Cyber-Physical Systems sollen ihre Umgebung selbstständig wahrnehmen. Das geht nur mit Sensoren, die im Zuge der Industrie 4.0 immer intelligenter werden.
Sensoren gelten als Sinnesorgane der Industrie 4.0, denn ohne sie blieben Produktionsanlagen taub und blind. Mit dem Trend zur Dezentralisierung in der Automatisierungstechnik – der letztendlich in der smarten Fabrik seinen (vorläufigen) Höhepunkt findet – werden immer mehr smarte Sensoren benötigt. So hat der AMA, der Verband für Sensorik und Messtechnik, in seiner Studie „Sensor Trends 2014“ festgestellt, dass sich aus bisher vergleichsweise einfachen Sensoren zunehmend höher integrierte und intelligentere Sensorsysteme entwickeln. Dabei steigt der Funktionsumfang der Sensoren kontinuierlich: Sie führen eigene Fehlerkorrekturrechnungen durch, überwachen sich selbst oder verfügen über eigene Kommunikationsschnittstellen. In dezentralen Sensornetzen können sie sogar ihre Energie selbst erzeugen: Per Energy Harvesting wird Strom aus Licht, Wärme oder Vibration gewonnen.
Eine besondere Rolle spielt in der Industrie 4.0 die Bildverarbeitung und damit entsprechende Bildsensoren. Schon heute sind Produktion und Bildverarbeitung eng verzahnt. Bildverarbeitungssysteme sammeln Daten, interpretieren und werten diese aus. Durch entsprechende Auslegung und Aufbereitung können sie frühzeitig Trends und mögliche Fehlerquellen im Produktionsprozess erkennen. Die Einsatzmöglichkeiten von Bildverarbeitungssystemen nehmen zukünftig noch zu, zum Beispiel bei der klassischen Qualitätssicherung, der automatischen Teilezuführung, der Vollständigkeitskontrolle oder der Sehhilfe für Roboter.
MEMS im Fokus
Aufgrund ihrer Fähigkeiten und ihrer geringen Baugröße haben die sogenannten MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) eine wesentliche Bedeutung für die Industrie 4.0: Sie sind winzige Bauelemente, die üblicherweise einen oder mehrere Sensoren, Aktoren und eine Steuerungselektronik auf einem Chip vereinen. MEMS-Sensoren enthalten feinste Strukturen aus Silizium, die sich bei der Bewegung des Gehäuses um Bruchteile eines tausendstel Millimeters verschieben und so ihre elektrischen Eigenschaften verändern. Dies lässt sich messen und in einen Datenstrom wandeln. Moderne MEMS-Sensoren können immer mehr Größen – wie Druck, Beschleunigung, Drehbewegungen, Massenfluss oder das Erdmagnetfeld – in einem Baustein messen und werden gleichzeitig stetig intelligenter.
Nur relevante Informationen werden weitergegeben
Dabei sind ihre Dimensionen winzig: Manche Komponenten messen nur noch vier Mikrometer – also ein Siebtzehntel eines menschlichen Haares. Weil die mikromechanische Sensorik nur schwache elektrische Signale hervorbringt, ist im Bauelemente-Gehäuse neben dem Sensor – oder teilweise sogar direkt auf demselben Chip – noch eine Elektronik integriert. Sie verarbeitet die kleinen Signale, verstärkt und wandelt sie in digitale Daten. MEMS-Sensoren können so Steuergeräte direkt mit Messwerten versorgen. Über eine eigene Software übernehmen MEMS zunehmend nicht mehr nur die reine Signalaufbereitung, sondern werten die Messwerte auch gleich aus. Denn nicht Rohdaten sollen übertragen werden, sondern nur die relevanten Informationen. So werden statt einer Vielzahl von Messwerten nur Grenzwerte oder Störgrößen übertragen. Dazu ein Beispiel: Während „klassische“ Temperatursensoren kontinuierlich die aktuellen Temperaturwerte senden, meldet ein intelligenter Sensor nur noch, wenn eine kritische Temperatur überschritten wird. Gerade im Hinblick auf eine Vielzahl vernetzter Cyber-Physical Systems in der smarten Fabrik ist das ein wichtiger Aspekt, um das Datenvolumen im Netz möglichst gering zu halten.
Eine Schlüsseltechnologie
Bei den MEMS sind Sensoren, Signalverarbeitung, Energiequellen und Sender mittlerweile auch als Einheit so klein, energiesparend und günstig, dass sie milliardenfach eingesetzt werden können. Somit sind MEMS die Schlüsseltechnologie für die Vernetzung von Dingen im Internet und haben in den letzten Jahren insbesondere im Bereich der Smartphones und Tablet-PCs einen gewaltigen Markt gefunden. Um sie auch unter industriellen Bedingungen einzusetzen, muss allerdings die Robustheit der MEMS weiter verbessert werden.