Mit autarken Netzwerken messen
In den Bereichen Energie und Produktion hilft sensorbasiertes Monitoring, um Energie und Ressourcen effizient einzusetzen. Forschende feilen nun an drahtlosen Sensorsystemen zur Überwachung von Industrieanlagen.
Ob es sich um ein Kraftwerk handelt, eine Großanlage in der Chemieindustrie oder einen simplen Verbund von Werkzeugmaschinen zur Fertigung von Motorenteilen – Industrieunternehmen möchten in aller Regel so viele und so detaillierte Informationen wie möglich über die Betriebszustände ihrer Anlagen haben. Nur so können sie zum Beispiel Energieverbräuche prognostizieren oder Wartungsintervalle wirtschaftlich planen. Gerade ältere Anlagen verfügen aber oft nicht über die nötigen Sensoren, um alle gewünschten Informationen zu erfassen.
Nachrüsten ist nicht immer möglich. Manchmal gibt es keinen Stromanschluss in der Nähe, außerdem ist Verkabelung aufwendig und teuer. Zuweilen gibt es auch technische Gründe, die gegen die Erweiterung des Produktionsnetzwerks um zusätzliche Sensoren sprechen. Eine Alternative ist die Einrichtung von autonomen Netzwerken aus drahtlos kommunizierenden Sensoren, die zudem energieautark sind.
Daran forscht zurzeit ein Konsortium aus Unternehmen und akademischen Einrichtungen im Rahmen des Projekts Consens. Das dreijährige Projekt wird von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) gefördert und läuft noch bis Ende 2023. Mit an Bord ist neben der Universität Klagenfurt auch die Fachhochschule Campus 02 mit Sitz in Graz, die für die Entwicklung der Hardware verantwortlich zeichnet.
Prinzip der Energieernte
„Man muss die Sensoren so auslegen, dass sie energieautark sind“, erklärt Manfred Pauritsch, Forscher und Koordinator des Fachbereichs Elektrotechnik an der FH, den Grundgedanken. „Dafür kann man verschiedene physikalische Effekte nutzen.“Das hierbei angewandte Prinzip nennt sich „Energy Harvesting“, also „Energieernte“. Der Trick dabei: Die Sensoren zapfen am Installationsort vorhandene Energie zur Versorgung an.
Idealerweise nutzt man jene physikalische Größe, die man messen will, auch gleich zur Energieversorgung. Dafür kommen zum Beispiel die Abwärme von Maschinen, mechanische Vibrationen oder einfach Licht infrage, die direkt im Sensor jeweils in Strom umgewandelt werden können. Riesige Strommengen lassen sich so allerdings nicht generieren. Deshalb muss die Elektronik im Sensor so ausgelegt werden, dass sie mit Leistungen im Milliwattbereich operiert.
Die dritte Stellgröße ist das Netzwerk selbst. Funknetzwerke benötigen im Allgemeinen viel Strom. Es gibt allerdings neue Funkstandards wie beispielsweise die LoRaWANTechnologie (Long Range Wide Area Network), mit der kleine Datenmengen energieeffizient über sehr große Reichweiten verschickt werden können.
Schneekette bis Rotorblatt
Energieautarkie, sparsame Elektronik und Funk – aus diesen drei Komponenten bestehen die autonomen Netzwerke, die dem Anwender fast keine Mühe verursachen: „Man stellt einen Router auf, und alle Sensoren melden sich bei diesem an. So baut sich das Netz auf, es gibt ein kein kompliziertes Einrichten“, erklärt Pauritsch. Es existiere jedoch keine Universallösung, die für jede Anwendung geeignet sei, fügt er hinzu.
Die Komponenten müssen dabei auf die jeweiligen Anforderungen und die Umgebungsbedingungen vor Ort abgestimmt werden. Die Praxistauglichkeit des Systems haben die Projektpartner deshalb anhand verschiedener Anwendungsfälle getestet.
Bei einem Hersteller von Schneeketten beispielsweise werden die elektrischen und thermischen Betriebsparameter räumlich verteilter Schweißgeräte als Netzwerk sensorisch erfasst. Neben einem reinen Energiemonitoring sollen die Daten künftig genutzt werden, um die Lastverteilung auf die einzelnen Maschinen zu optimieren.
Mit einem anderen Unternehmenspartner haben die Grazer hauchdünne Sensoren entwickelt, die auf die Rotorblätter von Windkraftwerken geklebt werden und dort die auftretenden Vibrationen messen. So sollen mögliche Störungen frühzeitig erkannt werden. „Die Sensornetzwerke eignen sich zum dauerhaften Nachrüsten an Anlagen und Maschinen, sie sind aber auch geeignet, wenn man bestimmte Größen nur eine Zeitlang messen möchte“, sagt Pauritsch.