Techniker testet neuen Sensor mittels Laptop in einer Werkhalle

Sensoren sind die Augen der Roboter, liefern Daten für Industrie 4.0 und sind auch für Künstliche Intelligenz unabdingbar. Zudem wird weiter geforscht und getestet und es gibt neue spannende Entwicklungen - nicht nur bei der Quantensensorik. - Bild: Sick

| von Dietmar Poll

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. Es geht um aktuelle Trends in der Branche, welche Technologien gerade die größten Entwicklungssprünge machen, wer oder was die Treiber dieser Entwicklungen sind und wo es noch notwendiges Entwicklungspotenzial gibt.

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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 

Was sind aktuelle Trends in der Branche?

"Die großen Themen unserer Branche bleiben auch im Jahr 2021 die Digitalisierung und das Internet of Things (IoT). 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", beschreibt Thomas Simmons, Geschäftsführer beim AMA Verband für Sensorik und Messtechnik.

Henning Grönzin, CTO bei Leuze richtet den Fokus auf Safety-Lösungen: "Für den Bereich Arbeitssicherheit haben wir den strategischen Geschäftsbereich 'Safety at Leuze' gebildet und in 2020 erstmalig Safety-Lösungen für definierte, sicherheitstechnische Applikationen entwickelt. Die Safety-Lösungen bestehen aus einem Set von Sicherheitssensorik und einer sicheren Kleinsteuerung. Auf dieser wurde eine Software entwickelt, zugeschnitten auf die jeweilige Applikation."

Digitale Services und KI

Auf das Thema Digitalisierung bezieht sich Michael Overdick, Technology Manager bei der Sick AG: "Mit dem Sick Integration Space haben wir im vergangen Jahr einen wichtigen Schritt in Richtung Digitalisierung unternommen."

Darüber könne Sick seinen 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 App Space einen einfachen Workflow, mit dem sich ohne Programmierkenntnisse Sensor-Apps schreiben lassen. So bringen wir applikationsspezifische Programmierung direkt in den Sensor", sagt Overdick. Dabei greife Sick 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 schneller erkennen kann als Menschen, erhalten Unternehmen mehr Einblick und neue Erkenntnisse über Prozesse und Vorgänge in ihrer Produktion", ergänzt Overdick.

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Time of Flight und IO-Link

Aber auch in der Messtechnik selbst gibt es laut Overdick 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."

Lasse-Pekka Thiem, Senior Product Manager Connectivity & Control bei Baumer wiederum stellt klar, dass "für uns IO-Link ein wichtiges Thema ist. 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." Auch gewännen UX und Usability für die einfache Bedienung der Sensoren an Bedeutung und das Thema IO-Link und die Rolle von SPE werde immer wieder diskutiert. "SPE ist für Applikationen mit großen Datenmengen gemacht. Doch auch die IO-Link Community prüft IO-Link über SPE zu spezifizieren", unterstreicht Thiem.

"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

Welche Technologien machen gerade die größten Entwicklungssprünge?

Laut Simmons ist derzeit die intelligente Verknüpfung von verschiedenen Sensordaten mit anderen Informationen gefragt. "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", findet Simmons.

Smarte Sensoren vereinfachten 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", hebt Simmons hervor.

Optische Sensorik und Quantentechnologie

Leuze-Mann Grönzin sieht auf allen Gebieten der optischen Sensorik eine kontinuierliche Weiterentwicklung: "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."

Applikationsnahe Software und künstliche Intelligenz sind für Overdick 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", sagt Overdick.

Quantentechnologie erklärt

Quantencomputer können Aufgaben wesentlich schneller lösen als klassische Computer. - Bild: Bartek Wróblewski - stock.adobe.com

Was ist Quantentechnologie eigentlich? Auf welchen Phänomenen der Quantenphysik basiert die Technik? Warum sind Quantentechnologien so relevant? Wie kann Deutschland Technologieführer werden? Antworten auf all diese Fragen lesen Sie im Artikel "Quantentechnologie: Warum Deutschland jetzt handeln muss".

Sie wollen lieber lesen, wie ein Quantencomputer genau funktioniert und wofür sie eingesetzt werden, dann lesen Sie unseren Zweiteiler zum Thema: "Quantencomputer Teil 1: Wie die Technik funktioniert" und "Quantencomputer Teil 2: Wo sie gebraucht werden".

Warum die Quantensensorik wahrscheinlich als erstes die Industrie erobern wird, erfahren Sie in "Warum Quantensensoren immer wichtiger werden".

Thiem ist der Meinung, dass die Anwendungen für die Sensorik über die Fabriken hinauswachsen und deshalb sieht er vor allem in Remote Outdoor-Anwendungen Potenziale für kabellose Verbindungen. "Ein zweites Thema ist Künstliche Intelligenz. Spannend wird es dann, wenn wir nicht nur Fehler erkennen oder vorhersagen, sondern mit KI-Methoden Optimierungen in den Prozessen ermöglichen", so Thiem.

