Smarte Sensoren die fehlerhafte Systeme und ineffiziente “Energiefresser” erkennen? Im FFG-geförderten Projekt “ConSens” hat das Department für Automatisierungstechnik der FH CAMPUS 02 in Kooperation mit mehreren Unternehmen ein innovatives drahtloses Übertragungssystem für sensorbasierte Messdaten entwickelt.
Konzepte des Internet-of-Things (IoT) mit sensorbasierten Monitoring Lösungen haben enormes Potential die Energie- und Produktionsindustrie energie- und ressourceneffizienter zu gestalten und damit einen wesentlichen Beitrag zu großen gesellschaftlichen Herausforderungen wie Dekarbonisierung und Klimaschutz zu leisten.
Beispiele für solche Sensorsysteme sind Vibrations-, Temperatur-, Strom-/ Spannungssensoren für z.B. Energie(verbrauchs) Monitoring und Condition Monitoring (EM bzw. CM). Anwendung finden solche Monitoring Systeme heute schon in Komponenten der Energieerzeugung (Turbinen, Generatoren, Windkraftanlagen, Solarkraftwerken, etc.) des Energietransports (Transmissions- und Verteilnetze, etc.) als auch bei Verbrauchern (Produktionsanlagen, Mobilitätssysteme, Gebäuden, etc.).
Die Informationen aus Energie- und Condition Monitoring Systemen werden dazu verwendet fehlerhafte Systeme und „Energiefresser“ zu identifizieren und mit entsprechenden (Instandhaltungs-)Maßnahmen Nominalzustände herzustellen. Der überwiegende Teil der heutigen Monitoring Systeme arbeitet mit verkabelten Sensoren, dadurch bleiben viele Potentiale zur Energie- und Ressourceneinsparung ungenutzt. Der Bedarf an kostengünstigen und günstig nachrüstbaren Sensoren ist daher definitiv gegeben.
Drahtlose Sensoren bzw. Sensornetze sind vergleichsweise einfacher nachzurüsten und bei Bedarf schneller umzurüsten, ohne teure Verkabelungsinstallation – damit unterstützen sie die Flexibilität und Wandlungsfähigkeit der Energie- und Produktionssysteme. Im Bereich Condition Monitoring gibt es vereinzelt drahtlose Systeme: Je nach Anwendung, hat man die Auswahl zwischen geringen Übertragungsraten und hoher Reichweite oder Funktechnologien mit hoher Übertragungsrate bei deutlich höherem Energieverbrauch. Die Durchdringung der Energiesysteme und die Fabrik der Zukunft mit drahtlosen Sensoren wird sich im Zuge von IoT-Konzepten aber wesentlich steigern. Daher müssen für industrietaugliche drahtlose Monitoringsysteme völlig neue Konzepte untersucht und entwickelt werden, die Verlässlichkeit, Sicherheit und eine hohe Datenqualität gewährleisten – zudem sollten sie kostengünstig, wartungsarm und energieautark betrieben werden können.
In ConSens stehen Anwendungsfälle aus den Bereichen maschinelle Komponenten, industrielle Fertigung und Energieerzeugung im Zentrum:
Condition-Monitoring an Elektromotoren: Elektromotoren werden mit der Fa. Spalt Technology GmbH direkt mit einem drahtlosen Sensorknoten ausgerüstet, welcher Vibrationsmessungen und Temperaturmessungen an verschiedenen Komponenten des Motors durchführen (Lager, Magneten, etc.).
Condition-Monitoring an Rotorblättern von Windkraftanlagen: Ermüdung des Rotorblattmaterials senken die Effizienz von Windkraftanlagen deutlich. Der Grad der Ermüdung kann durch Messung von Vibrationen an verschiedenen Stellen des Rotorblattes festgestellt werden. Zusammen mit der Fa. eologix wird für die Vibrationsmessungen ein Sensornetz aus drahtlosen und autarken Vibrationssensoren entwickelt, dessen Sensorknoten auf den Rotoren verteilt werden.
