbindung. „In Fabriken sind Sensoren an jeder Stelle nötig, um den Zustand hundertprozentig zu verstehen“, sagt Jürgen Fleischer, einer der Leiter des Instituts für Produktionstechnik in Karlsruhe. Viele Industrieunternehmen allerdings zögern noch beim Einsatz der klugen Bauteile. „Heute investiert niemand in etwas, das irgendwann in Zukunft wirtschaftlich ist“, „, so Fleischer. „Wir müssen die Eintrittsschwelle mit kostengünstiger Sensorik senken.“

Einen „Teufelskreis“ konstatiert Fleischer in einem gemeinsamen Leitfaden mit dem Maschinenbauverband VDMA: Der wirtschaftliche Nutzen neuer Sensoren könne oft noch nicht genau beziffert werden. „Hierdurch verharren auch die Stückzahlen vieler Sensorsysteme auf einem niedrigen Niveau.“ Die Folge: Deren Kosten blieben hoch, potenzielle neue Anwendungen könnten nicht erschlossen werden.

Auch IFM-Manager Wienzek erkennt Zurückhaltung bei intelligenten Sensoren, die den Weg zu Industrie 4.0 bahnen: „Deutsche Mittelständler und Maschinenbauer gehören nicht unbedingt zu den Pionier-Anwendern.“ Anders dagegen Autobauer, die kontinuierliche Verbesserungsprozesse in der Fertigung etabliert hätten. „Sie sind besonders aufgeschlossen für smarte Sensoren und Datenauswertungen.“

„Ein Umdenken sei nötig, damit intelligente Sensoren ihren Nutzen entfalten“, sagt Bernhard Müller, Geschäftsleitung Industrie 4.0 beim Hersteller Sick. „Wenn man glaubt, dass alles, was man tut, super ist, dann ist Industrie 4.0 nur ein Kostenfaktor.“ Es gelte, Prozesse zu hinterfragen und zu entwickeln. „Dann entstehen interessante Optionen.“ Der Blick auf das Gesamtsystem könne vermeintlich kostspielige Investitionen rechtfertigen, so Müller.

Auf der Hannover Messe zeigte Sick seinen „AppSpace“. Die Software unterstützt Programmierer bei der App-Entwicklung für Sensoren. Zudem hilft man Technikern, die Programme auf die Bauteile zu laden. „Wenn ein Kunde will, dass ein Sensor Barcodes liest, dann lädt er die entsprechende App herunter“, sagt Müller. „Jeder Sensor bekommt so die gewünschte Funktion.“


Auch IT-Spezialisten lockt der Trend

App-Entwicklung für Sensoren nach dem Vorbild des Smartphones - für Wissenschaftler Fleischer ist das ein guter Weg zu mehr Akzeptanz. „Es ermöglicht ein schnelles Ausprobieren von Funktionen.“ Die Abstimmung zwischen Herstellern und Industrieanwendern müsse einfacher werden. „Die Kosten der Sensorik werden getrieben durch die Tatsache, dass man zu lange rumprobieren muss, es fallen zu hohe Engineering-Kosten an“, sagt er. „Auch die Anwender müssen ihre Bedürfnisse besser artikulieren.“

Der Leitfaden soll dabei helfen, indem er Einsatzchancen, aber auch Grenzen aufzeigt. Dank integrierter Chips erlangen Sensoren eigene Rechenkraft. Wenn diese in Großserie produziert werden können, erwartet Fleischer für die Industrie rasch sinkende Kosten. Er verweist auf Fahrzeughersteller: „Sensorik in Autos ist viel günstiger, weil hier Economies of Scale greifen.“

Einen sogenannten digitalen Zwilling erzeugen, etwa von einer Stanz- oder Fräsmaschine, darauf zielt Industrie 4.0. Was in der realen Welt geschieht, wird virtuell identisch nachgebildet, um den Fertigungsprozess zu optimieren. Hunderte Sensoren können für eine einzige Anlage nötig sein. Um nicht in gewaltigen Datenmengen zu ersticken, müssen die Sensoren direkt auswerten - Edge-Computing heißt das Prinzip.

Diese effiziente Analyse von Daten direkt an der Maschine treiben auch Forscher des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS voran. In Hannover waren sie mit dem Thema „Kognitive Sensorik“ vor Ort. Eine mögliche Anwendung ist das Produktionsmonitoring von Bauteilen.

„Wir liefern die Sensoren und die nötigen Algorithmen“, erläutert IIS-Leiter Albert Heuberger. So sollen mögliche Fehler etwa bei Gussteilen rasch ermittelt werden. Wenn 3D-Tomografen aus deren Innenleben Bilder aufnehmen, kommen pro Bauteil schnell ein paar Hundert Megabyte zusammen, so Heuberger. „Bei einem Produktionstakt von 30 Sekunden lässt sich das nicht einfach in die Cloud schicken.“

Mit der Technik lasse sich der Ausschuss spürbar senken - auch, weil monierte Teile sich bei genauer Prüfung doch als tauglich erweisen können. „Wir wollen intelligente Prüfmaschinen bauen“, sagt Heuberger. „Sie sollen auch eigenständig herausfinden, wie der Fertigungsprozess verändert werden muss, damit weniger fehlerhafte Teile entstehen.“

Auch IT-Spezialisten lockt der Trend zum intelligenten Sensor an. „Sie ermöglichen dezentrale, selbst organisierte Produktionssysteme“, sagt Ursula Morgenstern, CEO von Atos Deutschland. „Damit sie sich durchsetzen, müssen sie untereinander kompatibel sein, also die gleiche Sprache sprechen.“ Die Industrie müsse mit der Digitalwirtschaft Anwendungsszenarien entwickeln.

Ganz neue Einsatzmöglichkeiten peilt das Start-up Tacterion an. Die Münchener haben auf Basis der biegsamen „Sensorskin“-Technologie Sensoren entwickelt, die Maschinenoberflächen berührungsempfindlich machen. Das Material ist auch äußerst robust - selbst Hammerschlägen hält es stand.

„Wir können mit unseren Sensoren Daten erfassen, wo bestehende Lösungen scheitern“, sagt Mitgründer Daniel Strohmayr. „Wir müssen neue Themen finden, die noch nicht besetzt sind.“ Dies sei auch dank geringer Bauhöhe etwa bei 4.0-Lösungen in der Qualitätssicherung oder beim Materialtransport in der Fabrik möglich. „Ende nächsten Jahres sollten wir etwas auf dem Markt haben“, ist Strohmayr zuversichtlich.

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