Klar sei, dass die Sensorik ein wichtiger Baustein für Machine-Learning-Projekte in der Industrie sei. "Ohne Daten und Informationen können keine Modelle trainiert werden. Wir werden in der Sensorik auch 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", erläutert Thiem.

"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

Was sind die Treiber dieser Entwicklungen?

Als Treiber dieser Entwicklungen beobachtet Simmons in der Branche zwei Hauptströmungen: "Auf der einen Seite 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 kennzeichneten sich durch hohe Anforderungen an Genauigkeit und Arbeitsfrequenzbereich. Sie müssen besonders robust sein und verlässlich Messdaten liefern und werden in Kleinserien gefertigt, wodurch deutlich höhere Kosten entstehen, weiß Simmons.

Dazu sagt Grönzin: "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 erlaube einen Materialwechsel ohne dass ein zeitaufwändiger Formatwechsel in der Maschine notwendig sei und erhöhe somit die Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Anlage signifikant.

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

Safety-Produkte und Digitalisierung

Grönzin weiter: "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."

Dabei sei es 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", findet Grönzin.

Overdick erkennt in der Automatisierung einen ungebrochenen Trend. "Durch Digitalisierung und Industrie 4.0 kommen noch Messgrößen und weitere Messstellen hinzu. Ein Beispiel sind fahrerlose Transportsysteme. 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", beschreibt Overdick.

Robotik und Outdoor-Anwendungen

Baumer-Mann Thiem denkt, dass die nächsten zehn Jahre von Automatisierung und maschinellem Lernen geprägt sein werden. "Wir erwarten Zuwächse in der Robotik, aber auch in Outdoor-Anwendungen", so Thiem. Doch viele Maschinenbauer wüssten vor einem Machine-Learning-Projekt oft noch gar nicht, welche Daten oder Informationen sie bräuchten, um die Modelle zu trainieren.

"Gemeinsam mit dem Domänenexperten analysieren Data Scientists die Datensätze. Der Domänenexperte kennt seine Maschine und dieses Wissen ist wichtig für Machine-Learning-Projekte. Treiber für Zusatzdaten um damit Modelle für Voraussagen zu Wartungen et cetera sind vor allem neue Geschäftsmodelle unserer Kunden", weiß Thiem zu berichten.

"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

In welchen Bereichen gibt es noch notwendiges Entwicklungspotenzial?

Simmons sieht im digitalen Zwilling ein deutliches Entwicklungspotential für die gesamte Industrie. "Da eine Simulation sich hier so verhält wie eine reale Anlage oder Maschine, spart das der Industrie Zeit und Kosten, ob in der Entwicklung, der Inbetriebnahme oder Optimierung", erklärt der AMA-Geschäftsführer.

Ein interessanter Trend sei auch das sogenannte Retrofitting, also das Umrüsten bestehender Industrieanlagen mit neuer Technik. Sensoren könnten 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", verdeutlicht Simmons.

Laut Grönzin wird die Erhöhung der Verfügbarkeit, insbesondere im Bereich der sicheren Sensorik weiterhin ein wichtiges Thema bleiben. Hier spiele Einfachheit und Robustheit eine zentrale Rolle. "Auch der Wunsch nach sicheren Messdaten wird stärker werden, um eine sichere Regelung von Anlagen umsetzen zu können. Dies erhöht die Verfügbarkeit, da die derzeitig einzige Alternative das harte Abschalten der Anlage ist", beschreibt Grönzin.

Zudem werde die Größe von Sensoren weiterhin eine zentrale Rolle spielen. Hier seien in der optischen Sensorik jedoch gewisse physikalische Grenzen gesetzt, bedingt durch die Menge des zu empfangenden Lichts.

Sick-Vertreter Overdick sieht in der Handhabung von Komplexität eine Herausforderung. "Auf der einen Seite bestehen Sensor-/Aktor-Systeme aus immer mehr Komponenten, die möglichst intuitiv oder automatisch zusammen funktionieren sollen. 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 von komplexen Systemen", erläutert Overdick.

Hinzu kämen die wichtigen Aspekte der Cybersecurity, die ebenfalls für alle Lebensphasen des Systems zu berücksichtigen seien. "Daher sehe ich das Thema ‚Complexity Management‘ als wichtiges Entwicklungsgebiet mit großem Potenzial", so Overdick.

Laut Thiem ist KI bis zum Sensor und auf dem Sensor sicher ein Entwicklungsbereich, den Baumer in den nächsten Jahren bearbeiten wird. "Mit zunehmender Rechenpower kann der Sensor Zusatzaufgaben übernehmen und selbst Probleme lösen. Dazu kommt: Es gibt für mich keine Alternative zu IO-Link für einfache Feldgeräte", stellt Thiem klar.

Aber er sieht 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", schließt Thiem.

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

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