Energiemonitoring an Kettenschweißmaschinen: In der Kettenfertigung der pewag austria in Kapfenberg sollen die Strom-/Spannungsverläufe in der Versorgung von Kettenschweißmaschinen erfasst und die Messdaten analysiert werden. Die Ergebnisse der Messungen an mehreren in der Fertigungshalle verteilten Kettenschweißmaschinen sollen einerseits für das Energiemonitoring genutzt werden, andererseits erwartet man sich aus den Messungen auch Aufschlüsse über Prozesseinflussgrößen auf Grund von Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Schweißmaschinen über das Stromversorgungsnetz.
Grundlage der Informationsgewinnung ist in allen Anwendungsfällen die Erzeugung zeitlich hochaufgelöster Vibrationsdaten (Elektromotor, Windgenerator) und Energieverbrauchsdaten (Strom-/Spannungsmessungen bei Kettenschweissanlagen) an mehreren Messstellen, deren Daten teilweise auch zeitsynchronisiert sein müssen, um Korrelationsinformationen ausnutzen zu können (Windgenerator, Kettenschweißanlagen).
Die UWB-Technologie eignet sich sehr robust und energieeffizient große Datenmengen, auch unter rauen Umgebungsbedingungen um Rohdaten von den Sensorknoten über kurze Strecken zu übertragen. Die LoRa-Technologie ist ebenfalls sehr energieeffizient, sie hat wesentlich größere Reichweiten bei wesentlich geringeren Datenraten als UWB. Damit lassen sich zwar keine Sensorrohdaten übertragen jedoch prozessierte/reduzierte Informationen der Sensordaten sowie Signale die zur Steuerung des Sensornetzes dienen. Beide Technologien lassen sich auch in hierarchischen Netzwerken kombinieren. Danach sorgen lokale UWB-Cluster für die Übertragung von Rohdaten zu einem Accesspoint mit größerer Rechenleistung. Aggregierte und vorprozessierte Daten können dann über LoRa an eine zentrale Stelle weitergeleitet werden in der diese zu Informationen verarbeitet und dargestellt werden können. Im Falle der Windkraftanlagen können die Daten z.B. über ein 5G Netz an eine in der Regel weit entfernte zentrale Kontrolleinrichtung weitergeleitet werden.
Aufgrund ihres Designs sind beide Technologien sehr robust in herausfordernden Umgebungen, wie sie oft im industriellen Umfeld vorkommen. Des Weiteren können Sie sehr genau auf die Anwendung angepasst werden und so auf möglichst geringen Energieverbrauch eingestellt werden. Dies ermöglicht den autarken Betrieb ohne kabelgebundene Stromversorgung, sofern ausreichende Möglichkeiten für die Energiegewinnung aus der Umgebung bestehen (Licht, Vibration, Wärme, etc.). In ConSens werden entsprechende Verfahren für das Energiemanagement der Sensorknoten und kombinierte Energie Harvestingmethoden untersucht, die den autarken Betrieb der Sensorknoten zum Ziel haben.
Für alle Anwendungsfälle wurden Prototypen für Sensorknoten aufgebaut und erste Messungen in industrieller Umgebung durchgeführt. In 2023 werden Messkampagnen in allen Anwendungsbereichen durchgeführt und evaluiert. Dabei ist eine wichtige Fragestellung in wieweit ein kostengünstiges autarkes Sensornetz jeweils realisiert werden kann und wie die Daten zur Verbesserung des Betriebs und zur erhöhten Produktionsqualität wie auch zu erhöhter Energieeffizienz beitragen können (Proof-of-Concept).
Auch im ORF wurde unser Projekt “ConSens” vorgestellt, bei dem die FH CAMPUS 02 gemeinsam mit dem Sensortechnologie-Unternehmen “eologix” smarte Sensoren entwickelt hat, welche Probleme bei Windrädern weitergeben und effizientere Energieerzeugung ermöglichen. Zum ORF-Video gelangt ihr hier
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